地鐵盾構掘進對地表及建筑物沉降的影響研究
——以深圳地鐵16 號線為例

梁子杰，劉紅軍，張宇杰

（五邑大學 土木建筑學院，廣東 江門 529020）

深圳人口密度大、汽車的保有量高，地上交通已不堪重負，亟需大力發展地鐵來緩解城市的交通壓力、帶動經濟向更優的方向發展. 盾構法具有對周圍土體擾動小、易于控制沉降、施工過程安全等優點，是沿海地區地鐵施工的常用方式[1]. 城市的管廊工程通常埋深小，又緊鄰周邊建筑物，因此需要采用現場監測和數值模擬相結合的方法研究地鐵盾構掘進引起的地表和建筑物沉降問題.

對于地鐵盾構掘進引起的地表沉降問題，劉俊生等[2]建立三維數值分析模型，并將計算結果與現場實測結果進行對比分析，研究了雙線盾構穿越引起的地表沉降變形規律和相互擾動機理. 代君等[3]對盾構隧道施工引起的臨近地表沉降進行了數值分析. 楊修等[4]建立數值模型模擬分析，并與監控量測結果對比，研究盾構施工引起圍巖擾動的變形情況. 婁平等[5]利用數值模擬軟件建立有限元模型，研究疊線隧道掘進過程中橫剖面上土體移動規律以及地表沉降規律. Lee 等[6]建立了在軟黏土地層中隧道開挖的三維有限元模型，并分析了不同開挖過程所造成的地表位移. Thomas 等[7]對軟土地區土壓平衡盾構施工進行分步開挖數值模擬，并考慮了土壓平衡、盾尾注漿、管片安裝等對地表沉降的影響.

對于地鐵盾構掘進引起的建筑物沉降問題，荊敏等[8]通過分析大量的地表和建筑物監測數據，得到了福州軟土地層變形和建筑物沉降的規律. 關永平[9]采用有限元軟件建立近接既有建筑物隧道施工的二維模型，研究了不同隧道與建筑物的水平間距、基礎埋深以及土層參數等關鍵參數對建筑物變形的響應規律. Jenck 等[10]采用數值計算軟件模擬了隧道掘進工程，研討了建筑物自身剛度對隧道周圍地表變形產生的作用. 胡佳[11]采用有限元計算和現場監測相結合的方法，分析了盾構施工擾動對建筑物及基礎結構的影響規律. 任建喜等[12]以在富水圓礫地層的盾構雙線隧道先后通過鄰近建筑物為研究背景，通過現場監測和數值計算方法，對雙線隧道施工引起地表及既有建筑物變形規律進行研究. Melaki 等[13]對隧道開挖過程中建筑物、隧道和土層間相互作用進行研究，結果表明，建筑物的剛度、寬度和重量對土層位移分布影響較大. Liu 等[14]建立三維有限元模型研究盾構開挖過程對地層和建筑物的影響，并與現場監測數據比較，以驗證模型的正確性.

盡管很多學者對盾構掘進引起的地表沉降和建筑物沉降進行了研究，并取得了不錯的成果，但是由于地下工程的區域性，關于深圳地區地鐵盾構掘進引起的地表和建筑物沉降的研究不是很多.深圳地區地層松軟、施工環境與條件通常比較復雜，地鐵盾構掘進對附近地表與建筑物的影響仍然是亟待研究的問題. 本文擬以深圳地鐵 16 號線龍東村站—龍南站區間為背景，利用有限元軟件MIDAS GTS NX 建立盾構掘進的三維數值分析模型，將數值模擬結果與現場監測數據進行對比，分析盾構掘進引起的地表沉降與建筑物沉降.

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳市城市軌道交通16 號線（龍東村站—龍南站）起于龍南站東端，止于龍東村站西端. 其中龍南站為地下雙層島式站臺車站，龍東村站為帶站后渡線的地下二層島式站臺車站. 本區間設計起點為龍南站東端結構內緣，里程為Y(Z)K22 + 906.621 4；設計終點為龍東村站西端結構內緣，里程為YK23 +850.163 2(ZK23 +851.367 9)；右線長943.514 8 m，左線長944.746 5 m. 采用盾構法進行施工.

本區間上層覆土主要為：＜1 - 4＞雜填土、 ＜5 - 1 - 2＞淤泥質粉質黏土、 ＜6 - 1 - 3＞粉質黏土、＜8 - 3 - 3＞粉質黏土、 ＜31 - 4 - 12＞微風化灰巖.

雜填土 ＜1 -4 ＞：青灰色，稍密，稍濕，含建筑垃圾、生活垃圾、塊石、碎石等，均勻性差，多為欠壓密土，結構松散，具強度較低、壓縮性高、荷重易變形等特點，工程性質差.

淤泥質粉質黏土 ＜5 - 1 - 2＞：灰黑色，流塑至軟塑，土質不均，以黏性土為主，含礫石和有機質.

粉質黏土 ＜6 - 1 - 3＞：灰黃色、灰白色，可塑至硬塑，土質不均，以黏性土為主，含砂粒和礫石.

