地铁盾构隧道下穿建筑基础诱发地层变形

1、地铁盾构隧道下穿建筑基础诱发地层变形近年来， 随着我国城市化进程的加快， 我国的大中城市越来 越多，各城市都在竭力打造立体的现代化交通体系， 城区范围内 地铁隧道成为重要的选择并呈蓬勃发展之势。 然而，城区范围内 地下各类管网密布、 地面沿线商业发达， 多为建筑物密集的繁华 地区，人流量大、交通繁忙，区间隧道施工环境十分复杂，常常 面临近距离穿越既有隧道和管线、 铁路站线、 建筑物基础和桥墩 基础等不利情况。 经过长期的工程实践和研究探索， 我国在使用 盾构法施工地铁隧道方面已经积累了相当丰富的经验， 有较为完 备的盾构隧道施工理论。 本次盾构施工下穿某区， 区内多为老旧 砖混房屋， 盾构施工

2、将会对区内建筑物产生较大的影响， 如何能 在确保建筑物正常使用的情况下保证盾构施工的顺利进行将是 本文研究的关键问题。1、工程概况某地铁工程某区间左线总长 1,073.934m ，右线总长 1,084.8m ，区间从北向南敷设，下穿某小区，采用盾构法施工， 区间结构覆土厚度 1220m 。穿越楼房共 9 栋，全部为居民区， 另外还有平房，砖墙，条形基础，既有裂缝多，破损严重，外表 脱落严重。覆土从上至下依次为：杂填土、粉质粘土、粉细砂、 粉质粘土。隧道拱顶位置均为粉细砂层。隧道穿越范围为：粉细 砂、粉质粘土层。图 1 区间下穿楼房断面图2、盾构下穿楼房数值模拟 采用数值计算软件进行数值模拟分析

3、， 并考虑围岩与结构的 共同作用以及左右盾构区间分开施工的影响。 计算模型左右水平 计算范围均取区间跨度的 3 倍洞径，垂直计算范围向上取至自 由地表，向下取区间跨度的三倍。其中围岩计算采用摩尔- 库伦模型， 考虑围岩的非线性变形， 而盾构管片的受力认为在弹性范 围内。区间主体采用全断面开挖，开挖完成后施做管片，先开挖 左侧区间，之后在开挖右侧隧道。开挖共分五步进行，分别是初 始应力平衡计算、 左侧隧道开挖、 左侧管片施做、 右侧隧道开挖、 右侧隧道施做。计算分析如下2.1 计算模型如下图 2 所示 图 2 盾构下穿楼房计算模型2.2 计算结构及分析经计算，右部盾构开挖完成后拱顶上方地表最大沉

4、降 7.79m m ，左部盾构开挖完成后拱顶上方地表最大沉降 11.37m m 。根 据评估报告，不满足沉降控制范围，需要采取附加措施。要求对 下穿建筑物采取了在隧道内深孔注浆加固措施。图 3 盾构开挖并支护完成后竖向位移云图3、隧道近距穿越建筑物诱发地层变形空间效应3.1 不考虑建筑荷载时数值模拟结果分析为评估建筑物对隧道开挖引起地表附加沉降的影响程度 , 将该隧道穿越工程分别按不考虑建筑荷载和考虑荷载情形进行了 数值模拟研究。 以便将无附加荷载时区间隧道沉降与以往实测值 等进行比较 , 以确保数值模拟真实地反映隧道开挖过程对该建筑 物的影响。不考虑建筑物附加荷载时 , 沿隧道轴向及其边缘处

5、地 表纵向沉降曲线如图 4；隧道横向沉降曲线及地表水平位移的空 间分布曲线如图 5 和图 6 所示；图 7 为隧道周边的地层沉降等 值线图。图 47表明: 对于盾构隧道施工 , 即使确保盾构推进时 与前方水土压力相平衡 , 隧道开挖诱发地层变形的沉降槽依然 存在 , 且呈现明显的空间效应； 沿隧道轴线方向的地表纵向沉降 曲线,最大沉降值稳定值为14.8mm（图5中线）,而隧道边沿位置 地表沉降为12. 7mm；盾构推进前方，无地表隆起。由图5可见 隧道后方离开挖面不同距离横向沉降槽的空间分布特性 : 开挖 面位置和盾构尾部隧道轴线上方地表沉降分别为3mn和8.8 mm,离开挖面20m和30m处

6、隧道轴线上方地表沉降分别为14.1mm和14.6 mm。由图4、5对比可知，沿隧道轴线方向，离盾构开挖面 达到30m时，地表沉降已基本趋于稳定。图 4 不考虑建筑附加荷载时地表沿隧道轴向沉降曲线 隧道轴线隧道边缘处图 5 不考虑建筑物附加荷载时隧道横向沉降曲线开挖面 盾尾 离开挖面 20m 离开挖面 30m图 6 考虑建筑附加荷载时地表沿隧道轴向沉降曲线沿隧道轴线 隧道边缘处图 7 考虑建筑物附加荷载时隧道横向沉降曲线 开挖面盾尾 离开挖面 20m 离开挖面 30m3.2 考虑建筑物附加荷载时数值模拟结果分析 因地基基础与上部结构共同作用分析十分复杂 , 现有数值分 析商业软件均难以同时进行共

7、同作用分析 , 参考建筑荷载规范和 购物中心结构形式 , 该建筑物对地基附加荷载按矩形均布荷载 100 kPa进行简化计算，建筑荷载按基础平面尺寸范围施加，即: 垂直于隧道轴线方向宽度 19.6m,沿隧道轴线方向的宽度 68m,荷 载中心距离隧道开挖面距离 6m。数值分析中也进行了建筑荷载 不同施加方式对比计算 , 将建筑荷载按照框架结构计算柱基底部 荷载,再将柱底荷载作用在地基上 ,分析表明两者地表沉降结果 是一致的。 考虑建筑物附加荷载时 , 沿隧道轴向及其边缘处地表 纵向沉降曲线如图 6；隧道横向沉降及地表水平位移的空间分布 曲线如图 7和图；沉降槽空间分布由图 9沉降等值线清晰可见。

