復雜地層盾構下穿敏感建筑群沉降控制研究

王歡

摘要：隨著城市化進程的加速，地鐵作為一種便捷的交通工具得到廣泛應用，其建設過程中所帶來的影響也愈發凸顯。地鐵隧道建設對周邊環境和敏感建筑群體的影響是一個不容忽視的問題。以復雜地質條件下地鐵盾構隧道施工過程中敏感建筑群的沉降控制為研究對象。通過綜合運用理論分析和數值模擬的方法，探討了沉降控制的主要影響因素和優化方法，提出了有效的控制措施，為地鐵隧道建設提供了一定的參考。

關鍵詞：地鐵盾構隧道?敏感建筑集群?沉降控制?數值模擬

中圖分類號：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

當今，地鐵建設已成為大多數城市現代化進程中必不可少的組成部分。針對敏感建筑團體的沉降控制問題，國內學者在該領域的研究取得了很大進展。張磊[1]依托雙螺旋盾構機防噴涌特性，通過三維有限元整體分析法等手段，有效抑制周邊建筑物和地表沉降；周德梁等人[2]建立二維平面應變模型，分析不同地層條件下多個因素對地表土體變形的影響規律。陸宏朝等人[3]通過有限元模擬、現場自動化監測等一系列主動控制措施，形成一整套盾構下穿老舊村莊的沉降控制方法；韓旭[4]通過實測數據、數值模擬、正交試驗對盾構引起的地層及建筑物沉降變形規律進行研究，最后通過BP神經網絡建立沉降預測模型，為類似工程提供了參考；甄成[5]建立了基于工程實際的微擾動變形控制體系，提出可應用工程實際的微擾動變形控制措施。

1沉降機理與影響因素分析

1.1?盾構隧道施工對周邊環境的影響

盾構隧道下穿敏感建筑群時對周邊環境的影響是不可避免的。其中，地面沉降是最顯著的影響因素之一。沉降主要由隧道掘進過程中土層的破壞和擠壓形成的沉降槽所引起。

沉降槽的形成過程可以分為3個階段：第一階段是隧道掘進階段，土層受到破壞和擠壓，形成了一個開挖斷面大小相同的土體缺口；第二階段是穩定階段，即隧道開挖停止后，土體開始重新排列，并恢復一部分原有的強度；第三階段是沉降階段，隨著時間的推移，土體繼續緩慢沉降，直至達到穩定狀態。

1.2?沉降影響因素分析

盾構施工中，沉降受多個因素影響，如盾構機工作狀態、土體力學特性和地下水位。為合理控制沉降量，需進行這些因素的分析和控制。下面從盾構機工作狀態、土體力學特性和地下水位3個方面進行分析。

1.2.1盾構機工作狀態

盾構機的工作狀態是影響下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。盾構機施加在土體上的切割力和推進力會導致土體位移，引發地表沉降。此外，未充分預處理地層會導致地下水流出，影響周圍土體的物理力學特性，進而引起不穩定的地表沉降。

1.2.2土體物理力學特性

土體的物理力學特性是影響盾構隧道下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。在盾構機開挖過程中，周圍土體的物理力學特性會發生變化，如壓縮模量、剪切模量和黏聚力等特性會改變，從而導致地表沉降。土體的壓縮程度和孔隙度等參數也會對沉降產生一定影響[6]。

1.2.3盾構隧道的直徑和深度

盾構隧道的直徑和深度是影響其下穿敏感建筑群沉降的重要因素。隧道直徑決定了土體開挖量和施工時的地下應力分布。隧道深度則決定了地下水位對沉降的影響程度與周圍土體應力分布。

2工程概況

2.1區間工程概況

石家莊市城市軌道交通4號線一期工程四工區項目起訖樁號YK12+874.528—YK16+707.072，共計3個區間。體育公園站—南王站區間為第一個區間，左右線均1?313.0延米，選用盾構法施工，設計外徑6?200?mm，內徑5?500?mm，采用環寬1?200?mm，厚度350?mm拼裝而成，另有附屬結構2座聯絡通道（1座含泵）。

2.2工程地質及水文地質

車站、區間隧道主要穿越粉質黏土、粉細砂層等，底板主要位于粉質黏土層。具體地質巖土參數如圖1所示。

3工程重難點

本項目沿線穿越建構筑物多，建構筑物基礎形式多樣，對沉降影響敏感，如沉降控制不好，產生的社會影響極大，因此采取有效的沉降控制措施確保建筑物安全是本工程施工安全管理的重難點。

（1）線路沿城市主干道設置，盾構掘進施工對道路結構安全及周邊地層產生影響，易造成道路沉降、塌陷、隆起等現象發生。（2）線路上下穿大量城市主管道，體育公園站—南王站區間盾構上穿塔北路綜合管廊，隧道底距離管頂最小豎向凈距約3.981?m易發生管道變形、斷裂等現象。（3）線路穿越建（構）筑物，體育公園站—南王站左、右線區間盾構下穿市科技合作與創新平臺中心，隧道距離建筑物基礎最小豎向凈距約9.8?m；下穿南二環高架匝道路基段，隧道距離路基段基礎最小豎向凈距約13.50?m；盾構掘進引起的地層損失易引起周邊建筑物基礎的不均勻沉降，致使建筑物損壞。

