谢 欣
[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]
盾构隧道施工会引起周边地层位移，从而影响周边建筑物的安全。为此，国内外已经有许多研究成果。为保证施工过程中周边建筑物的安全，需要在工程施工前对地表沉降进行预测，从而对建筑物的安全状态进行评估。
目前盾构隧道施工沉降主要有三种预测方法，即：经验公式法、理论解析法，以及数值分析法。经验公式法[1-2]主要以Peck 公式及其修正公式为代表的，假定沉降槽服从正态分布形式，通过现场实测数据来确定沉降槽曲线的参数，以此来预测地表沉降量。理论解析方法[3-4]主要是运用弹性应变理论，推导出地面沉降解析解。相较于以上两种沉降预测方法，数值仿真技术能够更加准确地模拟隧道施工的动态过程，充分考虑结构和地层之间的相互关系[5-6]。近年来计算机技术发展迅速，使数值计算方法的运算效率和计算精度都得到显著提高，逐渐成为隧道工程预测计算最为重要的技术手段。
现采用数值分析法，模拟三维条件下盾构隧道的施工过程，通过改变等代层弹性模量来模拟隧道施工对地层产生的扰动，分析不同程度地层扰动对地层位移和建筑物产生的影响。在此基础上，结合该地区的相关监测数据，对施工过程中的建筑物进行安全评价分析，为工程提供数据支撑和理论指导。
浙江宁波某地下综合管廊采用盾构法施工，盾构区间有一处下穿房屋群的重要施工节点。盾构隧道埋深10 m，外径6.7 m，内径6.0 m，采用C55 钢筋混凝土管片，错缝拼装，厚度350 mm，环宽1.2 m。
根据现有设计方案，三座建筑物位于拟建隧道上方，分别是：一座单层砖砌门房，位于盾构隧道正上方，长宽为6 m×4 m；
一座两层砌体建筑，与盾构隧道中线平面距离在10 m 左右，长宽为16 m×6 m；
以及一座三层建筑物，同样为砌体结构，与盾构隧道中线平面距离在10 m 左右，长宽为15 m×10 m。
根据该工程地质勘察资料，该盾构隧道所处地层主要以黏土和粉质黏土为主，从上到下依次是：①1层杂填土；
①2层黏土；
②1层淤泥质黏土；
③2层淤泥质粉质黏土；
④2层粉质黏土。各地层的层厚及相关地层参数如表1 所列。
表1 基本地层计算参数表
2.1 有限元分析模型
采用MIDAS GTS 有限元建立盾构隧道施工的三维地层-结构模型，模拟盾构隧道掘进对上部建筑物及周边地层的影响。模型尺寸为50 m×30 m×30 m（见图1），能够减少边界条件对盾构施工产生的影响。隧道采用实体单元模拟，外径6.7 m，内径6.0 m，按照环宽1.2 m 将其分为25 个盾构环。在隧道衬砌外部，对应于各管片环的宽度，分别设置0.5 m 厚的圆环等代层，施工中用以替换所处位置的地层，并通过调整等代层弹性模量来反映隧道施工扰动产生的地层损失。考虑到上部建筑结构形式的复杂性，为提高有限元模型的计算效率，将其简化为厚度0.5 m 的混凝土板，并按照每层10 kPa 的标准在板上施加竖向均布荷载。
图1 有限元计算模型
2.2 有限元模型材料参数
2.2.1 地层材料参数
在有限元计算模型中，地层材料采用弹塑性模型，服从摩尔-库伦屈服准则。具体的地层参数及土层厚度根据项目的地质勘察报告选取。地层与隧道之间采用节点耦合，不考虑两者之间的相对位移。盾构隧道周边的等代层采用线性弹性模型，等代层弹性模量作为主要控制参数分别进行计算。
2.2.2 结构材料参数
盾构隧道管片材料为C55 钢筋混凝土，可采用线弹性实体单元进行模拟。由于纵向接缝的存在，盾构管片环的横向刚度要小于均质圆环，因此，现对管片弹性模量进行折减[7-8]。地表混凝土板也采用线弹性实体单元，材料参数按C30 混凝土进行取值。
2.3 盾构施工模拟过程
有限元模拟过程充分考虑盾构施工的基本工况，沿盾构隧道共有25 个管片环。为了增加计算效率减少施工步骤，将两个管片环作为一个工况，共存在13 个施工工况。盾构隧道内土体开挖和衬砌施作在一个工况内进行，同时在掌子面施加支护应力。等代层的节点与周边土体，以及隧道衬砌耦合，其施作工况要落后于开挖土体两个施工步骤，同时施作等代层时应去除对应区域的土体，具体的施工步骤如表2 所列。
表2 基本地层计算参数表
进行四组有限元计算，依次将模型中代层弹性模量设置为4 MPa、3 MPa、2 MPa、1 MPa，通过等代层厚度的变化确定其地层损失率R，以此分析施工扰动对计算结果的影响。
3.1 地表沉降分析
