家莊地鐵盾構(gòu)施工對(duì)臨近建筑物的影響分析

王磊

【摘 要】本文以石家莊地鐵1號(hào)線體育場(chǎng)站至北宋站盾構(gòu)區(qū)間為背景，通過建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與施工進(jìn)度的對(duì)比分析，反映出同類條件下盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的變形影響；結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，通過對(duì)建筑物沉降的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿臨近淺埋基礎(chǔ)建筑物時(shí)能夠很好的控制其周邊建筑物的沉降變化，從而不影響建（構(gòu)）筑物的安全使用。總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，為以后石家莊地鐵同類地質(zhì)情況施工提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)施工措施；鄰近建筑物；沉降監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)分析

Introduction to shijiazhuang subway shield construction impact on the deformation of the adjacent buildings

Abstract： Taking Stadium station to Northern Song station interval shield of Shijiazhuang Metro Line 1 as the background， this paper reflects the effect of deformation of shield construction on the adjacent building under similar conditions through the comparative analysis of building subsidence monitoring data and construction schedule. Combined with various technical parameters of shield tunneling， through research on the change rule of the building subsidence， obtain that it can be well to control the changes of settlement of adjacent building and doesnt affect the use of building when shield machine goes through the adjacent shallow foundation building by the side. Summary of construction experience， provide reliable data for reference of the future of Shijiazhuang subway construction of similar geological conditions.

Key words： Shield construction measures； Adjacent buildings； Subsidence monitoring； Data analysis；

1 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的不斷興起，盾構(gòu)法因其施工速度快、安全性高以及對(duì)地層擾動(dòng)小等特點(diǎn)而得到廣泛使用。城市房屋、人口密集，因此就盾構(gòu)掘進(jìn)的施工安全問題就極為重要了，如何通過監(jiān)測(cè)手段控制周邊環(huán)境安全狀態(tài)是一個(gè)命題。本文就石家莊地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道側(cè)穿臨近建筑物施工手段與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，希望能夠?qū)窈蟮牡罔F盾構(gòu)施工控制土層擾動(dòng)，保證臨近建筑物的安全有所幫助。

2 工程簡(jiǎn)述

石家莊地鐵1號(hào)線體育場(chǎng)～北宋區(qū)間以體育場(chǎng)站為起點(diǎn)，由西向東沿中山東路敷設(shè)，至北宋為終點(diǎn)，區(qū)間的起始里程為K13+671.690，終止里程為K14+608.230，右線總長(zhǎng)936.54m，左線總長(zhǎng)938.536m。

區(qū)間沿線主要建構(gòu)筑物有如家酒店、民心河橋、河北省紡織科學(xué)研究所、市科學(xué)技術(shù)局等。區(qū)間主要穿越構(gòu)筑物有：在K14+050～K14+130如家酒店混6樓房，基礎(chǔ)埋深約3m，樓房與區(qū)間隧道凈距為1.7～9.1m（Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源）；在K14+210～K14+260河北省紡織科學(xué)研究所混4樓房，基礎(chǔ)埋深約3m，樓房與區(qū)間隧道凈距為0.9～6m（Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源）；在K14+160～K14+190民心河及跨河橋，左線隧道結(jié)構(gòu)外邊緣距橋樁最小凈距約1.0m（Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源）。

區(qū)間隧道主要處在粉細(xì)砂、中粗砂、細(xì)中砂、粉質(zhì)粘土層中；本場(chǎng)區(qū)按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步分為7個(gè)大層，分別為雜填土、素填土，黃土狀粉土，黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土，粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，細(xì)中砂、中粗砂（含卵石）、卵石、粉質(zhì)黏土、中粗砂（含卵石），粉質(zhì)黏土。

3 本工程盾構(gòu)掘進(jìn)控制要點(diǎn)及措施

3.1 本工程盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)施工具有機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、安全性高、對(duì)周邊環(huán)境影響程度低等特點(diǎn)，它已作為一種較成熟的技術(shù)廣泛的運(yùn)用于地鐵隧道施工中。在區(qū)間隧道過既有建筑物段時(shí)，根據(jù)土層特性，選擇合理的盾構(gòu)機(jī)類型，對(duì)于建筑物密集區(qū)及粘性土地區(qū)可采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，砂礫土層可采用泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)。石家莊1號(hào)線體育場(chǎng)～北宋區(qū)間盾構(gòu)施工采用了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)中施工控制要點(diǎn)