4?建模模擬

選取體-南區間的截面進行計算，為了簡化建模和計算過程，假設地層為層狀分布。先以圖1為例進行建模介紹，在土力學中地基的附加應力一般采用彈性理論，可以假定地基土為各向同性、均勻連續的彈性體。在彈性模型中，土中應力大小只與各土層彈性模量比值相關，而與彈性模型的具體大小無關。通過模型分析，得到土體及管片節點沉降結果如圖2所示。已經注漿完成的土體及上層管片沉降了約90?mm，但在開挖截面上土體及上層管片隆起了約40?mm。可以預見的是，當開挖截面不斷向前推進，后方的土體及上層管片最終會形成約90?mm的沉降。

5沉降控制方案設計

為了有效控制盾構施工引起的建筑物沉降，本文設計了一套完整的沉降控制方案，包括建筑物基礎加固、盾構隧道施工參數調整、地鐵運營期間的沉降監測和控制等措施。具體內容如下。

5.1建筑物基礎加固設計

通過對建筑物的基礎進行加固和加厚，可以使其承載能力增強，減少盾構施工引起的沉降量?；A加固設計應結合建筑物的具體情況和盾構施工參數進行綜合考慮，采用不同的加固措施，如加設鋼筋混凝土梁、加厚基礎等。同時也應考慮到后續地鐵運營期間可能引起的沉降，采取相應的措施進行預防和控制。

5.2盾構隧道施工參數調整方案的設計

盾構隧道施工參數的調整可有效減少建筑物沉降。通過調整掘進速度、注漿壓力、掘進姿態等參數，可以實現地層的平衡掘進和均衡沉降。此外，優化盾構機的施工方式，如改變推進方向、調整隧道截面等，也可以減少沉降量。施工參數的調整方案應根據具體情況進行綜合考慮，采取適當的措施。

5.3地鐵運營期間沉降監測與控制方案的設計

地鐵運營期間可能引起建筑物沉降，因此需要進行監測和控制。監測包括地鐵運營前后的沉降數據以及不同時間段的沉降速率等參數。針對監測數據制定相應的沉降控制方案。一般來說，如果建筑物的沉降量超過規定的限值，就需要采取相應的控制措施?？刂拼胧┌庸探ㄖ锘A、增加地鐵車站的支撐力等。

5.4盾構隧道施工過程中沉降監測與控制方案的設計

盾構隧道施工過程中的沉降監測與控制是確保施工安全的關鍵。應設置監測點并定期監測施工過程中的沉降情況。監測數據應及時反饋給施工人員，以便采取及時的控制措施。沉降控制措施包括調整施工參數、加固地基和提高隧道支撐力等?？刂拼胧鶕O測數據和實際情況進行綜合考慮[7]。

5.5盾構隧道下穿敏感建筑群的風險評估與管理

在盾構隧道下穿敏感建筑群時，需要進行風險評估并采取相應的風險管理措施。風險評估應考慮地質情況、建筑物結構和盾構隧道施工參數等各種風險因素。根據評估結果，制定相應的風險管理措施，如加固建筑物、改變施工方式和增加監測點等。

5.6盾構隧道施工的環境保護措施

盾構隧道施工會對周圍環境產生噪聲、震動和揚塵[8]。為減少這些影響，需要采取相應的環境保護措施。例如：在施工現場設置垃圾箱和清洗車，減少垃圾和污染物的排放；進行噪聲和震動監測，控制噪聲和震動的產生；進行覆蓋和濕化處理，減少揚塵污染，等等。

綜上所述，對盾構隧道下穿敏感建筑群的沉降控制方案、風險評估與管理、環境保護措施等進行了分析和探討。本文設計的沉降控制方案綜合考慮了地鐵建設的特點和實際情況，對保障盾構隧道施工的安全和周圍建筑物的穩定具有重要意義。同時，本文提出的環境保護、安全管理和質量管理措施也為盾構隧道施工提供了有力保障。

6結語

本研究為盾構隧道下穿敏感建筑群的沉降控制提供了一種可行的方案，但仍有許多問題需要進一步研究。例如：如何準確地預測盾構隧道施工對建筑物的沉降和變形影響，以及如何實現沉降控制方案的實際施工等問題，都需要進一步研究和探索。此外，還可以探究其他控制方案，如加固建筑物地基、改變盾構隧道的施工方式等，以提高控制效果和減少施工對周邊環境的影響。

參考文獻

• 張磊.雙螺旋盾構連續穿越古建筑群沉降控制探索與應用[J].低溫建筑技術，2019，41（10）：117-120，124.
• 周德梁，鄧向振，朱利明.盾構下穿復雜地層地表土體變形規律研究[J].工業建筑，2023，53（S1）：456-460+433.
• 陸宏朝，李鵬，郭峰，等.富水砂層盾構下穿老舊村莊沉降控制研究[J].廣東土木與建筑，2023，30（2）：86-89.
• 韓旭.青島沙嶗區間盾構下穿既有建筑物沉降機理及預測研究[D].青島：青島理工大學，2022.
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• 胡夢濤，李大華，張自光.合肥地鐵某盾構區間土倉壓力理論計算[J].湖南工業大學學報，2021，35（6）：17-23.
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• 金雅妮.盾構沿復雜線形穿越敏感建筑群安全風險控制研究[J].路基工程，2022（3）：222-226.