粉質黏土 ＜8 - 3 - 3＞：黃褐色、灰褐色，可塑至硬塑，土質不均，含水量較高，由砂巖風化殘積而成，以黏性土為主，含砂粒和礫石，含大量風化碎屑，遇水易軟化.

微風化灰巖 ＜31 - 4 - 12＞：青灰色、灰白色，隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育，錘擊聲響，巖芯多呈6～25 cm 柱狀及短柱狀，局部呈塊狀.

本區間的地表水主要為松散巖類孔隙水和裂隙巖溶水. 松散巖類孔隙水主要賦存于填土、卵石中，粉質黏土中因含砂粒、局部還含礫石，故也含水，但水量較小. 該層水主要由大氣降水補給，也有側向徑流及越流補給，以蒸發、側向徑流、人工開采方式排泄. 裂隙巖溶水主要賦存于石炭系石磴子組灰巖裂隙和溶洞中，水量豐富，透水性和富水性因裂隙和溶洞的發育程度、貫通度、地形條件等而變化，因第四系殘積土、沖洪積土層的滲透系數比基巖小，故裂隙巖溶水表現出一定的承壓性，主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流、人工開采方式排泄.

1.2 監測點布置

地表主要位置每隔20 m 布置監測斷面，每個監測斷面布設11 個監測點，在軸線外側監測點間距依次為3 m、5 m、5 m，建筑物在四周布置監測點，在盾構到達前1 周開始監測，直至盾構通過監測斷面土體變形逐漸穩定，部分監測點布置如圖1 所示.

圖1 監測點布置圖（單位：m）

2 數值模擬模型

2.1 基本假定

1）假定所有土層均為彈塑性，且同一土層的土體均為各向同性材料；

2）假設管片為線彈性材料，且管片之間的連接為剛性連接；

3）假設模型中的巖土層符合莫爾-庫倫準則；

4）假定初始地應力計算只考慮土層自重應力及地表建筑物的自重作用；

5）為了簡化模型，在模型的計算中忽略地下水的滲透作用.

2.2 模型的建立

采用 MIDAS GTS NX 軟件建立三維數值分析模型進行模擬計算，盾構隧道內徑5.4 m、外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，每一環管片寬度1.5 m，隧道埋深18 m，左右隧道中心線的距離為15 m. 建筑物的尺寸為20 m × 1 0 m × 1 8 m ，建筑物梁采用0.6 m ×0.3 m的矩形截面，建筑物板板厚為0.12 m，建筑物柱采用0.6 m ×0.6 m的矩形截面，建筑物樁長14 m，直徑1 m，梁板柱樁材料為C30 混凝土. 在使用有限元軟件MIDAS GTS NX 建立隧道模型時，土層模型范圍一般取隧道直徑的3～5 倍（取3 倍寬度時邊界效應對隧道的影響在10%以下，而5 倍寬度時影響為3%以下[15]），本文確定模型的尺寸為80m×60m×50m，三維模型示意圖如圖 2 所示. 巖土層材料特性選擇莫爾-庫倫模型，結構材料特性選擇彈性模型. 根據深圳地鐵16 號線龍東村站—龍南站區間地鐵隧道巖土工程勘察報告可獲取巖土體的基本物理力學參數，得到如表1 所示的計算所需參數. 盾構機盾殼材料為鋼，管片材料為C50 混凝土，隧道材料參數如表2 所示. 模擬時為了消除邊界效應，模型邊界條件均采用位移邊界條件，上邊界為自由面，側邊限制水平位移，底邊限制水平和豎向位移.

圖2 三維模型示意圖

表1 巖土物理力學指標

表2 隧道材料參數

2.3 施工階段的定義

1）初始地應力

實際工程中，盾構掘進是原狀土體在自重和其他地表恒活載作用下已經固結沉降完成的狀態下進行的. MIDAS GTS NX 軟件在定義施工階段時設有位移清零選項，可將當前施工階段計算的位移清零而僅保留土層應力，并以此作為后續施工的初始狀態.

2）開挖過程的模擬

初始地應力之后，就可以利用軟件的單元激活與鈍化功能進行盾構開挖施工模擬，根據實際工程中右線先行、左線跟進的施工原則逐環開挖，具體開挖過程如下：

第一步開挖，鈍化第一環的開挖土及注漿單元，激活相應的盾殼單元和管片單元，對開挖面土體表面施加均布的掘進壓力以此模擬盾構機的頂推過程.

第二步開挖，鈍化第二環的開挖土及注漿單元，激活相應的盾殼單元和管片單元，對開挖面土體表面施加均布的掘進壓力以模擬盾構機的頂推過程. 同時，鈍化第一步開挖的盾殼單元，激活注漿單元及相應的注漿壓力，以此模擬第一環的盾構注漿過程.

第三步開挖，同前，進行第三環開挖和第二環盾尾注漿. 同時鈍化掉施加于第一環的注漿壓力，以此模擬注漿壓力消散的過程.

依照以上步驟依次進行，從開挖土體到注漿壓力消散為一個循環. 如此循環下去直至右線開挖完畢，之后，按照同樣的方式對左線進行開挖模擬.

