西安地铁盾构隧道施工对邻近建筑物的影响及控制技术

任建喜 杨 锋 朱元伟

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安; 2.中铁十五局集团有限公司,710018,西安∥第一作者,教授)



西安地铁盾构隧道施工对邻近建筑物的影响及控制技术

任建喜1杨 锋2朱元伟2

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安; 2.中铁十五局集团有限公司,710018,西安∥第一作者,教授)

以西安地铁3号线某区间盾构隧道下穿既有建筑物工程为背景,采用FLAC数值模拟软件对盾构施工引起建筑物变形规律进行预测,计算结果表明盾构施工影响建筑物安全使用。在采取相关减灾技术措施后,保证了盾构施工过程中建工金华酒店的安全稳定,表明盾构下穿建工金华酒店时的减灾技术是合理有效的。

地铁; 盾构隧道; 施工模拟; 基础沉降; 减灾技术

First-author′s address Department of Architecture and Civil Engineering,Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

盾构法施工[1-2]以其高效、安全、环保等优点已被广泛应用于城市轨道交通修建。随着城市地铁建设的不断发展,地铁盾构施工对地面既有建筑物的影响[3-4]引起了社会各界的高度关注。FLAC(有限差分法)主要适用于模拟计算地质材料和岩土工程的力学行为,能够很好地反映岩土力学效应和解算岩土类材料的非线性、不可逆剪切破坏和蠕变等,可以科学地分析岩土破坏原理[5]。本文依托西安地铁3号线某区间盾构隧道工程,采用FLAC三维数值模拟软件对该区间盾构施工过程中既有建筑物的变形进行预测[6-7]研究,预测结果可为邻近建筑物条件下的西安地铁盾构隧道安全施工提供理论支撑。

1 工程概况

西安市地铁3号线某区间盾构隧道工程起迄里程为YDK31+365.965～YDK30+926.761和ZDK31+381.182～ZDK30+926.761,右线全长428.114 m,左线全长452.399 m。该区间左线隧道在里程ZDK31+011～ZDK31+045处下穿建工金华酒店楼房基础,隧道外边线最大侵入距离为4.8 m,隧道拱顶埋深9.2～9.4 m。建工金华酒店楼房为9层钢筋混凝土框架结构,基础是条形基础。盾构隧道与建工金华酒店楼房平面关系见图1。

图1 区间隧道与建工金华酒店楼房平面关系图

1.1 工程地质条件

该区间的地势南边比北边高,地面高程在406.18～413.32 m之间。该区间从上至下地层结构是:地表的人工杂填土(Q4ml)，结构疏松的新黄土(Q3eol),第四纪古土壤(Q3el),古早更新统老黄土(Q2eol),冲积粉质黏土(Q2al)。

1.2 水文地质条件

经过详勘得出，该区间地下水位埋深在11.23～16.08 m之间,与之相对应的标高在396.64～398.95 m之间。主要含水层是中砂,揭露的最大厚度高达5.44 m,最浅埋深34.23 m。

2 盾构隧道引起建筑物变形规律预测

2.1 建立FLAC模型

2.1.1 模型建立与单元划分

采用FLAC软件对该段区域进行数值模拟,模拟区域沿隧道横向取70.9 m,沿隧道纵向取50 m,深度取32.87 m,建工金华酒店楼房高27 m,故模型尺寸是70.90 m×50.00 m×59.87 m。因为建工金华酒店基础是钢筋混凝土条形基础,在建模过程中对该基础赋予钢筋混凝土结构的物理力学参数。根据盾构施工对隧道周围土层影响大小的不同,对模型中不同位置地层的网格划分疏密程度不同划分单元。三维计算模型见图2。

图2 FLAC三维模型

2.1.2 本构模型的选取

选择摩尔-库伦模型作为土体本构模型。因为土体破坏大多以剪切破坏为主,摩尔-库伦屈服准则模型能够准确反映土体的破坏形式,而且简单实用,在工程实践中已得到广泛应用。

2.1.3 盾构施工的模拟方法

第一步:杀死开挖的单元格,进行应力释放,同时在掘削面施加顶进压力,根据现场情况，计算中采取盾构机推力为地层侧压力,取0.28 MPa。

第二步:在恒定盾构推力状况下,完成地铁盾构开挖,在开挖的同时完成应力释放。

盾构掘进方向隧道长度为50 m,分十步开挖,每步开挖5 m。

2.2 建筑物变形规律模拟分析

2.2.1 土层参数

根据研究该区间的地质勘察报告,得到FLAC需要的计算参数见表1。

表1 土层力学指标

2.2.2 FLAC计算结果分析

为了预测盾构隧道开挖过程中建工金华酒店楼房的变形规律,包括楼房地面沉降和基础沉降，在建工金华酒店布置变形监测点见图3。

图3 建工金华酒店楼房监测点布置图

2.2.2.1 盾构施工引起楼房地面沉降预测

在建工金华酒店楼房底层地面处埋设3个监测点JG1、JG2、JG3,监测点分布见图3。该区间先对隧道左线进行盾构开挖,然后对右线进行盾构开挖。左右线盾构开挖楼房地面沉降位移云图及位移曲线见图4～图7。

