基于地铁盾构施工引起的建筑物沉降特征研究

李 志 建

(中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，福建 厦门 361006)

0 引言

目前地铁隧道建设正处于加速发展阶段，全国越来越多的城市兴建地铁。地铁线路一般下穿城市中心地段，经过建筑物密集区。因此，地铁隧道盾构开挖产生的地层扰动、地表下沉等，容易引起周边建筑物发生倾斜、沉降。建筑物的沉降变形轻则引起结构破损，重则发生倒塌而危及人民生命财产安全。因此，地铁盾构施工对周边建筑物的监测及预测是地铁建设中需解决的问题。

1 盾构施工对邻近建筑物的影响机理

地面建筑物的变形是由于地层扰动传递给建筑物基础而引起的。在隧道盾构推进过程中地表将产生各种各样的变形，例如：下沉、倾斜、水平位移等。建筑物也将受到这些变形的影响。由于建筑物具有一定结构且具有承受附加内力的能力，故建筑物变形与地表变形规律有所不同。建筑物的变形与地表变形之间的相互关系，是与建筑物基础的材料、使用年限、结构、长度、宽度、深度、荷载以及地基地质条件、建筑物平面形状等有关。

地铁隧道开挖打破了地层的原有的平衡，从而隧道周围的应变场及应力等发生变化，水位也将发生改变，导致上层土体的沉降和固结，进而扩展到附近建筑物地基下面，并由地基传递给建筑物基础，再往上传递给建筑结构，引起结构的附加内力和变形，或者倾斜、倒塌。同时，由于建筑物的存在，其自重与基础刚度也约束了地层的运动，从而影响隧道围岩应力应变场的变化幅度和变化范围。因此，隧道与邻近建筑物是相互作用、相互制约的，其影响机理具有复杂性和多样性[1,2]。

2 工程实例分析

本文主要通过对某城市某号线地铁某区间左右线240环～300环之间建筑物海关宿舍楼沉降监测数据进行分析。该建筑物为混凝土框架结构，地面以上共7层约21 m。其桩基础为锤击灌注桩，长14.5 m，离隧道拱顶垂直距离约1.5 m。桩基础周围土层主要是全风化变质砂岩和强风化变质砂岩层，地质条件较差且离隧道拱顶距离较近(平面位置如图1所示)，中间区域为该建筑物位置，周边条形区域为盾构隧道施工区域，HG1,HG2,HG9,HG10为布置的四个沉降监测点。

2.1 实测数据分析

对4个沉降监测点每天监测一次，连续进行44期沉降监测，并计算每期的累计沉降量，同时依据沉降量绘制了其变化趋势图，如图2所示。

由图2可得出：

1)监测点HG1的累计沉降量最大，最大累计沉降量达35 mm，HG9累计沉降量最小达13 mm左右。

2)由于隧道前期为主要施工阶段，后期为衬砌及加固阶段，故四个监测点在1期～20期变化速率较大，平均为每期0.8 mm～1.5 mm变化。20期以后的累计沉降量变化趋势基本处于稳定状态。

2.2 实测数据建模及预测

1)数学模型的选取。

根据四个监测点的变化趋势，本文选择二次多项式趋势模型来进行数学建模。表达式见式(1)：

y=b0+b1t+b2t2+ε

(1)

其中,b0,b1,b2为二次模型参数；t,y分别为自变量期数、因变量累计沉降量。

2)参数计算。

根据最小二乘法准则，对模型参数进行估计，其原理为：

(2)

(3)

计算得出四个监测点的参数，如表1所示。图3为各监测点拟合曲线图。

表1 各监测点参数表

表2 各监测点的二次曲线模型

点号二项式曲线模型HG1y=-8.094 1+3.224 4x+(-0.058 2)x2HG2y=-4.346 7+1.789 3x+(-0.032 1)x2HG9y=-2.864 1+0.889 5x+(-0.012 6)x2HG10y=-2.216 4+2.100 6x+(-0.036 0)x2

表3 监测点的相关系数表

表4 预测结果与实际观测值对比表

从而得出模型表达式见表2。

3)模型检验。

通过对4个监测点的相关系数进行计算，结果如表3所示。

查阅相关系数检验表(自由度取n-2，此处n=40)，获得临界值rα=0.316，则|r|>rα，模型均通过检验。

4)基于该模型的沉降预测及检验。

根据表2模型，对各监测点的41期～45期的累计沉降量进行预测，并与实测数据进行对比，结果如表4所示。

由表4得出，模型最大预测偏差为2.76 mm，最小预测偏差仅为0.24 mm，预测结果较为准确，满足实际工程监测精度要求，能将预测的结果应用于实际工程。

3 结语

通过论述隧道盾构施工对邻近建筑物的影响机理，然后通过对海关宿舍楼的实际监测数据分析得出其沉降变化的一般规律，最后通过对其监测的数据进行二次多项式数学建模，并根据该模型对后几期的监测数据进行预测，然后用实际监测数据进行验证，满足精度要求，得出该数学模型能够预测该监测项目的后期变化规律。

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