1、盾构隧道近距离侧穿文物建筑影响分析研究摘要：以乌鲁木齐轨道交通号线盾构区间隧道近距离侧穿陕西大寺大殿为背景，采用数值模拟计算方法，对新建隧道施工所引起的地表沉降以及陕西大寺大殿基础不均匀沉降、倾斜进行深入分析研究。计算结果表明，双线隧道开挖完成后地表沉降值最大为 6mm，发生在两隧道中心线正上方地表处。左线隧道开挖对文物建筑影响较小,随着右线掘进开挖，沉降最大值为点 1.75mm。右线开挖过程中基础最大倾斜发生在 AH边界，约为 1.42E-4。 关键词：盾构隧道；文物建筑；不均匀沉降；数值模拟 中图分类号：文献标识码：文章编号： Abstract: Based on Urumqi Metro
2、 #1 constructing running shield tunnel side-crossing close to main hall of shanxi temple，using numerical simulation method，the ground settlement and the foundation uneven settlement and inclination of the main hall of shanxi temple affected by the constructing shield tunnel are studied and analyzed.
3、The simulation results show that the maximum ground settlement is 6mm, It happens in both the center line of the tunnel to the ground. The excavation of the left line has less effect on buildings. With the excavation of right tunnel, the maximum settlement for point A is 1.75 mm. In the process of t
4、he excavation of the right line, Building foundation biggest inclination happens in AB border, about 1.42 e-4. Key word: shield tunnel；heritage building ；uneven settlement； numerical simulation 中图分类号：U45 文献标识码：A 1 引言 盾构施工以其高效、地层适应性强及对周围地层影响小的优点在城市地铁工程中得到了广泛应用。然而盾构施工将不可避免地对土体产生扰动，引发不同程度的地层位移和地表变形，引起建
5、筑物基础的不均匀沉降及上部结构的附加变形，甚至导致建筑物开裂、破坏和倒塌。特别是穿越悠久的古老的保护性建筑时，对盾构的推进提出了更高的要求。如何预测盾构穿越所引起的地层位移，确保已有建筑物正常使用和盾构的顺利掘进，是盾构隧道设计与施工中非常关键的问题。 本文结合乌鲁木齐轨道交通 1 号线盾构隧道侧穿陕西大寺大殿文物建筑工程，采用 FLAC3D 数值分析方法，就盾构推进过程中地表沉降及对邻近文物建筑的基础不均匀沉降等问题进行了深入分析。 2 工程概况 规划乌鲁木齐地铁 1 号线南起三屯碑站，终点站为地窝堡机场站，线路全长 26.48km，均为地下线。陕西大寺大殿位于二道桥车站与南门车站区间，其与
6、线路位置关系见图 1.陕西大寺大殿由歇山建筑和攒尖建筑两部分组成(图 2)，属典型的砖木结构，建筑物最高点为 10.2m。建筑物西侧 A 点至右线最近点距离为 10.38m。盾构机由南向北从二道桥站向南门站掘进，为了减小隧道开挖对文物建筑的影响，盾构施工采取先后掘进的方法，左线先行推进，贯通后右线开始掘进。陕西大寺大殿所在区间自然地面标高在 886.56886.84m 之间,隧道埋深约为 21m,盾构外径为6.25m，管片宽 1.5m,厚 0.3m,隧道所在地层为中风化泥岩，埋深为 21.3m,两隧道间距为 7.0m。 图 1 隧道与建筑物平面示意图 图 2 陕西大寺大殿立面图 3 数值模拟分
7、析 3.1 模型建立 本文采用 FLAC3D 有限差分软件计算分析，隧道开挖影响范围约为35 倍洞径，以左、右线隧道中心为原点，水平向右为 X 轴方向，沿隧道轴向为 Y 轴正方向，垂直向上为 Z 轴正方向，整个模型在 xyz 方向大小分别为 130m、60m、50m。模型共划分网格单元 62080 个，节点 66871个。边界条件为：模型顶面自由，约束四周各边界面的法向位移，底面各方向位移完全约束。地层采用实体单元，按弹塑性材料模拟，取用Mohr-Coulomb 模型，管片采用 Shell 单元，用线弹性材料模拟。在模拟开挖过程中，利用 FLAC3D 软件自带 fish 语言在掌子面进行施加盾
