刘希武
（平度市公路事业发展中心，山东青岛266700）
摘要：为了分析宝长盾构施工开挖过程中隧道围岩变形、地表沉降及建筑物变形情况，运用MIDAS GTS和MIDAS GEN构建三维计算模型，对盾构穿越突变地质的过程进行数值模拟分析。结果表明，由硬岩地质向软岩地质开挖，地表边缘沉降和地表中心沉降都随着开挖进尺的增大而增大；地表最大沉降量发生在地表中心处，无论是地表中心还是地表边缘，两侧的沉降值都小于中间的沉降值；建筑物梁、柱的竖向位移呈线性增长，最大位移发生在梁的末端和柱的顶端。地表最大沉降控制值和梁柱最大位移控制均在规范规定范围内，符合实际施工工况。
0引言
济南地区主要以软硬不均地层、突变地层为主，其中宝长盾构区间的地质特征尤为明显[1]。在济南地铁R2线掘进过程中，突变地层的出现大大增加了施工难度。当盾构施工穿越这类突变地质时，由于地质界面处冲击力波动较大，从而使盾构过程中的盾构推力加大，导致掘进效率偏低，容易造成开挖面失稳、围岩变形等问题。同时，在此过程中也经常遇到开挖断面土体不均匀、地层条件与掘进参数设置并不匹配等问题[2]。如果不及时采取控制措施，可能造成地层沉降值超限，甚至会使地表发生塌陷，严重影响到地表建筑物的安全。华街站至济南长途汽车站区间全长977m，因其施工区间均为地下段，故需要盾构施工。宝长盾构区间的地质情况复杂，是全线高风险、难点最多的施工区段。该区间穿越河流，地下水发育充足，同时地质情况复杂多变，软硬不均、极硬岩、球形风化孤石群等复杂地层交替出现，大大增加了盾构掘进的难度系数。极硬的岩石加剧损耗了盾构机刀片，而且喷涌、刀具磨损严重的情况频繁发生，致使施工进度异常缓慢。本文就宝长盾构施工区间为工程背景，通过数值模拟分析并结合实测地面沉降数据，研究开挖过程中隧道围岩变形、地表沉降及建筑物变形情况，其结果可以为相关隧道的掘进提供参考。
1工程概况
乐圣大厦位于济南市东工商河路与商场北路交叉口附近，大厦主体为框架-剪力墙结构，是一栋6层的商业建筑。该建筑层高为3m，长为36m，宽为16m，高为18m。考虑到大厦地基承载力较高且无地下室，故地基为天然地基。由于隧道施工需要从正面穿越该建筑，故根据工程实际情况建立三维计算模型。
2隧道施工三维模型建立
首先运用MIDAS GEN建立大厦模型，然后将所建模型导入MIDAS GTS中进行分析计算。在该模型中，土层、建筑物梁、建筑物板、建筑物柱均为实体单元。在该工程中，设定掘进压力为120kN，通过面压力中的3D单元面来实现掘进压力的施加；千斤顶力设定值为100kN，千斤顶力的施加是通过线压力中的2D单元线来实现；设定注浆压力为150kN，注浆压力的施加是通过面压力中的2D单元面实现。在进行模型网格划分时，考虑到单元网格的准确性和位移变形的精确性，将开挖土体的网格长度设定为1m，其余土层网格长度设定为2m。
计算前需要进行以下假定：
（1）忽略地下水、岩体裂隙以及注浆土体的影响，进行计算时默认围岩体完整，不存在裂隙；
（2）盾构隧道施工时进行全断面连续施工，隧道开挖完成后立刻进行相关支护，忽略构造应力的影响，假设初始应力均匀分布；
（3）假设衬砌结构为各向同性体，并选用弹性本构模型。当盾构隧道下穿地表建筑物时，根据地质勘查报告，该施工区间的岩-土地质界面倾角为90°，故模型建立仅考虑α=90°的情况。
3盾构隧道下穿对既有建筑物的影响
3.1盾构隧道开挖对围岩变形影响
图1和图2为盾构隧道由硬岩地质向软岩地质开挖过程中，当开挖至突变地质界面时，周围围岩的竖向变形云图、纵向位移图。由图可知，在地质界面处，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为1.54mm；沿Y轴负向，拱顶最大纵向位移为0.43mm。而且在隧道由硬岩地质向软岩地质掘进的过程中，拱顶竖向位移在地质界面前方基本不变，当开挖掌子面到达地质界面时，拱顶竖向位移迅速减少。拱顶的纵向位移呈漏斗状，而且在开挖面处达到最大。
3.2盾构隧道开挖对地表沉降影响
图3、图4为地表边缘和地表中心沉降曲线图。由图3、图4可知：地表沉降曲线呈漏斗形，拱顶最大沉降量为6.36mm。地层隆起发生在隧道底部位置，隧道拱底处隆起量最大，为6.51mm。根据地表沉降曲线，地表最大沉降量发生在地表中心处，为1.66mm，而且沿着盾构隧道掘进方向，地表两侧沉降呈对称分布。由图3、图4还可知，无论是地表中心还是地表边缘，两侧的沉降值都小于中间的沉降值，并且最大沉降控制值在规范要求范围内，符合正常工况。
3.3盾构隧道开挖对建筑物变形的影响
当盾构隧道开挖下穿地表建筑物时，会对周围建筑物产生一定的影响，使建筑物在水平和竖直方向产生一定的形变。图5和图6分别为盾构隧道由硬岩地质向软岩地质开挖时，地表建筑物的竖向位移曲线图。由图可知，沿着隧道掘进方向，建筑物梁的竖向位移呈线性增长，最大竖向位移发生在建筑物梁的末端，沿Z轴负方向，最大竖向位移为2.04mm；沿着Z轴正向，建筑物柱的纵向位移也呈增长趋势，建筑物柱的最大纵向位移发生在柱顶端，最大纵向位移为1.29mm，方向为Y轴正向。
综上所述，建筑物梁的最大竖向位移与建筑物柱的最大纵向位移控制值均在规范规定范围内，符合实际施工工况。
4结束语
本文以济南地铁R2线宝长区间为工程背景，在盾构施工穿越突变地质界面的过程中，分别考虑了地质界面倾角、开挖面与地质界面距离、开挖进尺3个因素对围岩变形、地表沉降及建筑物变形的影响，分析总结了盾构施工过程中围岩及地表建筑物变形规律，得到以下结论：
（1）由硬岩地质向软岩地质开挖，地表边缘沉降和地表中心沉降都随着开挖进尺的增大而增大。拱顶竖向位移在地质界面前方基本不变，当开挖掌子面到达地质界面时，拱顶竖向位移迅速减少。拱顶的纵向位移呈漏斗状，而且在开挖面处达到最大。
（2）地表最大沉降量发生在地表中心处，沿着盾构隧道掘进方向，地表两侧沉降呈对称分布。无论是地表中心还是地表边缘，两侧的沉降值都小于中间的沉降值，并且最大沉降控制值在规范要求范围内，符合正常工况。
（3）沿着隧道掘进方向，建筑物梁、柱的竖向位移呈线性增长，梁的最大竖向位移发生在建筑物梁的末端；柱的最大纵向位移发生在柱顶端。建筑物梁的最大竖向位移和柱的最大纵向位移控制值均在规范规定范围内，符合实际施工工况。
转载文献来源：中国知网-道路桥隧
