復(fù)雜地層盾構(gòu)下穿敏感建筑群沉降控制研究

王歡

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加速，地鐵作為一種便捷的交通工具得到廣泛應(yīng)用，其建設(shè)過(guò)程中所帶來(lái)的影響也愈發(fā)凸顯。地鐵隧道建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境和敏感建筑群體的影響是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。以復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中敏感建筑群的沉降控制為研究對(duì)象。通過(guò)綜合運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的方法，探討了沉降控制的主要影響因素和優(yōu)化方法，提出了有效的控制措施，為地鐵隧道建設(shè)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)隧道?敏感建筑集群?沉降控制?數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U452.25

Research?on?the?Settlement?Control?of?Shield?Tunneling?Through?Sensitive?Complexes?in?Complex?Strata

WANG?Huan

（CCCC?Third?Highway?Engineering?Co.，?Ltd.，?Beijing，?100099?China）

Abstract：?With?the?acceleration?of?urbanization，?a?subway?has?been?widely?used?as?a?convenient?means?of?transportation，?and?the?impact?of?its?construction?process?has?become?increasingly?prominent.?The?impact?of?subway?tunnel?construction?on?the?surrounding?environment?and?sensitive?building?groups?is?an?issue?that?cannot?be?ignored.?This?paper?takes?the?settlement?control?of?sensitive?building?groups?during?the?construction?of?subway?shield?tunnels?under?complex?geological?conditions?as?the?research?object，?through?the?comprehensive?use?of?theoretical?analysis?and?numerical?simulation?methods，?this?paper?explores?the?main?influencing?factors?and?optimization?methods?of?settlement?control，?and?proposes?effective?control?measures，?which?provides?a?certain?reference?for?subway?tunnel?construction.

Key?Words：?Subway?shield?tunnel;?Sensitive?building?cluster;?Settlement?control;?Numerical?simulation

當(dāng)今，地鐵建設(shè)已成為大多數(shù)城市現(xiàn)代化進(jìn)程中必不可少的組成部分。針對(duì)敏感建筑團(tuán)體的沉降控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究取得了很大進(jìn)展。張磊[1]依托雙螺旋盾構(gòu)機(jī)防噴涌特性，通過(guò)三維有限元整體分析法等手段，有效抑制周邊建筑物和地表沉降；周德梁等人[2]建立二維平面應(yīng)變模型，分析不同地層條件下多個(gè)因素對(duì)地表土體變形的影響規(guī)律。陸宏朝等人[3]通過(guò)有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等一系列主動(dòng)控制措施，形成一整套盾構(gòu)下穿老舊村莊的沉降控制方法；韓旭[4]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬、正交試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)引起的地層及建筑物沉降變形規(guī)律進(jìn)行研究，最后通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立沉降預(yù)測(cè)模型，為類(lèi)似工程提供了參考；甄成[5]建立了基于工程實(shí)際的微擾動(dòng)變形控制體系，提出可應(yīng)用工程實(shí)際的微擾動(dòng)變形控制措施。

1沉降機(jī)理與影響因素分析

1.1?盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響

盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響是不可避免的。其中，地面沉降是最顯著的影響因素之一。沉降主要由隧道掘進(jìn)過(guò)程中土層的破壞和擠壓形成的沉降槽所引起。

沉降槽的形成過(guò)程可以分為3個(gè)階段：第一階段是隧道掘進(jìn)階段，土層受到破壞和擠壓，形成了一個(gè)開(kāi)挖斷面大小相同的土體缺口；第二階段是穩(wěn)定階段，即隧道開(kāi)挖停止后，土體開(kāi)始重新排列，并恢復(fù)一部分原有的強(qiáng)度；第三階段是沉降階段，隨著時(shí)間的推移，土體繼續(xù)緩慢沉降，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2?沉降影響因素分析

盾構(gòu)施工中，沉降受多個(gè)因素影響，如盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)、土體力學(xué)特性和地下水位。為合理控制沉降量，需進(jìn)行這些因素的分析和控制。下面從盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)、土體力學(xué)特性和地下水位3個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.2.1盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)

盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)是影響下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。盾構(gòu)機(jī)施加在土體上的切割力和推進(jìn)力會(huì)導(dǎo)致土體位移，引發(fā)地表沉降。此外，未充分預(yù)處理地層會(huì)導(dǎo)致地下水流出，影響周?chē)馏w的物理力學(xué)特性，進(jìn)而引起不穩(wěn)定的地表沉降。

1.2.2土體物理力學(xué)特性

土體的物理力學(xué)特性是影響盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中，周?chē)馏w的物理力學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化，如壓縮模量、剪切模量和黏聚力等特性會(huì)改變，從而導(dǎo)致地表沉降。土體的壓縮程度和孔隙度等參數(shù)也會(huì)對(duì)沉降產(chǎn)生一定影響[6]。

1.2.3盾構(gòu)隧道的直徑和深度

盾構(gòu)隧道的直徑和深度是影響其下穿敏感建筑群沉降的重要因素。隧道直徑?jīng)Q定了土體開(kāi)挖量和施工時(shí)的地下應(yīng)力分布。隧道深度則決定了地下水位對(duì)沉降的影響程度與周?chē)馏w應(yīng)力分布。

2工程概況

2.1區(qū)間工程概況

石家莊市城市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程四工區(qū)項(xiàng)目起訖樁號(hào)YK12+874.528—YK16+707.072，共計(jì)3個(gè)區(qū)間。體育公園站—南王站區(qū)間為第一個(gè)區(qū)間，左右線(xiàn)均1?313.0延米，選用盾構(gòu)法施工，設(shè)計(jì)外徑6?200?mm，內(nèi)徑5?500?mm，采用環(huán)寬1?200?mm，厚度350?mm拼裝而成，另有附屬結(jié)構(gòu)2座聯(lián)絡(luò)通道（1座含泵）。

2.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

車(chē)站、區(qū)間隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層等，底板主要位于粉質(zhì)黏土層。具體地質(zhì)巖土參數(shù)如圖1所示。

3工程重難點(diǎn)

本項(xiàng)目沿線(xiàn)穿越建構(gòu)筑物多，建構(gòu)筑物基礎(chǔ)形式多樣，對(duì)沉降影響敏感，如沉降控制不好，產(chǎn)生的社會(huì)影響極大，因此采取有效的沉降控制措施確保建筑物安全是本工程施工安全管理的重難點(diǎn)。

（1）線(xiàn)路沿城市主干道設(shè)置，盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)道路結(jié)構(gòu)安全及周邊地層產(chǎn)生影響，易造成道路沉降、塌陷、隆起等現(xiàn)象發(fā)生。（2）線(xiàn)路上下穿大量城市主管道，體育公園站—南王站區(qū)間盾構(gòu)上穿塔北路綜合管廊，隧道底距離管頂最小豎向凈距約3.981?m易發(fā)生管道變形、斷裂等現(xiàn)象。（3）線(xiàn)路穿越建（構(gòu)）筑物，體育公園站—南王站左、右線(xiàn)區(qū)間盾構(gòu)下穿市科技合作與創(chuàng)新平臺(tái)中心，隧道距離建筑物基礎(chǔ)最小豎向凈距約9.8?m；下穿南二環(huán)高架匝道路基段，隧道距離路基段基礎(chǔ)最小豎向凈距約13.50?m；盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層損失易引起周邊建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降，致使建筑物損壞。

4?建模模擬

選取體-南區(qū)間的截面進(jìn)行計(jì)算，為了簡(jiǎn)化建模和計(jì)算過(guò)程，假設(shè)地層為層狀分布。先以圖1為例進(jìn)行建模介紹，在土力學(xué)中地基的附加應(yīng)力一般采用彈性理論，可以假定地基土為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體。在彈性模型中，土中應(yīng)力大小只與各土層彈性模量比值相關(guān)，而與彈性模型的具體大小無(wú)關(guān)。通過(guò)模型分析，得到土體及管片節(jié)點(diǎn)沉降結(jié)果如圖2所示。已經(jīng)注漿完成的土體及上層管片沉降了約90?mm，但在開(kāi)挖截面上土體及上層管片隆起了約40?mm?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，當(dāng)開(kāi)挖截面不斷向前推進(jìn)，后方的土體及上層管片最終會(huì)形成約90?mm的沉降。

5沉降控制方案設(shè)計(jì)