8、与不考虑建筑荷载相比 , 考虑建筑荷载时盾构开挖对地表沉降、 水平位移均有所增大 , 尤其是在荷载作用处增加值明显 , 最大沉 降值为17mm图6、7）。图6所示的纵向沉降曲线下沉明显增加 处与该购物中心建筑荷载作用位置完全对应 , 且隧道轴线与隧 道边沿位置地表下沉曲线变化趋势相同。 图 7所示隧道后方离开 挖面不同距离横向沉降槽的空间分布特性与前述结果类似 , 开挖 面和盾尾隧道轴线上方地表沉降分别为3.6 mm和10.2mm;离开挖面20m和30m处隧道轴线上方地表沉降分别为16.8mm和17mm,地表沉降已基本趋于稳定。 图 8 表明 : 在隧道开挖面和盾尾最大 水平位移值分别为2.3

9、mm和4.4mm,在离开挖面20m和离开挖 面30m处地表最大水平位移分别为6.8mm和 7.0mm图 8 考虑建筑附加荷载时地表水平位移图（ 同图 9）图 9 考虑建筑附加荷载时沉降等值线图图 10 沿隧道轴向的地表纵向沉降计算与实测结果比较图 11 隧道横向地表沉降计算与实测结果比较3.3 基础允许沉降分析数值分析表明 , 考虑建筑荷载时 , 当离开开挖面 30m 处时沉 降已经基本稳定，地表沉降值17mm在此横剖面上，紧邻隧道中 心线的相邻两排柱基础 （ 中心距 7. 8m） 沉降差最大值为 : D 1= （16.2-7.0）mm= 9.2mm沿隧道轴线纵向剖面方向上，两排柱基础 （ 中

10、心距 7m）, 自开挖面到离开开挖面 10m 处左右的位置处沉降 曲线斜率最大 , 此处为最危险部位 , 最大沉降差异为 :D2 = （14.5- 8.2） mm=6.3mm 。根据建筑地基基础设计规范 （ GB50007-2002）, 对于框架结 构相邻柱基沉降差允许值分别为 : 中低压缩土时 0.002 L（ L 为 相邻两柱基中心距离 ） , 高压缩土时 0. 003 L 。因建筑物已建成 多年, 土体已受到一定程度的压缩 , 按中低压缩土质考虑。本工 程中横剖面上柱基 （如基础 A 和 B） 中心距 L1= 7.8m, 纵剖面上柱基中心点之间的距离 L2=7m, 故:横向柱基沉降差允许

11、值为 : 0.0027800mm= 15.6mm ； D1 =9.2mm 15. 6mm;纵向柱基沉降差允许值为 : 0. 002 7000mm 14mm ;D 2 =6. 3mm 14mm。沉降，则地铁隧道穿越施工对建筑物的影响，即基础附加沉降值能控制在规范允许范围内。4、邻近施工对建筑物基础的影响分析 由于所建地铁盾构隧道邻近建筑物施工， 对建筑物也产生了扰动，造成其基础发生变形。其中，箱型基础的沉降云图见图 12。由于箱型基础在右线隧道右侧且距离较近， 盾构隧道开挖后 建筑物发生左倾趋势。 隧道双线贯通后， 箱型基础最大沉降值为7.51 mm 。图12箱型基础沉降云图（单位：m ）盾构掘

12、进过程中有可能基础产生过大的拉应力或压应力， 从 而使基础开裂影响承载力。 从左线隧道贯通到右线隧道贯通， 箱 型基础最大拉应力变量为 0.11MPa，变化很小。而从左线隧道 贯通到右线隧道贯通，箱型基础最大压应力增量为0.02MPa,变化很小。双线隧道贯通后，箱型基础上的最大压应力为2.55MPa，其应力云图见图13。a）拉应力 b）压应力图13箱型基础应力云图（单位：Pa5、盾构施工期间辅助措施由于盾构下穿前沉降预测值均在控制值范围内， 无需采取建 筑物加固措施， 只需采取一定施工辅助措施以有效控制地层损 失率，从而控制建筑物沉降。 其施工期间采取的辅助措施主要有 以下几方面 :5.1 盾

13、构施工穿越建筑物时，盾构推进速度不宜太慢或者太 快，太快势必推力大、 土压大对四周的土体扰动较大，建筑物 沉降大； 太慢则易造成超挖， 同步注浆量未及时跟进时引起建筑 物沉降加大，一般掘进速度宜控制在20 mm/mi n30mm/min5.2 根据盾构机理论开挖量和管片占有体积计算理论注浆量 为 2.25m 3，盾构穿越建筑物段主要位于 1 层粘土，注浆量为理 论注浆量的 115% 160%时，沉降控制比较理想。5.3盾构穿越建筑物时，盾构姿态正负控制在20mn内，且前后差值小于10 mm如若偏差太大，则易造成超挖，造成沉降 加大。5.4 在盾构穿越建筑物时加强监测工作，盾构穿越前（ 进入影响范围）为3次/d;在穿越过程中及穿越后5环期间监测频率3 次/d4次/d ;盾构通过后当变形量小于 1mm/d时减为2次/d , 当变形量小于 0.5mm/d 时减为 2 次/周及至稳定。6、结论盾构隧道穿越既有建筑物对盾构施工的技术要求较高。 施工 过程中要严格控制盾构姿态和严格控制管片拼装质量。 新建地铁