家莊地鐵盾構施工對臨近建筑物的影響分析

王磊

【摘 要】本文以石家莊地鐵1號線體育場站至北宋站盾構區間為背景，通過建筑物沉降監測數據與施工進度的對比分析，反映出同類條件下盾構施工對鄰近建（構）筑物的變形影響；結合盾構掘進各項技術參數，通過對建筑物沉降的變化規律進行研究，得出盾構機側穿臨近淺埋基礎建筑物時能夠很好的控制其周邊建筑物的沉降變化，從而不影響建（構）筑物的安全使用。總結施工經驗，為以后石家莊地鐵同類地質情況施工提供可靠的數據參考。

【關鍵詞】盾構施工措施；鄰近建筑物；沉降監測；數據分析

Introduction to shijiazhuang subway shield construction impact on the deformation of the adjacent buildings

Abstract： Taking Stadium station to Northern Song station interval shield of Shijiazhuang Metro Line 1 as the background， this paper reflects the effect of deformation of shield construction on the adjacent building under similar conditions through the comparative analysis of building subsidence monitoring data and construction schedule. Combined with various technical parameters of shield tunneling， through research on the change rule of the building subsidence， obtain that it can be well to control the changes of settlement of adjacent building and doesnt affect the use of building when shield machine goes through the adjacent shallow foundation building by the side. Summary of construction experience， provide reliable data for reference of the future of Shijiazhuang subway construction of similar geological conditions.

Key words： Shield construction measures； Adjacent buildings； Subsidence monitoring； Data analysis；

1 引言

隨著城市地鐵建設的不斷興起，盾構法因其施工速度快、安全性高以及對地層擾動小等特點而得到廣泛使用。城市房屋、人口密集，因此就盾構掘進的施工安全問題就極為重要了，如何通過監測手段控制周邊環境安全狀態是一個命題。本文就石家莊地鐵1號線盾構隧道側穿臨近建筑物施工手段與監測數據進行了對比分析，希望能夠對今后的地鐵盾構施工控制土層擾動，保證臨近建筑物的安全有所幫助。

2 工程簡述

石家莊地鐵1號線體育場～北宋區間以體育場站為起點，由西向東沿中山東路敷設，至北宋為終點，區間的起始里程為K13+671.690，終止里程為K14+608.230，右線總長936.54m，左線總長938.536m。

區間沿線主要建構筑物有如家酒店、民心河橋、河北省紡織科學研究所、市科學技術局等。區間主要穿越構筑物有：在K14+050～K14+130如家酒店混6樓房，基礎埋深約3m，樓房與區間隧道凈距為1.7～9.1m（Ⅱ級風險源）；在K14+210～K14+260河北省紡織科學研究所混4樓房，基礎埋深約3m，樓房與區間隧道凈距為0.9～6m（Ⅱ級風險源）；在K14+160～K14+190民心河及跨河橋，左線隧道結構外邊緣距橋樁最小凈距約1.0m（Ⅰ級風險源）。

區間隧道主要處在粉細砂、中粗砂、細中砂、粉質粘土層中；本場區按地層巖性及其物理力學性質進一步分為7個大層，分別為雜填土、素填土，黃土狀粉土，黃土狀粉質黏土、黃土狀粉土，粉細砂、中粗砂、粉質黏土，粉質黏土、粉細砂，細中砂、中粗砂（含卵石）、卵石、粉質黏土、中粗砂（含卵石），粉質黏土。

3 本工程盾構掘進控制要點及措施

3.1 本工程盾構機選型

盾構施工具有機械化程度高、掘進速度快、安全性高、對周邊環境影響程度低等特點，它已作為一種較成熟的技術廣泛的運用于地鐵隧道施工中。在區間隧道過既有建筑物段時，根據土層特性，選擇合理的盾構機類型，對于建筑物密集區及粘性土地區可采用土壓平衡式盾構機，砂礫土層可采用泥水加壓式盾構機。石家莊1號線體育場～北宋區間盾構施工采用了土壓平衡式盾構機。

3.2 盾構掘進中施工控制要點

始發前，對于盾構機各個組成部分進行全面的維修保養，并經調試確保盾構機各系統、線路、管路等處于良好的工作狀態。（尤其注意泡沫系統和同步注漿系統是否正常工作，土壓傳感器準確顯示土壓值）。

盾構掘進時應及時根據地層情況進行添加劑的加入以改良土體（注意泡沫劑及TAC高分子材料的質量和添入量），防止結泥餅的產生，同時減少對地層的擾動，控制好掘進各項掘進參數。