图4 左线开挖结束后隧道竖向位移云图

图5 右线开挖结束后隧道竖向位移云图

图6 左隧道盾构开挖过程中FLAC预测楼房地面沉降曲线

图7 右隧道盾构过程中FLAC预测楼房地面沉降曲线

对图4分析可知,左隧道盾构开挖过程中隧道拱顶变形最大,且拱顶变形呈沉降趋势,最大沉降值是26.84 mm。对图5分析可知,右隧道盾构开挖过程中,左右隧道拱顶变形最大,且都是沉降,左线拱顶最大沉降值是37.17 mm,右线拱顶最大沉降值在20 mm范围内。

对图6、图7分析可知,在左右隧道盾构开挖过程中,监测点JG1、JG2、JG3的变化趋势基本一致,但是沉降值SJG1>SJG2>SJG3。这是因为监测点JG1距盾构工作面最近,所受扰动也最大。左隧道盾构过程中JG1监测点处最大沉降值为24.00 mm;右隧道盾构过程中JG1监测点处最大沉降值为35.90 mm。因为地面沉降的时效性和右隧道盾构施工的影响,右隧道盾构开挖诱发建工金华酒店楼房地面沉降比左隧道盾构开挖大,这与隧道开挖结束后位移云图的分析结果是一致的。

2.2.2.2 盾构施工引起楼房基础变形预测

左右隧道盾构开挖过程中楼房基础沉降位移云图及位移曲线见图8～图11。

图8 左线开挖结束后楼房基础沉降位移云图

图9 右线开挖结束后楼房基础沉降位移云图

图10 左隧道盾构开挖过程中FLAC预测楼房基础沉降曲线

图11 右隧道盾构过程中FLAC预测楼房基础沉降曲线

对图8、图9分析可知,左线隧道盾构施工结束后,建工金华酒店楼房基础沉降是23.37 mm;右线隧道盾构施工结束后,建工金华酒店楼房基础沉降是33.67 mm。

对图10及图11分析可知,在左右隧道盾构开挖过程中,监测点JC1、JC2、JC3的变化趋势基本上一致,但JC1和JC2监测点沉降值变化范围一致,这是因为这两个监测点距盾构工作面的距离相同,而JC3监测点沉降最小,因为JC3距盾构工作面最远,所受扰动最小。左隧道盾构施工结束后JC1监测点处最大沉降值为22.58 mm;右隧道盾构施工结束后JC1监测点处最大沉降值为34.00 mm。在盾构开挖过程中,建工金华酒店楼房基础呈现不均匀沉降,导致楼房出现倾斜,影响建工金华酒店楼房的安全使用。

3 盾构隧道施工过程中建筑物变形控制技术

根据国内盾构施工经验,盾构施工过程中控制既有建筑物变形的措施主要是通过调控盾构掘进参数及对建筑物基础进行注浆。

3.1 调控盾构掘进参数

(1) 合理控制土压力,防止超挖:建工金华酒店楼房处是隧道埋深为8.97 m,综合考虑地面各种因素,借鉴地铁施工的成功经验,确定上土压大小范围是0.08～0.09 MPa,下土压大小范围是0.14～0.16 MPa,中间土压大小范围是0.09～0.10 MPa,盾构推力为1 400～1 600 t,具体大小可根据现场情况随时确定。

(2) 合理控制盾构掘进速度:在下穿建工金华酒店时,尽可能降低施工速度(通过现场计算确定盾构掘进速度为20～25 mm/min)确保盾构在施工过程中的稳定性,并保证盾构沿着设计路线进行施工,避免出现盾构偏离现象。

(3) 盾构姿态控制:① 盾构千斤顶的行程差控制在50 mm以内,顶力差控制在5 MPa以内。② 盾构机在推进过程中平面纠偏在-30～30 mm范围内,垂直纠偏在-50～50 mm范围内。这样基本认为盾构机在掘进过程中始终处于稳定状态,对周围土体的扰动也是最小。

3.2 建筑物基础注浆加固

对于控制建筑物基础不均匀沉降的主要是措施通过注浆抬升。这种加固方法主要是通过注浆提高地基土的抗变形强度,增大地基土抵抗盾构施工对周围土层的扰动能力,进而减小建筑物变形量,确保建筑物结构安全。目前,这种加固方法在盾构隧道穿越建筑物工程中应用十分广泛。一般情况下对建筑物进行注浆抬升,首先确保建筑物基础周围土体填充效果良好,然后形成一圈止浆围护结构,最后进行注浆抬升。在对建工金华酒店基础进行注浆过程中需合理控制注浆压力及注浆方式,根据计算及成功经验,采用手动注浆方式且注浆压力为0.10 MPa。