始發(fā)前，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)各個(gè)組成部分進(jìn)行全面的維修保養(yǎng)，并經(jīng)調(diào)試確保盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)、線路、管路等處于良好的工作狀態(tài)。（尤其注意泡沫系統(tǒng)和同步注漿系統(tǒng)是否正常工作，土壓傳感器準(zhǔn)確顯示土壓值）。

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)及時(shí)根據(jù)地層情況進(jìn)行添加劑的加入以改良土體（注意泡沫劑及TAC高分子材料的質(zhì)量和添入量），防止結(jié)泥餅的產(chǎn)生，同時(shí)減少對(duì)地層的擾動(dòng)，控制好掘進(jìn)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)。

嚴(yán)格控制出土量，詳細(xì)記錄每一碴斗的出土量和掘進(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算確定每一斗需要掘進(jìn)的長(zhǎng)度，在掘進(jìn)中嚴(yán)格控制。

3.3 為減小對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)采取的控制措施

施工因素（土壓力平衡的大小、襯砌后注漿是否及時(shí)、注漿填充率的大小等）對(duì)環(huán)境安全的影響很大，具體控制措施如下：

1）通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，以求得土倉(cāng)壓力與地層壓力平衡，保持掘進(jìn)面穩(wěn)定。

2）盾構(gòu)在曲線上推進(jìn)及盾構(gòu)糾偏時(shí)，推進(jìn)速度放慢，糾偏幅度不要過大，加大注漿量，加強(qiáng)糾偏測(cè)量等，減少地層損失，降低地面沉降量。

3）通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)中盾上開設(shè)徑向孔，及時(shí)向其中注入聚氨酯以彌補(bǔ)地層損失，控制地面沉降。

4）同步注漿及二次注漿的及時(shí)跟進(jìn)，在確保同步注漿的注漿壓力及注漿量的同時(shí)，及時(shí)進(jìn)行二次注漿，保證管片脫出盾尾后管片與圍巖之間的空隙能夠及時(shí)的填充并且快速固結(jié)，控制地面沉降。

5）繼續(xù)加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的沉降監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，控制地表隆降。

4 盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物情況對(duì)比分析

4.1 側(cè)穿如家酒店

盾構(gòu)機(jī)在6月4日掘進(jìn)至357環(huán)（拼裝完環(huán)數(shù)，以下相同），準(zhǔn)備側(cè)穿如家酒店；6月5日掘進(jìn)至369環(huán)，單日掘進(jìn)12環(huán)；6月6日掘進(jìn)至378環(huán)剛剛通過與建筑物最近點(diǎn)；6月7日掘進(jìn)至388環(huán)通過建筑物。

此施工段上部為中粗砂、粉細(xì)砂，中間為少量粉質(zhì)粘土，下部為細(xì)中砂。如家酒店地質(zhì)情況如下圖1所示：

圖1 如家酒店地質(zhì)情況

該地層孔隙率大、土體敏感性高、自穩(wěn)性差、具有抗剪性，盾構(gòu)機(jī)通過刀盤切削渣土?xí)r，產(chǎn)生摩擦力較大，使盾體發(fā)生振動(dòng)，容易對(duì)土體造成較大擾動(dòng)，引起地層不均勻沉降。在砂層，同步注漿漿液擴(kuò)散半徑較大，漿液流失情況較嚴(yán)重。根據(jù)理論計(jì)算，同步注漿的充盈系數(shù)一般為1.3～2，也就是（3.14?-3?）×3.14×1.2=3.24（理論空隙）；同步注漿量應(yīng)在4.21 m?（3.24×1.2）～6.48 m?（3.24×2）之間。此種地層會(huì)使注漿填充系數(shù)增大，如不能及時(shí)調(diào)整注漿量，將導(dǎo)致空隙填充不飽滿，產(chǎn)生明顯下沉。

