复杂地层盾构下穿敏感建筑群沉降控制研究

2024-06-24王欢

科技资讯 2024年7期

王欢

摘要：随着城市化进程的加速，地铁作为一种便捷的交通工具得到广泛应用，其建设过程中所带来的影响也愈发凸显。地铁隧道建设对周边环境和敏感建筑群体的影响是一个不容忽视的问题。以复杂地质条件下地铁盾构隧道施工过程中敏感建筑群的沉降控制为研究对象。通过综合运用理论分析和数值模拟的方法，探讨了沉降控制的主要影响因素和优化方法，提出了有效的控制措施，为地铁隧道建设提供了一定的参考。

关键词：地铁盾构隧道敏感建筑集群沉降控制数值模拟

中图分类号：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

当今，地铁建设已成为大多数城市现代化进程中必不可少的组成部分。针对敏感建筑团体的沉降控制问题，国内学者在该领域的研究取得了很大进展。张磊[1]依托双螺旋盾构机防喷涌特性，通过三维有限元整体分析法等手段，有效抑制周边建筑物和地表沉降；周德梁等人[2]建立二维平面应变模型，分析不同地层条件下多个因素对地表土体变形的影响规律。陆宏朝等人[3]通过有限元模拟、现场自动化监测等一系列主动控制措施，形成一整套盾构下穿老旧村庄的沉降控制方法；韩旭[4]通过实测数据、数值模拟、正交试验对盾构引起的地层及建筑物沉降变形规律进行研究，最后通过BP神经网络建立沉降预测模型，为类似工程提供了参考；甄成[5]建立了基于工程实际的微扰动变形控制体系，提出可应用工程实际的微扰动变形控制措施。

1沉降机理与影响因素分析

1.1 盾构隧道施工对周边环境的影响

盾构隧道下穿敏感建筑群时对周边环境的影响是不可避免的。其中，地面沉降是最显著的影响因素之一。沉降主要由隧道掘进过程中土层的破坏和挤压形成的沉降槽所引起。

沉降槽的形成过程可以分为3个阶段：第一阶段是隧道掘进阶段，土层受到破坏和挤压，形成了一个开挖断面大小相同的土体缺口；第二阶段是稳定阶段，即隧道开挖停止后，土体开始重新排列，并恢复一部分原有的强度；第三阶段是沉降阶段，随着时间的推移，土体继续缓慢沉降，直至达到稳定状态。

1.2 沉降影响因素分析

盾构施工中，沉降受多个因素影响，如盾构机工作状态、土体力学特性和地下水位。为合理控制沉降量，需进行这些因素的分析和控制。下面从盾构机工作状态、土体力学特性和地下水位3个方面进行分析。

1.2.1盾构机工作状态

盾构机的工作状态是影响下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。盾构机施加在土体上的切割力和推进力会导致土体位移，引发地表沉降。此外，未充分预处理地层会导致地下水流出，影响周围土体的物理力学特性，进而引起不稳定的地表沉降。

1.2.2土体物理力学特性

土体的物理力学特性是影响盾构隧道下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。在盾构机开挖过程中，周围土体的物理力学特性会发生变化，如压缩模量、剪切模量和黏聚力等特性会改变，从而导致地表沉降。土体的压缩程度和孔隙度等参数也会对沉降产生一定影响[6]。

1.2.3盾构隧道的直径和深度

盾构隧道的直径和深度是影响其下穿敏感建筑群沉降的重要因素。隧道直径决定了土体开挖量和施工时的地下应力分布。隧道深度则决定了地下水位对沉降的影响程度与周围土体应力分布。

2工程概况

2.1区间工程概况

石家庄市城市轨道交通4号线一期工程四工区项目起讫桩号YK12+874.528—YK16+707.072，共计3个区间。体育公园站—南王站区间为第一个区间，左右线均1 313.0延米，选用盾构法施工，设计外径6 200 mm，内径5 500 mm，采用环宽1 200 mm，厚度350 mm拼装而成，另有附属结构2座联络通道（1座含泵）。

2.2工程地质及水文地质

车站、区间隧道主要穿越粉质黏土、粉细砂层等，底板主要位于粉质黏土层。具体地质岩土参数如图1所示。

3工程重难点

本项目沿线穿越建构筑物多，建构筑物基础形式多样，对沉降影响敏感，如沉降控制不好，产生的社会影响极大，因此采取有效的沉降控制措施确保建筑物安全是本工程施工安全管理的重难点。

