【摘要】地铁建设是解决城市交通拥堵问题的有效途径。但如果施工措施不当，可能会导致地面沉陷、基坑垮塌、周边建筑物损害等事故。为了分析城市地铁隧道盾构施工对邻近建筑的影响，立足郑州市实际情况，引入FLAC3D数值模拟软件，动态模拟隧道盾构推进过程，分析由此引起的地表变形、邻近筏基结构的倾斜变形；并通过对关键参数的分析，研究隧道与筏基结构间距对地表最大沉降及建筑物基础差异沉降的影响程度。
【关键词】盾构隧道；FLAC3D；数值模拟；差异沉降
1.引言
随着国家中部崛起的战略目标的确定，郑州作为中部乃至中国的交通枢纽，必将在东部和西部经济转移和共同发展中起到重大作用。但由于郑州市基础设施的老化，特别是市区交通运输不能满足目前和将来的需要，不仅给市民工作和生活带来不便，更是阻碍了经济的发展。郑州的地铁和将来的城际轨道交通的无缝衔接，将使河南的中心城市带动作用更加明显。在地铁给人们带来方便的同时，其建造也会在某些方面给人们造成一些灾害。因此，研究地铁隧道施工引起地表沉降及变形预测刻不容缓。
2. FLAC3D数值模拟方法介绍
在隧道盾构模拟计算过程中，采用了三维快速拉格朗日差分分析方法（Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D，简称FLAC3D）。FLAC3D是利用显式有限差分法为岩土工程提供精确有效分析的工具，可较好地解决诸多其它数值方法难以模拟的复杂的工程问题，如分步开挖、大变形大应变、非线性、隧道一土体一基础一结构共同作用等。
3. 盾构隧道开挖数值模拟
3.1 盾构隧道开挖模型的建立
建筑基础沉降是数值模拟关心的重点，因此邻近隧道处网格划分较密，计算模型所取尺寸：长为60m，宽为74m，高为为24m。
根据郑州市地铁隧道盾构施工的特点，选取隧道的直径为6m，埋深12m。采用全断面法开挖，隧道衬砌30cm，全部支护为一次施作。
本文模拟建筑物为15层框架结构，建筑物筏基简化为36m×15m×2m的混凝土，采用C40混凝土。模拟过程主要考虑建构筑物荷载作用，其荷载为隧道邻近建筑物结构自重。建筑物结构荷载简化为均布竖向矩形荷载（对筏板基础而言），通过建筑物基础在埋深处传递到地基土。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），偏于安全考虑，每层10kPa的均布荷载作为框架结构的正常使用荷载并用于模拟计算。土体及衬砌采用实体单元模拟，土体的本构模型采用最常用的摩尔—库伦模型（model mohr）；衬砌为弹性单元。约束条件：土体的左右侧面（x=-24m，x=50m）设水平x向约束，前后面（y=0m，y=60m）设水平y向约束，底面（z=-12m）设竖向约束，上表面自由。左右边界条件视为链杆支座，下边边界视为铰支座。
3.2 盾构隧道开挖材料参数
岩土参数选取原则：根据郑州市隧道地质勘察报告，为便于分析，选取隧道穿过的岩土层简化为两层，计算参数平均值。由于FLAC系统中不识别E-v参数，所以必须把E-v参数转化为FLAC采用的B-G参数，其实现过程是由预测系统自动完成的，参数的转换关系公式下：
， （3-1）
式中：E-弹性模量，v-泊松比，B-体积模量，G-剪切模量。
（1）初始应力采用人工初始应力场，侧向土压力系数K0=1-sinφ，φ为土体内摩擦角。
（2）混凝土管片参数：厚0.3m，重度γ=25KN/m3，体积模量B=1740MPa，剪切模量G=1470MPa，隧道内径5.4m。