嚴格控制出土量，詳細記錄每一碴斗的出土量和掘進長度的關系，根據計算確定每一斗需要掘進的長度，在掘進中嚴格控制。

3.3 為減小對周邊環境擾動采取的控制措施

施工因素（土壓力平衡的大小、襯砌后注漿是否及時、注漿填充率的大小等）對環境安全的影響很大，具體控制措施如下：

1）通過優化掘進參數，以求得土倉壓力與地層壓力平衡，保持掘進面穩定。

2）盾構在曲線上推進及盾構糾偏時，推進速度放慢，糾偏幅度不要過大，加大注漿量，加強糾偏測量等，減少地層損失，降低地面沉降量。

3）通過對盾構機中盾上開設徑向孔，及時向其中注入聚氨酯以彌補地層損失，控制地面沉降。

4）同步注漿及二次注漿的及時跟進，在確保同步注漿的注漿壓力及注漿量的同時，及時進行二次注漿，保證管片脫出盾尾后管片與圍巖之間的空隙能夠及時的填充并且快速固結，控制地面沉降。

5）繼續加強盾構掘進過程中的沉降監測，通過監測結果調整掘進參數，控制地表隆降。

4 盾構機下穿建筑物情況對比分析

4.1 側穿如家酒店

盾構機在6月4日掘進至357環（拼裝完環數，以下相同），準備側穿如家酒店；6月5日掘進至369環，單日掘進12環；6月6日掘進至378環剛剛通過與建筑物最近點；6月7日掘進至388環通過建筑物。

此施工段上部為中粗砂、粉細砂，中間為少量粉質粘土，下部為細中砂。如家酒店地質情況如下圖1所示：

圖1 如家酒店地質情況

該地層孔隙率大、土體敏感性高、自穩性差、具有抗剪性，盾構機通過刀盤切削渣土時，產生摩擦力較大，使盾體發生振動，容易對土體造成較大擾動，引起地層不均勻沉降。在砂層，同步注漿漿液擴散半徑較大，漿液流失情況較嚴重。根據理論計算，同步注漿的充盈系數一般為1.3～2，也就是（3.14?-3?）×3.14×1.2=3.24（理論空隙）；同步注漿量應在4.21 m?（3.24×1.2）～6.48 m?（3.24×2）之間。此種地層會使注漿填充系數增大，如不能及時調整注漿量，將導致空隙填充不飽滿，產生明顯下沉。

盾構掘進情況

盾構機土倉壓力是保證盾構掌子面穩定的重要因素，若土倉壓力較低，則會導致掌子面發生塌方，從而造成盾構刀盤前方0～10m位置發生明顯沉降；若土倉壓力較高，則會造成盾構刀盤前方0～10m位置發生明顯隆起。

實際上，盾構機對土體擾動大小與地質情況和盾構機土倉壓力、掘進速率等有關，盾構機盾體在到達前或通過建筑物時，會對其產生較大的沉降影響，通過后，對其產生的沉降影響較小。

根據施工單位提供的盾構機參數，在6月5日，盾構機土倉壓力保持在0.8～1.2bar。施工單位巡視時發現地表有明顯震動感，根據現場監測數據顯示，建筑物出現明顯下沉，結合地質情況及時調整了掘進速率，將土倉壓力平衡保持在1～1.2bar左右，把每環同步注漿量由6 m?增加到8m?，并且每5環和敏感部位進行二次注漿（雙液漿），每次注漿量保持在3m?～4m?；在6月6日掘進9環，此時盾構機剛剛通過與建筑物最近點，同步注漿及二次注漿漿液沒能完全凝固，建筑物有所下沉，但是較昨日沉降速率明顯減小。在6月7日掘進10環，此時盾構機通過建筑物，監測點監測數據已趨于穩定，并且建筑物各監測點累計沉降量較小。此情況說明采取的措施起到一定的效果，防止了沉降的進一步擴大。

如家酒店監測點布置及監測成果

圖2 監測點布置與隧道位置關系示意圖

從上圖2可以看出，建筑物監測點JCJ2-2、JCJ2-3、JCJ2-4距隧道較近，根據工況可知與隧道凈距最近只有1.7米，JCJ2-5、JCJ2-6距隧道較遠，與隧道凈距分別為5.4米、5.1米，因此監測點JCJ2-2、JCJ2-3、JCJ2-4受盾構施工影響相對較大，監測點JCJ2-5、JCJ2-6受盾構施工影響相對較小。

自6月4日至6月8日，在盾構掘進過程中，如家酒店建筑物沉降監測數據具體如下表1所示：

如家酒店建筑物監測點監測數據統計表 （單位：mm/d） 表1

日

期 里程 K14+117 K14+121 K14+125 K14+125 K14+131

點號 JCJ2-2 JCJ2-3 JCJ2-4 JCJ2-5 JCJ2-6

環號 368 372 375 375 380

06月04日 -0.40 -0.30 -0.10 0.00 0.00

06月05日 -2.90 -2.20 -3.50 -1.00 -1.10

06月06日 -1.50 -1.20 -1.40 -1.60 -2.00

06月07日 -0.10 -0.20 -0.10 -0.30 -0.20

06月08日 -0.20 0.20 -0.10 -0.20 0.10

累計沉降（mm） -5.10 -3.70 -5.20 -3.10 -3.20

圖3 監測點沉降速率變化曲線圖

從生成的監測點沉降速率變化曲線圖可以得出，6月4日如家酒店各沉降監測點未出現明顯變化，6月5日、6月6日各監測點沉降速率相對較大，6月7日、6月8日各監測點監測數據趨于穩定；其中各監測點沉降速率最大值發生在6月5日，部分監測點超過預警值2mm/d；且監測點JCJ2-2、JCJ2-3、JCJ2-4沉降速率相對較大，監測點JCJ2-5、JCJ2-6沉降速率相對較小；各監測點累計沉降量均較小。

