地鐵盾構施工對臨近古建筑的沉降影響因素分析

劉 暢 王 健

(北京建筑大學，北京 100044)

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地鐵盾構施工對臨近古建筑的沉降影響因素分析

劉 暢 王 健

(北京建筑大學，北京 100044)

以北京地鐵19號線右安門外—牛街雙線區(qū)間盾構隧道施工為例，利用FLAC3D有限差分軟件進行了施工數(shù)值模擬計算，通過與類似地質條件下地表沉降實測值進行比較和對計算參數(shù)的修正，分析了不同施工條件下采用不同計算方法和參數(shù)的計算結果，使該工程盾構施工過程中對臨近建筑沉降影響的預測更加符合實際。

地鐵盾構，地表沉降，F(xiàn)LAC3D，實測數(shù)據(jù)

0 引言

盾構法憑借著開挖安全、掘進速度快、不影響地面交通、自動化作業(yè)等諸多優(yōu)勢成為城市地鐵隧道開挖采用較多的施工方法。但因工程地質條件和施工技術水平等限制，仍不可避免對圍巖產(chǎn)生一定的擾動，引起周圍地層應力損失。對于某些古建筑物，結構特殊，變形要求高，仍需要對其沉降進行嚴格的計算分析，控制其在施工中產(chǎn)生的沉降變形在允許范圍內，并做到可控。

具體工程為北京地鐵隧道19號線牛街段，采用數(shù)值模擬法分析地鐵盾構施工階段對牛街禮拜寺的沉降影響，并與北京地區(qū)已完成盾構施工的類似工程沉降實測數(shù)據(jù)進行比較。由于地表沉降的影響因素眾多，包括規(guī)劃設計、隧道埋深、土體性質、水文條件等客觀因素和盾構機型、施工工藝、施工管理、注漿技術水平等與工程技術人員的技術水平、工作狀態(tài)緊密相關的主觀因素，由于主觀因素可控性較強，所以本文通過對不同開挖順序、不同應力釋放率及不同掌子面推力的對比分析，為該工程的施工工序選擇和施工參數(shù)選取提供參考。

1 工程概況

牛街禮拜寺內現(xiàn)存主要建筑均于明清時期修筑，為國家重點文物保護單位。地鐵19號線盾構隧道與牛街禮拜寺的平面及剖面位置關系，如圖1，圖2所示。影壁、望月樓與禮拜大殿至右線隧道最近距離分別為3.77 m，18.45 m，31.45 m，隧道埋深39.1 m。

2 施工過程數(shù)值模擬

地鐵隧道左右線間距14.2 m，覆土厚度32 m，外直徑7.1 m，盾構管片厚度0.35 m，每環(huán)寬度為1.2 m。該區(qū)段的主要土層分布及設計參數(shù)如表1所示。

表1 土層主要設計參數(shù)

按照實際工程情況建立模型，模型取長140 m，寬60 m，高80 m，頂面為自由邊界，四周約束各邊界面的法向位移，底面完全約束。隧道土體的開挖采用空模型(Null)，土體采用摩爾—庫侖模型(Mohr-Coulomb)，管片采用彈性圓環(huán)體模型來模擬，為預測地表沉降對文物建筑的影響，對于施工所產(chǎn)生的地面沉降進行全程跟蹤，建筑角點處布置監(jiān)測點，如圖3所示。

2.1 不同開挖順序的比較

盾構施工過程中，開挖順序不同，對鄰近建筑物的影響也不同。目前雙線隧道盾構施工通常采取以下三種施工方案：雙盾構同時同向推進；盾構施工完成一條隧道后開挖另一條隧道；雙盾構同時反向推進。但雙盾構同時推進，施工過程風險較大，所以常采用先開挖貫通一條隧道后再開挖另一條隧道的施工方案，因此只針對先開挖左線和先開挖右線兩種施工順序進行數(shù)值模擬。掌子面推力取1倍土壓力值，應力釋放率取50%，以縱向30 m位置(即影壁中間位置)處為研究對象，雙線貫通后，其地表橫向沉降曲線如圖4所示。