盾構(gòu)掘進(jìn)情況

盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力是保證盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定的重要因素，若土倉(cāng)壓力較低，則會(huì)導(dǎo)致掌子面發(fā)生塌方，從而造成盾構(gòu)刀盤前方0～10m位置發(fā)生明顯沉降；若土倉(cāng)壓力較高，則會(huì)造成盾構(gòu)刀盤前方0～10m位置發(fā)生明顯隆起。

實(shí)際上，盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體擾動(dòng)大小與地質(zhì)情況和盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速率等有關(guān)，盾構(gòu)機(jī)盾體在到達(dá)前或通過建筑物時(shí)，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的沉降影響，通過后，對(duì)其產(chǎn)生的沉降影響較小。

根據(jù)施工單位提供的盾構(gòu)機(jī)參數(shù)，在6月5日，盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力保持在0.8～1.2bar。施工單位巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)地表有明顯震動(dòng)感，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，建筑物出現(xiàn)明顯下沉，結(jié)合地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整了掘進(jìn)速率，將土倉(cāng)壓力平衡保持在1～1.2bar左右，把每環(huán)同步注漿量由6 m?增加到8m?，并且每5環(huán)和敏感部位進(jìn)行二次注漿（雙液漿），每次注漿量保持在3m?～4m?；在6月6日掘進(jìn)9環(huán)，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)剛剛通過與建筑物最近點(diǎn)，同步注漿及二次注漿漿液沒能完全凝固，建筑物有所下沉，但是較昨日沉降速率明顯減小。在6月7日掘進(jìn)10環(huán)，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)通過建筑物，監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已趨于穩(wěn)定，并且建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量較小。此情況說明采取的措施起到一定的效果，防止了沉降的進(jìn)一步擴(kuò)大。

如家酒店監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)成果

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與隧道位置關(guān)系示意圖

從上圖2可以看出，建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ2-2、JCJ2-3、JCJ2-4距隧道較近，根據(jù)工況可知與隧道凈距最近只有1.7米，JCJ2-5、JCJ2-6距隧道較遠(yuǎn)，與隧道凈距分別為5.4米、5.1米，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ2-2、JCJ2-3、JCJ2-4受盾構(gòu)施工影響相對(duì)較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ2-5、JCJ2-6受盾構(gòu)施工影響相對(duì)較小。

自6月4日至6月8日，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，如家酒店建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具體如下表1所示：

如家酒店建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 （單位：mm/d） 表1

日

期 里程 K14+117 K14+121 K14+125 K14+125 K14+131

點(diǎn)號(hào) JCJ2-2 JCJ2-3 JCJ2-4 JCJ2-5 JCJ2-6

環(huán)號(hào) 368 372 375 375 380

06月04日 -0.40 -0.30 -0.10 0.00 0.00

06月05日 -2.90 -2.20 -3.50 -1.00 -1.10

06月06日 -1.50 -1.20 -1.40 -1.60 -2.00

06月07日 -0.10 -0.20 -0.10 -0.30 -0.20

06月08日 -0.20 0.20 -0.10 -0.20 0.10

累計(jì)沉降（mm） -5.10 -3.70 -5.20 -3.10 -3.20

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率變化曲線圖

從生成的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率變化曲線圖可以得出，6月4日如家酒店各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯變化，6月5日、6月6日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率相對(duì)較大，6月7日、6月8日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定；其中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率最大值發(fā)生在6月5日，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)超過預(yù)警值2mm/d；且監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ2-2、JCJ2-3、JCJ2-4沉降速率相對(duì)較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ2-5、JCJ2-6沉降速率相對(duì)較小；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量均較小。

可以看出，通過盾構(gòu)掘進(jìn)施工、監(jiān)測(cè)點(diǎn)與隧道位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)成果的相互印證，使用監(jiān)測(cè)成果來指導(dǎo)施工掘進(jìn)，進(jìn)行信息化施工是完全可行的。且積累的經(jīng)驗(yàn)在類似地質(zhì)情況下近距離側(cè)穿建筑物時(shí)得到了應(yīng)用，即本線路下一步的側(cè)穿民心河橋、河北省紡織科學(xué)研究所。