4 现场监测

建工金华酒店楼房变形监测仪器主要有水准仪及配套标尺。用水准仪及配套标尺测量该楼房的地面沉降和基础沉降。

4.1 地面沉降实测值分析

通过分析建工金华酒店楼房地面沉降实测值,得出盾构施工引起建工金华酒店楼房地面沉降变形规律,分析结果见图12～图13。

图12 左隧道盾构开挖过程中实测楼房地面沉降曲线

图13 右隧道盾构开挖过程中实测楼房地面沉降曲线

对图12和图13分析可知,采取减灾措施以后,建工金华酒店楼房地面沉降明显得到控制,且JG1、JG2和JG3监测点处沉降的变化趋势基本一致,都是先增大,最后随着盾构推进而趋于稳定状态。左隧道盾构开挖结束后地面沉降最大值是11.30 mm，右隧道盾构开挖结束后地面沉降最大值是19.43 mm,均在地面沉降允许值范围内。

4.2 建筑物基础沉降实测值分析

建工金华酒店楼房实测基础沉降分析结果见图14～图15。

对图14和图15分析可知,采取减灾技术措施以后,建工金华酒店楼房基础沉降得到改善,不均匀沉降现象得到控制。左盾构开挖结束后基础最大沉降值为9.28 mm,右盾构开挖结束后地面沉降最大值为13.12 mm,均在基础沉降允许范围内。

图14 左隧道盾构开挖过程中实测楼房基础沉降曲线

图15 右隧道盾构开挖过程中实测楼房基础沉降曲线

5 结语

(1) 通过FLAC数值模拟软件预测盾构施工过程中建工金华酒店的沉降变形规律,由分析计算结果可知,盾构施工过程中该楼房地面沉降最大值为35.90 mm,超过了地面沉降允许值30 mm;楼房基础最大沉降为34.00 mm,不均匀现象明显,会严重影响建工金华酒店楼房安全使用,为了确保盾构施工过程中楼房的安全稳定,必须采取减灾技术措施。

(2) 在盾构下穿建工金华酒店时采取控制盾构掘进参数及对建筑物基础进行注浆的减灾技术措施。采取相应减灾技术措施后,建工金华酒店楼房地面最大沉降为19.43 mm，基础最大沉降为13.12 mm,都在可控范围内,大大降低了盾构施工的风险,确保施工过程中建工金华酒店楼房的安全。这表明盾构隧道下穿建工金华酒店时的减灾技术措施是合理有效的。

[1] 刘树山.砂卵石地层盾构施工对建筑物的影响分析及技术措施[J].城市轨道交通研究,2008(6):102.

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上海轨道交通11号线迪士尼站投入试运营

本刊综合报道 上海轨道交通11号线迪士尼站已于4月26日上午10时投入载客试运营。迪士尼站的1号出口正对上海迪士尼园区,步行约5 min即可到达正门。乘客出站后,迪士尼的城堡、小镇等景点可尽收眼底。地铁车站内部的设计装饰也兼有迪士尼风格和中国风格：车站扶梯边的墙上布满了米奇、米妮、唐老鸭、高飞、布鲁托等经典的卡通形象；在车站站厅的中央,则有两座约3 m高的米奇、米妮雕塑；负责车站设计的马凌颖表示,该设计灵感来自中国传统剪纸艺术,主题墙与外立面的祥云和门钉也都突出了中国元素。车站东南西北4个出入口的雨棚和车站的顶棚采用的是与北京“水立方”相类似的“气膜结构”,在节能的同时,也方便引导乘客进站。迪士尼站还配有上海地铁第一间母婴室。据上海地铁第二运营有限公司总工程师吴强介绍,目前迪士尼站站厅面积是9 800 m2,可站立1.7万人次/h。吴强说,迪士尼站的安检较全网其他站点的安检模式有所不同,4个出入口处实施“进站即检”的模式,即进入迪士尼站入口的玻璃平衡门后就要接受安检,严禁携带易燃易爆物品,如烟花和(氢)气球等。

Effect of Shield Construction of Xi'an Metro on Adjacent Buildings and the Control TechnologyREN Jianxi, YANG Feng, ZHU Yuanwei

The shield tunneling crosses under adjacent buildings in a section of Xi′an metro is taken as the background,the FLAC software is used to predict the buildings′ deformation law caused by the shield construction.The calculation results show that the shield construction would directly influence the safety of adjacent buildings. After taking relevant technical measures, the security and stability of Jiangong Jinhua Hotel during the shield construction is guaranteed. This case shows that the mitigation measures taken for shield tunneling under the adjacent buildings are reasonable and effective.

metro; shield tunnel; construction simulation; foundation settlement; disaster reduction technology

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.05.022

2015-11-18)