由于線路右側地面建筑荷載大于左側，所以先開挖左線的沉降最大值約為3.9 mm，先開挖右線的沉降最大值約為4.5 mm，先開挖左線引起的沉降影響較小。

先開挖左線再開挖右線過程中，文物建筑的結構傾斜度變化見圖5～圖7。

影壁的短邊DA和BC，望月樓的斜邊FG和JE，禮拜大殿的斜邊KL和QR，較易受到地表沉降而引起傾斜，結構基礎的最大局部傾斜發(fā)生在影壁短邊DA處，但遠小于0.002，尚滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》中對于建筑物地基不均勻沉降的允許控制值的要求。

參照已有文獻中北京地區(qū)的多組地表沉降的實測數(shù)據(jù)，見表2，與數(shù)值模擬結果進行比較。

表2 盾構法隧道施工引起地面沉降

工程名稱覆土厚度/m主要土層最大沉降/mm地鐵十號線,三元橋—亮馬橋區(qū)間[2]11～14填土,粉土,粉質粘土10～17地鐵十號線11標段[3]10中粗砂,粉質黏土,黏土,粉土16地鐵十號線北土城—芍藥居區(qū)間[4]11.4填土,粉土,粉質粘土,細中砂19地鐵四號線某標段[5]9.2～16.4填土,粉土,粉質粘土,中粗砂7.32地鐵五號線雍和宮—北新橋[6]11.5～12填土,粘質粉土,粉質粘土4.64～11中粗砂,粉細砂,卵石11.54～5.5填土,砂土14.3地鐵九號線科怡路—豐臺南路[7]8.5～10填土,卵石,中粗砂9～23

近似土層條件中，地表沉降隨著隧道埋深的增加而減小。粘性土層自穩(wěn)性及注漿效果好于砂土層及卵石層，施工對地層的擾動范圍和地表沉降也相對較小。本工程隧道處于卵石層，較砂土層有更高的自穩(wěn)性能，覆土厚度較大，約32 m，且忽略地下水的滲透作用影響及盾構機外殼與土層的摩擦等不利條件，所以數(shù)值模擬計算值處于合理范圍內。

2.2 不同應力釋放率的比較

盾構隧道施工過程中，管片拼裝或注漿不及時，甚至超挖等影響施工綜合質量的因素，都會導致應力釋放較大，使周圍土體在支護結構施作完成前發(fā)生較大形變，引起較大的地表沉降。應力釋放率30%，管片拼裝或注漿基本及時，是盾構施工的基本要求；應力釋放率50%，管片拼裝或注漿基本不及時，且有一定的超挖量，是盾構施工的不利情況[8]。因此，掌子面推力取1倍土壓力值，應力釋放率可根據(jù)施工質量控制的好壞取30%～50%。這里分30%，40%和50%三種情況考慮。

由于先開挖左線對文物建筑影響較小，所以施工順序為先開挖左線后開挖右線，對比分析三種不同應力釋放率對牛街清真寺的影響，地表橫向沉降曲線如圖8所示。

應力釋放率30%和 40%條件下地表沉降分別為3.3 mm和3.6 mm，分別較應力釋放率取50%時減小0.55 mm和0.25 mm，且牛街清真寺DA邊結構最大局部傾斜分別減小4.6%和2.3%，可見應力釋放率越小，地表沉降值越小，需施工質量控制得越好，鄰近建筑物基礎的差異沉降也會相應減小。所以施工過程中應采取及早施作管片等措施，以防止應力釋放率過大。

因此施工中對施工工序和質量的嚴格管理是本工程是否成功的關鍵。

2.3 不同掌子面推力的比較

理論上講，如果盾構機掌子面推力等于掌子面處開挖前的靜止土壓力，則周圍土體受到的擾動較小，不會出現(xiàn)較大的地層位移和地面沉降；如果掌子面推力大于原靜止土壓力，則前方土體受到水平方向擠壓而發(fā)生前移，引起前方地表隆起；如果掌子面推力小于原靜止土壓力，則掌子面受到的支撐力較小而后移甚至發(fā)生塌落，導致地面沉降。