8、构机推力，同时实现围岩应力释放。沿隧道开挖方向共计 60m,每开挖一环计算一步，共计 40 步。 3.2 参数选取 根据地质勘查报告，土层具体参数见表 1。管片采用 C50 混凝土，弹性模量取 34.5Gpa,密度 2500Kg/m3,泊松比为 0.2。根据营造法式古建筑基础做法，取陕西大寺大殿基础为灰土基础，弹性模量 40 Mpa，密度 2300Kg/m3,深度为 2m,泊松比为 0.3, 文物建筑采用等效荷载替代的方法，将上部砖木结构自重以大小 10Kpa 的力施加在基础上。 表 1 地层参数表 图 3FLAC3D 模型 3.3 计算结果分析 计算过程模拟盾构机由二道桥站向南门站推进，先开
9、挖左线，后开挖右线。对施工所引起的的地表及陕西大寺大殿基础各角点（AH）的沉降进行全程跟踪，并设定在盾构区间每推进 6m 进行一次记录，从而得到地表沉降特征曲线和陕西大寺大殿基础沉降值。图 45 分别为左线、左右双线贯通后沉降云图。左线开挖引起的地表沉降值最大约为 3.7mm,发生在左线隧道中心上正上方地表。右线开挖对区间土体产生了二次扰动，使地表沉降相应叠加，由计算分析得出两隧道中心线正上方地表最大沉降值约为 6mm。 图 4 左线开挖完成后 Z 向位移云图 图 5 左右双线贯通沉降云图 陕西大寺大殿基础角点 A 距离两隧道中心线水平距离为 19.88m，左线开挖过程中 A 点最大沉降值为
10、0.15mm。由于文物建筑与左线隧道水平距离较远，左线施工对其基础其余各角点沉降影响很小。图 6 为右线开挖过程中每开挖 6m 时基础各角点竖向沉降跟踪监测值，可以看出除远离右线隧道中心的基础 E、F 两点外，其余各点均产生沉降。由于盾构机先通过 B 点所在的开挖面，B 点的沉降值在右线掘进 36m 之前大于 A 点，此后 A 点沉降值大于 B 点，在左线开挖至 60m 时，A 点最大沉降值为1.75mm，右线开挖对陕西大寺大殿影响较大。古建筑基础地表及其顶面产生的最大沉降量不超过+5-15 mm，由以上分析可以看出基础沉降值均满足要求。 国内外对砖砌体结构建筑物的允许变形值评价主要采用局部倾
11、斜，现有建筑标准中最严格的规定是地基沉降变形允许值按局部倾斜 0.001控制。图 7 为陕西大寺大殿基础各边界在右线开挖过程中的倾斜值，从图中可以看出基础最大倾斜值发生在 AH 边界，最大倾斜为 1.42E-4，各基础边界倾斜均小于 0.001。 图 6 右线开挖过程中基础沉降 图 7 建筑基础倾斜 4 结论 利用 FLA3D 对隧道开挖过程进行模拟分析，计算得出左右线开挖贯通后，地表沉降最大值约为 6mm。 陕西大寺大殿位于左线沉降槽范围外，其开挖过程对文物建筑的影响可以忽略不计。右线开挖过程中基础 A 点达到最大沉降值约为 1.75mm,基础边界由于不均匀沉降产生的最大倾斜发生在 AH 边
12、界，约为 1.42E-4。 陕西大寺大殿为全国重点保护文物，在隧道开挖过程中要及时做好监测工作，把监测结果及时反馈到施工过程中，以保证施工安全。 参考文献： 1刘招伟, 王梦恕, 董新平. 地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析J. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(8):12971301. 2蒋洪胜，侯学渊. 盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析J. 岩石力学与工程学报，2003，22(9)：1 5141 520. 3 魏 纲. 盾构法隧道施工引起的土体变形预测J. 岩石力学与工程学报，2009，28(2)：418424 4 刘 波，叶圣国，陶龙光，等. 地铁盾构施工引起邻近基础沉
13、降的 FLAC 元数值模拟J. 煤炭科学技术，2002，30(10)：911. 5 彭畅，伋雨林，骆汉宾，等. 双线盾构施工对邻近建筑物影响的数值分析J. 岩石力学与工程学报，2008，27(增 2)：3 8683 874. 6 葛世平，廖少明，陈立生，等. 地铁隧道建设与运营对地面房屋的沉降影响与对策J. 岩石力学与工程学报，2008，27(3)：550556. 7 冯慧君，范井越，张 杰. 盾构隧道近距离旁穿地面建筑物的模拟分析J. 都市快轨交通，2009，22(1)：7477. 8 王春凯，许 恺，周冠南，等. 盾构隧道穿越条基框架结构影响研究J. 城市轨道交通研究，2009，(9)：4751. 作者简介：鲍凯，男（1987-） ，硕士研究生，北京建筑大学，研究方向：岩土与地下工程。
