地铁盾构施工对临近古建筑的沉降影响因素分析

刘 畅 王 健

(北京建筑大学，北京 100044)



地铁盾构施工对临近古建筑的沉降影响因素分析

刘 畅 王 健

(北京建筑大学，北京 100044)

以北京地铁19号线右安门外—牛街双线区间盾构隧道施工为例，利用FLAC3D有限差分软件进行了施工数值模拟计算，通过与类似地质条件下地表沉降实测值进行比较和对计算参数的修正，分析了不同施工条件下采用不同计算方法和参数的计算结果，使该工程盾构施工过程中对临近建筑沉降影响的预测更加符合实际。

地铁盾构，地表沉降，FLAC3D，实测数据

0 引言

盾构法凭借着开挖安全、掘进速度快、不影响地面交通、自动化作业等诸多优势成为城市地铁隧道开挖采用较多的施工方法。但因工程地质条件和施工技术水平等限制，仍不可避免对围岩产生一定的扰动，引起周围地层应力损失。对于某些古建筑物，结构特殊，变形要求高，仍需要对其沉降进行严格的计算分析，控制其在施工中产生的沉降变形在允许范围内，并做到可控。

具体工程为北京地铁隧道19号线牛街段，采用数值模拟法分析地铁盾构施工阶段对牛街礼拜寺的沉降影响，并与北京地区已完成盾构施工的类似工程沉降实测数据进行比较。由于地表沉降的影响因素众多，包括规划设计、隧道埋深、土体性质、水文条件等客观因素和盾构机型、施工工艺、施工管理、注浆技术水平等与工程技术人员的技术水平、工作状态紧密相关的主观因素，由于主观因素可控性较强，所以本文通过对不同开挖顺序、不同应力释放率及不同掌子面推力的对比分析，为该工程的施工工序选择和施工参数选取提供参考。

1 工程概况

牛街礼拜寺内现存主要建筑均于明清时期修筑，为国家重点文物保护单位。地铁19号线盾构隧道与牛街礼拜寺的平面及剖面位置关系，如图1，图2所示。影壁、望月楼与礼拜大殿至右线隧道最近距离分别为3.77 m，18.45 m，31.45 m，隧道埋深39.1 m。

2 施工过程数值模拟

地铁隧道左右线间距14.2 m，覆土厚度32 m，外直径7.1 m，盾构管片厚度0.35 m，每环宽度为1.2 m。该区段的主要土层分布及设计参数如表1所示。

表1 土层主要设计参数

按照实际工程情况建立模型，模型取长140 m，宽60 m，高80 m，顶面为自由边界，四周约束各边界面的法向位移，底面完全约束。隧道土体的开挖采用空模型(Null)，土体采用摩尔—库仑模型(Mohr-Coulomb)，管片采用弹性圆环体模型来模拟，为预测地表沉降对文物建筑的影响，对于施工所产生的地面沉降进行全程跟踪，建筑角点处布置监测点，如图3所示。

2.1 不同开挖顺序的比较

盾构施工过程中，开挖顺序不同，对邻近建筑物的影响也不同。目前双线隧道盾构施工通常采取以下三种施工方案：双盾构同时同向推进；盾构施工完成一条隧道后开挖另一条隧道；双盾构同时反向推进。但双盾构同时推进，施工过程风险较大，所以常采用先开挖贯通一条隧道后再开挖另一条隧道的施工方案，因此只针对先开挖左线和先开挖右线两种施工顺序进行数值模拟。掌子面推力取1倍土压力值，应力释放率取50%，以纵向30 m位置(即影壁中间位置)处为研究对象，双线贯通后，其地表横向沉降曲线如图4所示。

由于线路右侧地面建筑荷载大于左侧，所以先开挖左线的沉降最大值约为3.9 mm，先开挖右线的沉降最大值约为4.5 mm，先开挖左线引起的沉降影响较小。

先开挖左线再开挖右线过程中，文物建筑的结构倾斜度变化见图5～图7。

影壁的短边DA和BC，望月楼的斜边FG和JE，礼拜大殿的斜边KL和QR，较易受到地表沉降而引起倾斜，结构基础的最大局部倾斜发生在影壁短边DA处，但远小于0.002，尚满足《建筑地基基础设计规范》中对于建筑物地基不均匀沉降的允许控制值的要求。

参照已有文献中北京地区的多组地表沉降的实测数据，见表2，与数值模拟结果进行比较。

表2 盾构法隧道施工引起地面沉降

工程名称覆土厚度/m主要土层最大沉降/mm地铁十号线,三元桥—亮马桥区间[2]11～14填土,粉土,粉质粘土10～17地铁十号线11标段[3]10中粗砂,粉质黏土,黏土,粉土16地铁十号线北土城—芍药居区间[4]11.4填土,粉土,粉质粘土,细中砂19地铁四号线某标段[5]9.2～16.4填土,粉土,粉质粘土,中粗砂7.32地铁五号线雍和宫—北新桥[6]11.5～12填土,粘质粉土,粉质粘土4.64～11中粗砂,粉细砂,卵石11.54～5.5填土,砂土14.3地铁九号线科怡路—丰台南路[7]8.5～10填土,卵石,中粗砂9～23