当等代层取4.0 MPa 时，地层损失率R 大约为0.92%，建筑物中线沉降曲线如图2 所示。断面有明显的沉降槽出现，由于地表存在建筑物刚性较大，沉降槽上可以看到明显的转折点。
图2 地层位移及地表沉降曲线图示（R=0.92%）
图3 表示的是建筑A 中心处地表沉降随盾构施工掘进的变化过程。可以看出，在盾构机到达前三个工况（机头相距7.2 m 时），地表开始有明显的沉降趋势，随着施工的进行，沉降逐渐增加，最终呈现出收敛的趋势。
图3 地表最大沉降变化曲线图
3.2 建筑物沉降分析
《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）表5.3.4 规定：当砌体承重结构基础发生局部倾斜时，其地基变形允许值s/L 为0.002（中、低压缩性土）以及0.003（高压缩性土）。《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）第9.3.1：“当无地方工程经验时，对于风险等级较低且无特殊要求的建（构）筑物，沉降控制值宜为10～30 mm，变化速率控制值宜为1～3 mm/d，差异沉降控制值宜为0.001 l～0.002 l”。
图4 表示的是不同地层损失率R 条件下，建筑群所在断面的地表沉降曲线。当R≤1.25%建筑A 尚能满足《城市轨道交通工程监测技术规范》中对于累计沉降量的控制要求（30 mm）。提取出建筑物两端的沉降值，计算出建筑物的差异沉降s/L，得到所示的变化曲线（见图5）。可以发现，建筑B 的差异沉降变化对地层损失率最为敏感，当R=1.35%时，建筑B 的差异沉降s/L 达到《建筑地基基础设计规范》给出的限制0.002。《城市轨道交通工程监测技术规范》中对于差异沉降差异沉降控制值宜为0.001 l～0.002 l，对应的地层损失率为0.71%～1.35%。
图4 不同地层损失率R 下地表沉降曲线图
图5 建筑物差异沉降随地层损失率R 的变化规律曲线图
3.3 安全评价分析
在实际工程中，地层损失率R 与地层条件、施工工艺、外部荷载等诸多因素有关[10]。因此，具有一定的不确定性。根据吴昌胜等[11]对国内土压平衡盾构施工实测数据的统计和分析，土压平衡盾构引起的地层损失率为0.03%～3.79%，平均值为0.96%。其中，宁波地区地层损失率在0.03%～2.41%，平均值为0.89%。根据这一数据可以推算出，建筑A、建筑B、建筑C 的最大沉降分别为0.86～57.57 mm、-5.26～30.03 mm、-2.73～26.54 mm，差异沉降分别为0～0.02%、0～0.36%、0～0.17%。若要满足规范中对于沉降控制值，以及差异沉降控制值的要求，模型中的地层损失率需要控制在1.35%以内。
本文模型中，地层损失率R 和地表最大沉降Smax（mm）之间存在线性关系：
以此可以建立各建筑物最大沉降s、差异沉降s/L与地表最大沉降Smax。通过查阅文献可以找到宁波地区地表最大沉降量的相关统计数据，以此作为评价该项目安全的参考依据。
朱邦彦[12]等运用Sentinel-1 影像对宁波地铁2号线最大沉降量进行了观测，得到最大沉降量为26.9 mm。王小军[13]等对宁波1、2 号线泽大区间和段启区间进行了沉降观测，地表最大沉降量为29.61 mm。由此可见该地区最大沉降量基本可以控制在30 mm以内，可以推算出该模型中所对应的地层损失率R为1.28%，小于本文中的地层损失率控制值1.35%。此时所对应的建筑最大沉降和差异沉降均在规范要求的范围内，能够满足施工安全保护的要求。
通过运用三维有限元模型对盾构隧道的施工过程进行模拟，着重研究了隧道掘进过程对周边建筑物的影响。结合建筑物保护的相关规范，基于宁波地区的相关监测数据统计资料，对盾构隧道施工安全性进行了分析评估，得到以下结论：
（1）在建立的三维有限元计算模型中，通过改变等代层弹性模量，能够反映盾构隧道施工对地层的扰动。通过有限元分析发现，上部建筑物的差异沉降与地层损失率基本呈线性正相关关系。
（2）结合宁波地区盾构隧道施工的相关监测数据资料，运用本文中的三维有限元模型进行推算，建筑物的最大沉降和局部差异沉降均在规范要求的范围内，能够满足施工安全保护的要求。
（3）在盾构隧道施工中，应加强监控量测，在掘进至目标区域前，运用实际监测数据对建筑物的沉降变形进行进一步的分析推算。同时，应根据监测数据及时调整施工参数，防止超挖，合理注浆，严格控制隧道掘进的地层损失率。
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