先開挖左線后開挖右線，應力釋放率取50%，對比分析掌子面推力取0.5倍，1倍，1.5倍原靜止土壓力值三種情況對文物建筑的影響，計算結果如圖9所示。

三種情況的地表沉降值分別為3.97 mm，3.85 mm，3.75 mm，掌子面推力為1.5倍的原靜止土壓力值時，地表最大沉降量減少了0.1 mm，相反，若掌子面推力為原靜止土壓力值的1/2時，不僅地表最大沉降量增加了0.12 mm，也增大了對古建筑的影響，所以在施工中適當提高掌子面推力，對減小地表沉降，保護臨近古建筑具有一定的作用。

3 結語

為分析地鐵19號線盾構施工階段對牛街清真寺的沉降影響，采用FLAC3D進行數(shù)值模擬，并參照其他工程實測數(shù)據(jù)，以提高模擬結果的可信度。通過對不同開挖順序、不同應力釋放率及不同掌子面推力的對比分析，為施工期間對牛街清真寺的保護提出如下建議：

1)通過對雙線不同施工順序的模擬，先開挖左線對牛街清真寺的影響較小，因此建議先開挖左線，貫通后再開挖右線。

2)北京地鐵19號線牛街段盾構法施工的橫向影響范圍約為45 m，影壁的短邊DA和BC、望月樓的斜邊FG和JE以及禮拜大殿的斜邊KL和QR等關鍵部位易產(chǎn)生較大結構傾斜。因此施工期間在距兩隧道中心線45 m范圍內的路面、古建筑關鍵部位及地下管線要增加沉降監(jiān)測頻率，如有必要需提前采取一定的保護措施。

3)在盾構隧道開挖中，土體超挖、管片施作不及時、注漿未跟緊和特殊的土質條件等多種施工因素、環(huán)境因素都可能對實際地層沉降產(chǎn)生影響，只有在較高的施工質量和對地質環(huán)境條件掌握的基礎上才能取得較好的沉降控制。計算中除盡可能真實模擬出施工工序和環(huán)境條件外，相關參數(shù)真實可靠，反映實際情況，是計算結果可靠的重要因素，計算參數(shù)的取值在很大程度上受施工的質量和狀態(tài)的影響，所以必須嚴格控制施工質量，各環(huán)節(jié)都滿足施工質量要求，才可能達到較低的應力釋放和較小的沉降。

4)在施工中適當提高掌子面推力，對減小地表沉降，保護臨近古建筑具有一定的作用。本工程掌子面推力可采用1.5倍原靜止土壓力值，但數(shù)值模擬過程中進行了一定假設并忽略一些不利條件，所以施工中掌子面推力應按照設計要求施加，并根據(jù)土質變化、地面荷載及監(jiān)測數(shù)據(jù)等不斷地進行相應調整。

為防止施工中的某些不確定因素條件下異常情況的出現(xiàn)，應該對本工程從風險源到風險對象實施嚴格的監(jiān)測，以便遭遇特殊情況時及早發(fā)現(xiàn)并采取措施。

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Analysis on the settlement influence factors of subway shield construction to ancient architecture

Liu Chang Wang Jian

(BeijingBuildingUniversity,Beijing100044,China)

Taking the shield tunnel construction of Youanmen outside-Niujie double interval of Beijing subway line No.19 as an example, using the finite difference software FLAC3Dmade construction numerical simulation calculation, through the comparison with ground subsidence measured values under similar geological conditions and the correction to calculation parameters, analyzed the calculation results using different calculation methods and parameters under different construction conditions, made the prediction to adjacent building subsidence influence in this engineering shield construction process was more practical.

subway shield, surface subsidence, FLAC3D, measured data

1009-6825(2016)05-0175-03

2015-12-06

劉 暢(1990- )，男，在讀碩士； 王 健(1956- )，男，教授

U455.43

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