4.2 側(cè)穿民心河橋、河北省紡織科學(xué)研究所

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，盾構(gòu)機(jī)在6月8日抵達(dá)民心河，至6月15日完全通過河北省紡織科學(xué)研究所。針對(duì)相近的地質(zhì)環(huán)境，施工單位以側(cè)穿如家酒店施工經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)，盾構(gòu)機(jī)在側(cè)穿這兩處建（構(gòu)）筑物時(shí)，對(duì)地層擾動(dòng)較小，未出現(xiàn)異常情況。

地質(zhì)情況

此施工段地質(zhì)環(huán)境與如家酒店地質(zhì)情況相近，上部為粉細(xì)砂、中間為粉質(zhì)粘土、下部為細(xì)中砂，其中，民心河橋西側(cè)為全斷面砂層。

圖4 地質(zhì)情況圖示

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與監(jiān)測(cè)成果

圖5 建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)與隧道位置關(guān)系圖

從上圖5可以看出，建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ6-1、JCJ6-2、JCJ6-4、JCJ3-2距隧道較近，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ3-2、JCJ6-4與隧道凈距僅有1.0m，因此受盾構(gòu)施工影響相對(duì)較大。

自6月8日至6月17日，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，距離隧道較近處建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見下表2：

建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 表2

JCJ6-1 JCJ6-2 JCJ6-3 JCJ6-4 JCJ3-2

06月08日 -0.10 0.20 -0.10 0.30

06月09日 -0.10 -0.10 0.20 -0.20

06月10日 -0.20 -0.10 -0.20 -0.40

06月11日 -0.10 -0.20 -0.40 -0.30

06月12日 0.10 -0.10 0.40 -0.30 -0.10

06月13日 0.10 -0.10 -0.20 0.20 -0.60

06月14日 -1.20

06月15日 -0.70

06月16日 -0.50

06月17日 0.20

累計(jì)沉降（mm） -0.30 -0.40 -0.30 -0.40 -2.90

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率變化曲線圖

從上圖6各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率變化曲線可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，只有監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCJ3-2在6月14日日變化量超過1mm，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)日變化量較小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量均較小，沒有發(fā)生預(yù)警情況，進(jìn)一步說明采取的施工措施得當(dāng)，保證了施工的順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

盾構(gòu)隧道施工引起了周邊環(huán)境初始應(yīng)力狀態(tài)的改變，這種因受力狀態(tài)的改變而造成的周邊地表、建（構(gòu)）筑物、管線等的變化在影響較大時(shí)，難免會(huì)引起周邊地面塌陷或建筑物的不均勻沉降、傾斜等，從而造成較大的損失。本文通過對(duì)石家莊1號(hào)線盾構(gòu)施工段地質(zhì)情況與監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)的結(jié)合分析，綜合判斷不同的參數(shù)狀態(tài)下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)臨近建筑物產(chǎn)生的影響。通過施工與監(jiān)測(cè)的緊密結(jié)合，分析引起變形的原因，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，阻止沉降的進(jìn)一步發(fā)展，確保周邊環(huán)境安全：

1）土倉(cāng)壓力的設(shè)置，偏小時(shí)導(dǎo)致沉降加大；

2）隨著盾構(gòu)機(jī)掌子面距建筑物平面位置的變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化速率不斷變化，距離較近時(shí)沉降較大，遠(yuǎn)離時(shí)沉降較小并逐漸穩(wěn)定；

3）在掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)，注漿量及注漿時(shí)間的把握準(zhǔn)確時(shí)，近距離側(cè)穿淺埋基礎(chǔ)建筑物依然可以保證建筑物的安全與穩(wěn)定；

因此掌握此類地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)和建筑物沉降的相關(guān)關(guān)系，在今后類似的地質(zhì)條件并采取安全有效的施工措施下，使盾構(gòu)確定合適的施工參數(shù)，能夠?yàn)槎軜?gòu)機(jī)側(cè)穿臨近淺埋建筑物的施工安全奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果調(diào)整注漿的點(diǎn)位和注漿壓力等相關(guān)參數(shù)，能夠真正做到信息化動(dòng)態(tài)施工管理，為今后石家莊的地鐵建設(shè)提供很好的施工參考。

參考文獻(xiàn)

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