基于地鐵盾構施工引起的建筑物沉降特征研究

李 志 建

(中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006)

0 引言

目前地鐵隧道建設正處于加速發展階段，全國越來越多的城市興建地鐵。地鐵線路一般下穿城市中心地段，經過建筑物密集區。因此，地鐵隧道盾構開挖產生的地層擾動、地表下沉等，容易引起周邊建筑物發生傾斜、沉降。建筑物的沉降變形輕則引起結構破損，重則發生倒塌而危及人民生命財產安全。因此，地鐵盾構施工對周邊建筑物的監測及預測是地鐵建設中需解決的問題。

1 盾構施工對鄰近建筑物的影響機理

地面建筑物的變形是由于地層擾動傳遞給建筑物基礎而引起的。在隧道盾構推進過程中地表將產生各種各樣的變形，例如：下沉、傾斜、水平位移等。建筑物也將受到這些變形的影響。由于建筑物具有一定結構且具有承受附加內力的能力，故建筑物變形與地表變形規律有所不同。建筑物的變形與地表變形之間的相互關系，是與建筑物基礎的材料、使用年限、結構、長度、寬度、深度、荷載以及地基地質條件、建筑物平面形狀等有關。

地鐵隧道開挖打破了地層的原有的平衡，從而隧道周圍的應變場及應力等發生變化，水位也將發生改變，導致上層土體的沉降和固結，進而擴展到附近建筑物地基下面，并由地基傳遞給建筑物基礎，再往上傳遞給建筑結構，引起結構的附加內力和變形，或者傾斜、倒塌。同時，由于建筑物的存在，其自重與基礎剛度也約束了地層的運動，從而影響隧道圍巖應力應變場的變化幅度和變化范圍。因此，隧道與鄰近建筑物是相互作用、相互制約的，其影響機理具有復雜性和多樣性[1,2]。

2 工程實例分析

本文主要通過對某城市某號線地鐵某區間左右線240環～300環之間建筑物海關宿舍樓沉降監測數據進行分析。該建筑物為混凝土框架結構，地面以上共7層約21 m。其樁基礎為錘擊灌注樁，長14.5 m，離隧道拱頂垂直距離約1.5 m。樁基礎周圍土層主要是全風化變質砂巖和強風化變質砂巖層，地質條件較差且離隧道拱頂距離較近(平面位置如圖1所示)，中間區域為該建筑物位置，周邊條形區域為盾構隧道施工區域，HG1,HG2,HG9,HG10為布置的四個沉降監測點。

2.1 實測數據分析

對4個沉降監測點每天監測一次，連續進行44期沉降監測，并計算每期的累計沉降量，同時依據沉降量繪制了其變化趨勢圖，如圖2所示。

由圖2可得出：

1)監測點HG1的累計沉降量最大，最大累計沉降量達35 mm，HG9累計沉降量最小達13 mm左右。

2)由于隧道前期為主要施工階段，后期為襯砌及加固階段，故四個監測點在1期～20期變化速率較大，平均為每期0.8 mm～1.5 mm變化。20期以后的累計沉降量變化趨勢基本處于穩定狀態。

2.2 實測數據建模及預測

1)數學模型的選取。

根據四個監測點的變化趨勢，本文選擇二次多項式趨勢模型來進行數學建模。表達式見式(1)：

y=b0+b1t+b2t2+ε

(1)

其中,b0,b1,b2為二次模型參數；t,y分別為自變量期數、因變量累計沉降量。

2)參數計算。

根據最小二乘法準則，對模型參數進行估計，其原理為：

(2)

(3)

計算得出四個監測點的參數，如表1所示。圖3為各監測點擬合曲線圖。

表1 各監測點參數表

表2 各監測點的二次曲線模型

點號二項式曲線模型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 監測點的相關系數表

表4 預測結果與實際觀測值對比表

從而得出模型表達式見表2。

3)模型檢驗。

通過對4個監測點的相關系數進行計算，結果如表3所示。

查閱相關系數檢驗表(自由度取n-2，此處n=40)，獲得臨界值rα=0.316，則|r|>rα，模型均通過檢驗。

4)基于該模型的沉降預測及檢驗。

根據表2模型，對各監測點的41期～45期的累計沉降量進行預測，并與實測數據進行對比，結果如表4所示。

由表4得出，模型最大預測偏差為2.76 mm，最小預測偏差僅為0.24 mm，預測結果較為準確，滿足實際工程監測精度要求，能將預測的結果應用于實際工程。

3 結語

通過論述隧道盾構施工對鄰近建筑物的影響機理，然后通過對海關宿舍樓的實際監測數據分析得出其沉降變化的一般規律，最后通過對其監測的數據進行二次多項式數學建模，并根據該模型對后幾期的監測數據進行預測，然后用實際監測數據進行驗證，滿足精度要求，得出該數學模型能夠預測該監測項目的后期變化規律。

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