（1）线路沿城市主干道设置，盾构掘进施工对道路结构安全及周边地层产生影响，易造成道路沉降、塌陷、隆起等现象发生。（2）线路上下穿大量城市主管道，体育公园站—南王站区间盾构上穿塔北路综合管廊，隧道底距离管顶最小竖向净距约3.981 m易发生管道变形、断裂等现象。（3）线路穿越建（构）筑物，体育公园站—南王站左、右线区间盾构下穿市科技合作与创新平台中心，隧道距离建筑物基础最小竖向净距约9.8 m；下穿南二环高架匝道路基段，隧道距离路基段基础最小竖向净距约13.50 m；盾构掘进引起的地层损失易引起周边建筑物基础的不均匀沉降，致使建筑物损坏。

4 建模模拟

选取体-南区间的截面进行计算，为了简化建模和计算过程，假设地层为层状分布。先以图1为例进行建模介绍，在土力学中地基的附加应力一般采用弹性理论，可以假定地基土为各向同性、均匀连续的弹性体。在弹性模型中，土中应力大小只与各土层弹性模量比值相关，而与弹性模型的具体大小无关。通过模型分析，得到土体及管片节点沉降结果如图2所示。已经注浆完成的土体及上层管片沉降了约90 mm，但在开挖截面上土体及上层管片隆起了约40 mm。可以预见的是，当开挖截面不断向前推进，后方的土体及上层管片最终会形成约90 mm的沉降。

5沉降控制方案设计

为了有效控制盾构施工引起的建筑物沉降，本文设计了一套完整的沉降控制方案，包括建筑物基础加固、盾构隧道施工参数调整、地铁运营期间的沉降监测和控制等措施。具体内容如下。

5.1建筑物基础加固设计

通过对建筑物的基础进行加固和加厚，可以使其承载能力增强，减少盾构施工引起的沉降量。基础加固设计应结合建筑物的具体情况和盾构施工参数进行综合考虑，采用不同的加固措施，如加设钢筋混凝土梁、加厚基础等。同时也应考虑到后续地铁运营期间可能引起的沉降，采取相应的措施进行预防和控制。

5.2盾构隧道施工参数调整方案的设计

盾构隧道施工参数的调整可有效减少建筑物沉降。通过调整掘进速度、注浆压力、掘进姿态等参数，可以实现地层的平衡掘进和均衡沉降。此外，优化盾构机的施工方式，如改变推进方向、调整隧道截面等，也可以减少沉降量。施工参数的调整方案应根据具体情况进行综合考虑，采取适当的措施。

5.3地铁运营期间沉降监测与控制方案的设计

地铁运营期间可能引起建筑物沉降，因此需要进行监测和控制。监测包括地铁运营前后的沉降数据以及不同时间段的沉降速率等参数。针对监测数据制定相应的沉降控制方案。一般来说，如果建筑物的沉降量超过规定的限值，就需要采取相应的控制措施。控制措施包括加固建筑物基础、增加地铁车站的支撑力等。

5.4盾构隧道施工过程中沉降监测与控制方案的设计

盾构隧道施工过程中的沉降监测与控制是确保施工安全的关键。应设置监测点并定期监测施工过程中的沉降情况。监测数据应及时反馈给施工人员，以便采取及时的控制措施。沉降控制措施包括调整施工参数、加固地基和提高隧道支撑力等。控制措施应根据监测数据和实际情况进行综合考虑[7]。

5.5盾构隧道下穿敏感建筑群的风险评估与管理

在盾构隧道下穿敏感建筑群时，需要进行风险评估并采取相应的风险管理措施。风险评估应考虑地质情况、建筑物结构和盾构隧道施工参数等各种风险因素。根据评估结果，制定相应的风险管理措施，如加固建筑物、改变施工方式和增加监测点等。

5.6盾构隧道施工的环境保护措施

盾构隧道施工会对周围环境产生噪声、震动和扬尘[8]。为减少这些影响，需要采取相应的环境保护措施。例如：在施工现场设置垃圾箱和清洗车，减少垃圾和污染物的排放；进行噪声和震动监测，控制噪声和震动的产生；进行覆盖和湿化处理，减少扬尘污染，等等。

综上所述，对盾构隧道下穿敏感建筑群的沉降控制方案、风险评估与管理、环境保护措施等进行了分析和探讨。本文设计的沉降控制方案综合考虑了地铁建设的特点和实际情况，对保障盾构隧道施工的安全和周围建筑物的稳定具有重要意义。同时，本文提出的环境保护、安全管理和质量管理措施也为盾构隧道施工提供了有力保障。

6结语

本研究为盾构隧道下穿敏感建筑群的沉降控制提供了一种可行的方案，但仍有许多问题需要进一步研究。例如：如何准确地预测盾构隧道施工对建筑物的沉降和变形影响，以及如何实现沉降控制方案的实际施工等问题，都需要进一步研究和探索。此外，还可以探究其他控制方案，如加固建筑物地基、改变盾构隧道的施工方式等，以提高控制效果和减少施工对周边环境的影响。

参考文献