近似土层条件中，地表沉降随着隧道埋深的增加而减小。粘性土层自稳性及注浆效果好于砂土层及卵石层，施工对地层的扰动范围和地表沉降也相对较小。本工程隧道处于卵石层，较砂土层有更高的自稳性能，覆土厚度较大，约32 m，且忽略地下水的渗透作用影响及盾构机外壳与土层的摩擦等不利条件，所以数值模拟计算值处于合理范围内。

2.2 不同应力释放率的比较

盾构隧道施工过程中，管片拼装或注浆不及时，甚至超挖等影响施工综合质量的因素，都会导致应力释放较大，使周围土体在支护结构施作完成前发生较大形变，引起较大的地表沉降。应力释放率30%，管片拼装或注浆基本及时，是盾构施工的基本要求；应力释放率50%，管片拼装或注浆基本不及时，且有一定的超挖量，是盾构施工的不利情况[8]。因此，掌子面推力取1倍土压力值，应力释放率可根据施工质量控制的好坏取30%～50%。这里分30%，40%和50%三种情况考虑。

由于先开挖左线对文物建筑影响较小，所以施工顺序为先开挖左线后开挖右线，对比分析三种不同应力释放率对牛街清真寺的影响，地表横向沉降曲线如图8所示。

应力释放率30%和 40%条件下地表沉降分别为3.3 mm和3.6 mm，分别较应力释放率取50%时减小0.55 mm和0.25 mm，且牛街清真寺DA边结构最大局部倾斜分别减小4.6%和2.3%，可见应力释放率越小，地表沉降值越小，需施工质量控制得越好，邻近建筑物基础的差异沉降也会相应减小。所以施工过程中应采取及早施作管片等措施，以防止应力释放率过大。

因此施工中对施工工序和质量的严格管理是本工程是否成功的关键。

2.3 不同掌子面推力的比较

理论上讲，如果盾构机掌子面推力等于掌子面处开挖前的静止土压力，则周围土体受到的扰动较小，不会出现较大的地层位移和地面沉降；如果掌子面推力大于原静止土压力，则前方土体受到水平方向挤压而发生前移，引起前方地表隆起；如果掌子面推力小于原静止土压力，则掌子面受到的支撑力较小而后移甚至发生塌落，导致地面沉降。

先开挖左线后开挖右线，应力释放率取50%，对比分析掌子面推力取0.5倍，1倍，1.5倍原静止土压力值三种情况对文物建筑的影响，计算结果如图9所示。

三种情况的地表沉降值分别为3.97 mm，3.85 mm，3.75 mm，掌子面推力为1.5倍的原静止土压力值时，地表最大沉降量减少了0.1 mm，相反，若掌子面推力为原静止土压力值的1/2时，不仅地表最大沉降量增加了0.12 mm，也增大了对古建筑的影响，所以在施工中适当提高掌子面推力，对减小地表沉降，保护临近古建筑具有一定的作用。

3 结语

为分析地铁19号线盾构施工阶段对牛街清真寺的沉降影响，采用FLAC3D进行数值模拟，并参照其他工程实测数据，以提高模拟结果的可信度。通过对不同开挖顺序、不同应力释放率及不同掌子面推力的对比分析，为施工期间对牛街清真寺的保护提出如下建议：

1)通过对双线不同施工顺序的模拟，先开挖左线对牛街清真寺的影响较小，因此建议先开挖左线，贯通后再开挖右线。

2)北京地铁19号线牛街段盾构法施工的横向影响范围约为45 m，影壁的短边DA和BC、望月楼的斜边FG和JE以及礼拜大殿的斜边KL和QR等关键部位易产生较大结构倾斜。因此施工期间在距两隧道中心线45 m范围内的路面、古建筑关键部位及地下管线要增加沉降监测频率，如有必要需提前采取一定的保护措施。

3)在盾构隧道开挖中，土体超挖、管片施作不及时、注浆未跟紧和特殊的土质条件等多种施工因素、环境因素都可能对实际地层沉降产生影响，只有在较高的施工质量和对地质环境条件掌握的基础上才能取得较好的沉降控制。计算中除尽可能真实模拟出施工工序和环境条件外，相关参数真实可靠，反映实际情况，是计算结果可靠的重要因素，计算参数的取值在很大程度上受施工的质量和状态的影响，所以必须严格控制施工质量，各环节都满足施工质量要求，才可能达到较低的应力释放和较小的沉降。

4)在施工中适当提高掌子面推力，对减小地表沉降，保护临近古建筑具有一定的作用。本工程掌子面推力可采用1.5倍原静止土压力值，但数值模拟过程中进行了一定假设并忽略一些不利条件，所以施工中掌子面推力应按照设计要求施加，并根据土质变化、地面荷载及监测数据等不断地进行相应调整。

为防止施工中的某些不确定因素条件下异常情况的出现，应该对本工程从风险源到风险对象实施严格的监测，以便遭遇特殊情况时及早发现并采取措施。

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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

刘 畅(1990- )，男，在读硕士； 王 健(1956- )，男，教授

U455.43

A