3 數值模擬結果與現場監測數據對比分析

3.1 盾構掘進對地表沉降的影響

根據實際工程右線先行、左線跟進的施工原則，對以上所建模型進行盾構開挖模擬，得到如圖3～4 所示的盾構開挖豎向位移云圖，地表監測點模擬與實測沉降曲線對比如圖5 所示. 由圖5 可知，地表橫向沉降曲線分布規律基本一致，地表最大沉降值出現在右線隧道中心線處，該地層中地鐵盾構掘進引起地表沉降的模擬結果與現場實測數據基本一致.

圖3 K23+785 斷面豎向位移云圖

圖5 地表橫向監測點沉降模擬值與實測值對比圖

右線開挖時地表橫向沉降規律：1）右線隧道中心線處地表沉降最大，其沿右線隧道中心線向周邊逐漸減小. 2）右線開挖完，K23 +785斷面現場實測地表最大沉降位于右線隧道中心線處，值為17.285 mm；模擬結果最大值也位于右線隧道中心線地表處，值為15.531 mm，二者相差1.754 mm. 3）K23 +765斷面現場實測結果與模擬結果相差為1.614 mm. 現場實測結果和模擬結果存在一定誤差，原因是施工現場受多種因素影響，地質條件和施工情況十分復雜，模擬時未考慮所有的因素.

左線開挖時地表橫向沉降規律為：1）右線隧道中心線處地表沉降最大，但不再左右對稱，地表橫向沉降曲線呈現多峰形態，這是由于左線的開挖使得地表沉降發生了疊加效應. 2）左線開挖完，K23 +785斷面現場實測地表最大沉降位于右線隧道中心線地表處，值為22.747 mm，而模擬結果地表沉降最大值也位于右線隧道中心線處，值為22.043 mm，二者相差0.704 mm. 3）K23 +765斷面現場實測結果與模擬結果相差1.074 mm.

圖4 K23+765 斷面豎向位移云圖

3.2 盾構掘進對建筑物沉降的影響

掌子面是盾構開挖不斷向前推進的工作面，盾構開挖時，需要在掌子面前后布置監測點進行監測. 建筑物監測點模擬與實測沉降曲線對比如圖6 所示. 右線開挖時，建筑物監測點JC1-1、JC1-2沉降隨盾構掘進過程呈現整體下降的趨勢，模擬值與監測值接近，這是因為建筑物距離盾構右線較遠，盾構開挖引起的土體變形對建筑物影響較小. 左線開挖時，監測點 JC1-1 實測最大沉降值為2.731 mm，模擬最大沉降值為2.429 mm，二者相差0.302 mm；監測點 JC1-2 實測最大沉降值為2.689 mm，模擬最大沉降值為2.411 mm，二者相差0.278 mm；模擬結果與實測結果基本一致. 建筑物監測點JC1-1、JC1-2 沉降隨盾構掘進過程先下降，當左線盾構到達建筑物監測點時，監測點逐漸開始隆起，在左線盾構通過后，建筑物測點沉降值逐漸趨于穩定，造成這一現象的原因是盾構掌子面前方的土體受到盾構掘進壓力的作用，土體發生擠壓變形，建筑物隆起，在盾構掌子面后方的土體，由于盾構不斷推進，管片與注漿層之間有間隙，土體發生沉降而引起建筑物沉降.

圖6 建筑物監測點縱向沉降模擬值與實測值對比圖

4 結論

本文以深圳地鐵16 號線龍東村站—龍南站區間盾構掘進為背景，通過數值模擬和現場監測相結合的研究方法，利用有限元分析軟件MIDAS GTS NX 在粉質黏土層條件下，對雙線隧道盾構掘進引起的地表沉降和建筑物沉降規律進行了深入的研究，主要得出以下結論：

1）右線先行、左線跟進進行盾構掘進，右線開挖完，地表最大沉降值位于右線隧道中心線處，左線開挖完，地表最大沉降值也位于右線隧道中心線處.

2）單線盾構掘進引起的地表橫向沉降曲線均是單峰形態，雙線盾構掘進引起的地表橫向沉降曲線往往會呈現出雙峰或多峰等形態.

3）右線盾構開挖時，建筑物監測點沉降隨盾構掘進過程呈現整體下降的趨勢；左線盾構到達建筑物監測點時，建筑物監測點逐漸開始隆起，在左線盾構通過后，建筑物監測點沉降值逐漸趨于穩定.

4）本文將現場監測數據與有限元模擬結果進行對比分析，探究了盾構掘進對地表和建筑物產生變形的過程與原因，二者規律基本一致. 該研究可對深圳今后的地鐵建設提供指導意義，并且對類似于深圳土質的其他城市地鐵建設具有參考價值.

5）現場監測數據與有限元模擬結果之間存在一定的誤差，主要是由于施工現場地質條件和實際工況十分復雜，模擬時未能將所有因素考慮在內. 應在本文基礎上進一步考慮掘進壓力、注漿壓力、管片剛度等因素對地表和建筑物變形的影響，使研究更加全面深入.