可以看出，通過盾構掘進施工、監測點與隧道位置關系及監測點沉降監測成果的相互印證，使用監測成果來指導施工掘進，進行信息化施工是完全可行的。且積累的經驗在類似地質情況下近距離側穿建筑物時得到了應用，即本線路下一步的側穿民心河橋、河北省紡織科學研究所。

4.2 側穿民心河橋、河北省紡織科學研究所

根據現場施工情況，盾構機在6月8日抵達民心河，至6月15日完全通過河北省紡織科學研究所。針對相近的地質環境，施工單位以側穿如家酒店施工經驗作為指導，盾構機在側穿這兩處建（構）筑物時，對地層擾動較小，未出現異常情況。

地質情況

此施工段地質環境與如家酒店地質情況相近，上部為粉細砂、中間為粉質粘土、下部為細中砂，其中，民心河橋西側為全斷面砂層。

圖4 地質情況圖示

監測點布置與監測成果

圖5 建筑物監測點與隧道位置關系圖

從上圖5可以看出，建筑物監測點JCJ6-1、JCJ6-2、JCJ6-4、JCJ3-2距隧道較近，其中監測點JCJ3-2、JCJ6-4與隧道凈距僅有1.0m，因此受盾構施工影響相對較大。

自6月8日至6月17日，在盾構掘進過程中，距離隧道較近處建筑物監測點監測數據見下表2：

建筑物各監測點監測數據 表2

JCJ6-1 JCJ6-2 JCJ6-3 JCJ6-4 JCJ3-2

06月08日 -0.10 0.20 -0.10 0.30

06月09日 -0.10 -0.10 0.20 -0.20

06月10日 -0.20 -0.10 -0.20 -0.40

06月11日 -0.10 -0.20 -0.40 -0.30

06月12日 0.10 -0.10 0.40 -0.30 -0.10

06月13日 0.10 -0.10 -0.20 0.20 -0.60

06月14日 -1.20

06月15日 -0.70

06月16日 -0.50

06月17日 0.20

累計沉降（mm） -0.30 -0.40 -0.30 -0.40 -2.90

圖6 監測點沉降速率變化曲線圖

從上圖6各監測點沉降速率變化曲線可知，各監測點監測數據穩定，只有監測點JCJ3-2在6月14日日變化量超過1mm，其它監測點日變化量較小，各監測點累計沉降量均較小，沒有發生預警情況，進一步說明采取的施工措施得當，保證了施工的順利進行。

5 結論

盾構隧道施工引起了周邊環境初始應力狀態的改變，這種因受力狀態的改變而造成的周邊地表、建（構）筑物、管線等的變化在影響較大時，難免會引起周邊地面塌陷或建筑物的不均勻沉降、傾斜等，從而造成較大的損失。本文通過對石家莊1號線盾構施工段地質情況與監測成果數據的結合分析，綜合判斷不同的參數狀態下盾構隧道掘進對臨近建筑物產生的影響。通過施工與監測的緊密結合，分析引起變形的原因，對盾構掘進施工參數進行調控，阻止沉降的進一步發展，確保周邊環境安全：

1）土倉壓力的設置，偏小時導致沉降加大；

2）隨著盾構機掌子面距建筑物平面位置的變化，監測點的變化速率不斷變化，距離較近時沉降較大，遠離時沉降較小并逐漸穩定；

3）在掘進參數設置恰當，注漿量及注漿時間的把握準確時，近距離側穿淺埋基礎建筑物依然可以保證建筑物的安全與穩定；

因此掌握此類地層中盾構機掘進參數和建筑物沉降的相關關系，在今后類似的地質條件并采取安全有效的施工措施下，使盾構確定合適的施工參數，能夠為盾構機側穿臨近淺埋建筑物的施工安全奠定基礎；同時，結合監測數據結果調整注漿的點位和注漿壓力等相關參數，能夠真正做到信息化動態施工管理，為今后石家莊的地鐵建設提供很好的施工參考。

參考文獻

（1） 城市地鐵暗挖區間監測成果及數據分析《都市快軌交通》2005年 第4期 王文通

（2） 地鐵變形監測方案設計與變形分析[J]；測繪信息與工程；2010年06期 張正祿；孔寧；沈飛飛；盧凌燕

（3） 有關盾構機工程施工工藝的實例分析 [期刊論文]《廣東科技》，2014年 陳耀波