為了有效控制盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降，本文設(shè)計(jì)了一套完整的沉降控制方案，包括建筑物基礎(chǔ)加固、盾構(gòu)隧道施工參數(shù)調(diào)整、地鐵運(yùn)營(yíng)期間的沉降監(jiān)測(cè)和控制等措施。具體內(nèi)容如下。

5.1建筑物基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行加固和加厚，可以使其承載能力增強(qiáng)，減少盾構(gòu)施工引起的沉降量?；A(chǔ)加固設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合建筑物的具體情況和盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，采用不同的加固措施，如加設(shè)鋼筋混凝土梁、加厚基礎(chǔ)等。同時(shí)也應(yīng)考慮到后續(xù)地鐵運(yùn)營(yíng)期間可能引起的沉降，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防和控制。

5.2盾構(gòu)隧道施工參數(shù)調(diào)整方案的設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道施工參數(shù)的調(diào)整可有效減少建筑物沉降。通過(guò)調(diào)整掘進(jìn)速度、注漿壓力、掘進(jìn)姿態(tài)等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)地層的平衡掘進(jìn)和均衡沉降。此外，優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的施工方式，如改變推進(jìn)方向、調(diào)整隧道截面等，也可以減少沉降量。施工參數(shù)的調(diào)整方案應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合考慮，采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

5.3地鐵運(yùn)營(yíng)期間沉降監(jiān)測(cè)與控制方案的設(shè)計(jì)

地鐵運(yùn)營(yíng)期間可能引起建筑物沉降，因此需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。監(jiān)測(cè)包括地鐵運(yùn)營(yíng)前后的沉降數(shù)據(jù)以及不同時(shí)間段的沉降速率等參數(shù)。針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的沉降控制方案。一般來(lái)說(shuō)，如果建筑物的沉降量超過(guò)規(guī)定的限值，就需要采取相應(yīng)的控制措施?？刂拼胧┌庸探ㄖ锘A(chǔ)、增加地鐵車(chē)站的支撐力等。

5.4盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中沉降監(jiān)測(cè)與控制方案的設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的沉降監(jiān)測(cè)與控制是確保施工安全的關(guān)鍵。應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)并定期監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中的沉降情況。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)反饋給施工人員，以便采取及時(shí)的控制措施。沉降控制措施包括調(diào)整施工參數(shù)、加固地基和提高隧道支撐力等。控制措施應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮[7]。

5.5盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理

在盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群時(shí)，需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理措施。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)考慮地質(zhì)情況、建筑物結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道施工參數(shù)等各種風(fēng)險(xiǎn)因素。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理措施，如加固建筑物、改變施工方式和增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。

5.6盾構(gòu)隧道施工的環(huán)境保護(hù)措施

盾構(gòu)隧道施工會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生噪聲、震動(dòng)和揚(yáng)塵[8]。為減少這些影響，需要采取相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施。例如：在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置垃圾箱和清洗車(chē)，減少垃圾和污染物的排放；進(jìn)行噪聲和震動(dòng)監(jiān)測(cè)，控制噪聲和震動(dòng)的產(chǎn)生；進(jìn)行覆蓋和濕化處理，減少揚(yáng)塵污染，等等。

綜上所述，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群的沉降控制方案、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理、環(huán)境保護(hù)措施等進(jìn)行了分析和探討。本文設(shè)計(jì)的沉降控制方案綜合考慮了地鐵建設(shè)的特點(diǎn)和實(shí)際情況，對(duì)保障盾構(gòu)隧道施工的安全和周?chē)ㄖ锏姆€(wěn)定具有重要意義。同時(shí)，本文提出的環(huán)境保護(hù)、安全管理和質(zhì)量管理措施也為盾構(gòu)隧道施工提供了有力保障。

6結(jié)語(yǔ)

本研究為盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群的沉降控制提供了一種可行的方案，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。例如：如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工對(duì)建筑物的沉降和變形影響，以及如何實(shí)現(xiàn)沉降控制方案的實(shí)際施工等問(wèn)題，都需要進(jìn)一步研究和探索。此外，還可以探究其他控制方案，如加固建筑物地基、改變盾構(gòu)隧道的施工方式等，以提高控制效果和減少施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

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