随着我国经济的高速发展，城市化水平的提高，用车量大幅度增加，近些年来交通拥堵问题不仅仅存在于国内一线城市，二、三线城市交通拥堵问题也显著增加，发展城市地下交通是实施城市可持续发展的必然选择。为避免隧道施工对城市带来交通及市容的影响，城市地铁区间施工主要以盾构法为主，然而不论什么掘进方式，短期和长期的地表层变形都应得到预测，研究其沉降影响范围对地铁线路周边建筑物的安全至关重要，可以在开挖前对现有的可能受到破坏的结构采取加固措施^{[1, 2]}，减少不必要的财产损失。

1 工程概况

某市地铁1号线在区间CL26+280~CL26+360段采用盾构法施工，隧道埋深约为18~20 m，盾构施工的地质土层从上到下依次为：杂填土，地层埋置深度2.1~2.6 m；粉砂土，地层埋置深度为12 m；中砂砾砂层，地层埋置深度为12 m；圆砾层，地层埋置深度为12 m。左右隧道间距13 m，隧道结构采用2个单线圆形衬砌形式，盾构管片环外直径6 000 mm，内直径5 200 mm，片厚度330 mm，幅宽1 200 mm，注浆层厚度70 mm。左线隧道全部推进完成3个月后，右线隧道开始推进。1栋4层建筑物位于右线隧道的右侧3 m处，建筑物建设年限较久，基础形式为条形型基础，该建筑物长度约35 m，宽20 m，高12 m。其基础埋深2 m，上部为砖混结构，其平面位置及监测点位布设如图 1所示。

2 数值模拟 2.1 FLAC3D计算原理

FLAC是国际通用的岩土工程专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力，尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势。软件提供的针对岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更突出了FLAC的“专业”特性，因此在国际岩土工程界非常流行。FLAC3D作为FLAC的扩展程序，不仅包括了FLAC的所有功能，并且在其基础上进行了进一步开发，使之能够模拟计算三维岩、土体及其他介质中工程结构的受力与变形形态。

作为有限差分软件，相对于其他有限元软件，在大变形问题的求解过程中，由于每一时步变形很小，因此可采用小变形本构关系，将各时步的变形叠加，得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时所遇到的麻烦，也使得其求解过程与小变形问题一样^[3]。

2.2 计算模型建立

整个模型采用实体单元建模^[4]，模型长86 m、宽60 m、高50 m，根据圣维南原理模型边界取隧道直径长度的3~5倍。由于隧道中间变形影响较大，故采取加密网格处理。共划分48 360个实体单元，51 367个实体单元节点，土层根据实际情况分为4层采用岩土工程较多使用的摩尔-库仑模型。管片和注浆等代层采用弹性体模型，砖混结构的建筑物，其荷载按每楼层20 kPa计算。如图 2所示。该模型上面是地表，为自由边界；前后左右四个侧面限制水平移动；底部为固定边界，限制水平和竖直移动^[5]。开挖示意图如图 3所示。

2.3 计算参数

土体力学参数、管片参数和等代层参数如表 1所示，在FLAC3D中参与计算的是体积模量K和剪切模量G，计算公式如下^[6]：

$ K = \frac{E}{{3\left( {1 - 2\mu } \right)}} $

(1)

$ G = \frac{E}{{2\left( {1 + \mu } \right)}} $

(2)

式中，E和μ分别代表弹性模量和泊松比。

2.4 开挖过程

首先对模型进行自重条件下初始应力的计算，初始应力计算完成后将位移、角速度及塑性变形结果清零。开挖过程中使用的是FLAC3D内置的Model Null(空模型)^[7]。隧洞开挖过程共分为20期，左隧道10期和右隧道10期，每期推进6 m。左隧道开挖完计算稳定后再进行右隧道的开挖模拟。

每期开挖结束后，首先在无支护状态下迭代计算一定时步，释放一定的地层应力，然后安装管片和注浆继续计算，达到稳定后开挖下一个周期。盾构施加在开挖面上的水平推力保持为0.37 MPa，体系最大不平衡力与典型内力的比率设定为1.0×10^-5。开挖完成后的Z轴方向的位移模拟结果如图 4所示。

2.5 计算结果分析

左线隧道开挖完成后，由图 5可以看出，在X=38 m处沉降最大，向两侧逐渐递减，最大下沉值接近12 mm，建筑物超出左隧道开挖的影响范围，左线开挖完成后的地表下沉量并未影响到建筑物。

右线隧道开挖完成后，由图 4可以看出在隧道拱顶处位移最大，沿着两个隧道的中心线向上发育，下沉值逐渐减小，两隧道中间部位有隆起趋势，但向上发育5~6 m处逐渐消失，下沉范围随着向上而扩大，介于两隧道中心的地表下沉最大，Y=30地表下沉曲线如图 5所示，最大下沉值在X=46 m处，逐渐向两侧减小，最大下沉量为19 mm。分析建筑物布设的12个监测点的下沉值，1号、2号、3号、4号和5号点由于临近右隧道，下沉值为15 mm，已经超过楼房基础变形允许值+5~-15 mm^[8]，如果不进行加固措施，可能会引起建筑物的破坏。

2.6 建筑物周围土层加固方案

为保证邻近建筑物不因地铁盾构施工发生破坏，在盾构施工前应对楼房进行加固或者在盾构施工时采取一些措施以减小盾构施工引起的地层变形^[9]。

经施工论证后，采用静压注浆法(也称压力灌浆法)对建筑物周围土体进行加固。沿建筑物基础靠近隧道的三面进行布设。其实质是借助压力(主要是液压、气压)或电化学原理，通过注浆管把能凝结固化的浆液注入地层中。将一定压力的水泥浆注入地基下覆的软弱层并进行挤密、固结, 增大土体整体强度。数值模拟计算采用隧道三面土体变形模量提升的方式模拟加固产生的作用^[10]。左右隧道开挖完竖向位移如图 6所示。

左线隧道开挖完成后，由图 7可知，在X=38 m处沉降最大，地表最大下沉值仍接近12 mm，可以看出加固措施实施后，左线隧道的开挖所引起的地表最终下沉并未影响到建筑物。

右线隧道开挖完成后，由图 7可以看出在X=44 m处沉降最大，逐渐向两侧减小，地表最大下沉值为17 mm。加固前后Y=30处地表下沉量的对比如图 8所示，地表最大下沉量有所减小且最大下沉的点向左偏移2 m，相对于加固前有所改善。

2.7 建筑物基础的沉降量模拟值与实测值对比

沿建筑物基础布设的12个监测点模拟结果与实测的下沉值如图 9所示，1号、2号、3号、4号和5号经过加固后下沉量为5 mm左右。均在楼房基础变形允许值+5~-15 mm之内。受建筑物整体刚度的影响，现场实测监测点沉降值为3 mm，点位下沉比较平稳。

3 结束语

1) 采用FLAC3D软件模拟地表面和邻近建筑物基础的沉降趋势。在未加固时右线隧道开挖后地表最大下沉值为19 mm，监测点1~5号下沉值大于15 mm，经过加固后地表最大下沉值为17 mm，监测点下沉值5~6 mm，经加固处理后监测点下沉减小11 mm，最大下沉点位向左偏移2 m。

2) 现场监测的沉降数据结果表明，监测点最大下沉值为3 mm，与模拟结果相差2~3 mm，说明利用FLAC3D软件模拟的结果可供地铁盾构施工参考。