（3）土体参数：①重度γ=18KN/m3，体积模量B=8.3MPa，剪切模量G=3.85MPa，粘聚力c=18kPa，内摩擦角φ=20o，土层厚度18m；② 重度γ=18KN/m3，体积模量B=40MPa，剪切模量G=15MPa，粘聚力c=50kPa，内摩擦角φ=20o，土层厚度6m。
（4）筏基参数：重度γ=25KN/m3，考虑到上部结构的作用，视其为刚体，为便于计算，取体积模量B=18333MPa，剪切模量G=13750MPa。
（5）本模型暂没有考虑地下水的影响。
3.3盾构隧道开挖 模拟程序步骤
（1）建立土体模型；（2）计算初始应力场；（3）位移置零；（4）加入筏基结构模型；（5）计算筏基作用下初始应力场；（6）位移置零；（7）分步开挖；（8）后处理。
3.4 盾构隧道开挖数值模拟结果
根据以上材料参数，经过FLAC3D求解，系统达到平衡后，得到了一系列结果。数值模拟结果如下所示。
3.4.1 筏基对沉降的影响
通过FLAC计算了隧道埋深为12m，无筏基情况下和筏基距隧道中心6m两种情况下隧道开挖对沉降的影响，模拟结果：隧道开挖后，由于土体应力得到释放，隧道拱底土体隆起，拱顶以上土体发生沉降，沉降最大值发生在拱顶。在无筏基情况下，拱顶沉降值为15.78mm，地表最大沉降值为5.95mm，出现在隧道正上方；在有筏基情况下（L=6m），拱顶沉降值为19.32mm，隧道正上方沉降值为20mm，地表沉降最大值为31.91mm，出现在筏基靠近隧道一侧，筏基出现差异沉降，靠近隧道一侧沉降值明显大于远离隧道一侧。两种情况隧道正上方沉降差为20-5.95=14.05mm，由此可见，建筑物的存在使得沉降值增大，隧道施工时必须考虑周边建筑的影响。
3.4.2 建筑物与隧道距离对沉降的影响研究
在原有模型及材料参数的基础上，通过调整筏基与隧道中心距离L的大小，探讨了L的变化对地表最大沉降及筏基差异沉降的影响大小及变化规律。L的取值为6m，8m，10m， 12m，模拟结果：当间距L=6m时，地表最大沉降值为31.91mm，随着L增大，地表最大沉降值减小。特别地，当L=12m时，最大沉降值为25.7mm。这说明隧道与筏基距离L是影响地表最大沉降值的一个因素。
随着地表最大沉降值变化的同时，筏基两侧的沉降值也在发生变化，左侧沉降值由30mm变化到23.8mm，右侧沉降值由8mm变化到14mm；由于隧道与筏基距离L的增大，筏基左侧处于隧道开挖沉降槽内，沉降值逐渐变小；右侧未处于沉降槽内，其沉降值有少许增大；但差异沉降值由22mm变化到9.8mm，说明随着距离L的增大，隧道对建筑物筏基沉降的影响越来越小，其倾斜值逐渐变小。在实际工程中可以改变隧道与建筑物间距来保证周围建筑物的安全。
4.结论
本文在总结现有研究成果的基础上，通过合理假设，建立数值计算模型，研究郑州市地铁隧道盾构施工对邻近筏基建筑的影响，探讨盾构隧道施工引起地表变形的内在规律，并充分利用数值方法的优点，通过改变建筑与隧道间距L，进一步分析L对地表变形和基础差异沉降的影响。主要结论如下：
隧道接近建筑物盾构施工时，盾构扰动了隧道周围土层，引起了结构基础筏基的差异沉降，导致建筑物发生倾斜。差异沉降大小及倾斜角度跟隧道与建筑物的间距密切相关。地表最大沉降随间距的增大而减小。说明建筑物自重对地表最大沉降有一定的影响。筏基差异沉降随着间距的增大而逐渐减小。建筑越远离隧道，隧道盾构对其影响越小。郑州市地铁建设应考虑与临近建筑物保持合理距离，选取合理的路线，避免对周边建筑物产生过大影响。