張立亞，張宏梅，鄧喀中，龍四春，陳清松

(1. 湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201; 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221118)

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地鐵盾構(gòu)隧道切樁穿越建筑群的沉降影響分析

張立亞1，張宏梅2，鄧喀中3，龍四春1，陳清松2

(1. 湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201; 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221118)

地鐵盾構(gòu)隧道通常不可避免地會(huì)穿越城市密集的建筑樓群，盾構(gòu)切樁穿越會(huì)對(duì)住宅樓的形變產(chǎn)生較大的影響。本文使用TS30測(cè)量機(jī)器人對(duì)深圳某小區(qū)的9—13號(hào)樓群在盾構(gòu)切樁穿越過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：同一幢建筑物上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致，離中線越近，沉降變化越大，反之沉降較??；相同距離切樁數(shù)量越多，相應(yīng)建筑變形越大；刀盤到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方切樁時(shí)，下沉突然增加，此時(shí)下沉速度最快，達(dá)1.49 mm/m；刀盤脫離房屋時(shí)，下沉繼續(xù)增加，從刀盤進(jìn)入房屋到盾尾脫離房屋期間，累計(jì)下沉占總沉降量的60%以上；房屋長(zhǎng)邊上監(jiān)測(cè)點(diǎn)距中線垂直距離大于15 m時(shí)，沉降值小于5 mm，可以減少監(jiān)測(cè)布點(diǎn)個(gè)數(shù)；距離大于30 m時(shí)，沉降值小于3 mm，可以不再布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這些研究可為后期建立盾構(gòu)隧道不同埋深時(shí)與建筑物沉降的函數(shù)關(guān)系提供數(shù)據(jù)資料，也為以后盾構(gòu)切樁穿越既有建筑群變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

盾構(gòu)切樁；穿越建筑群；測(cè)量機(jī)器人；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

我國(guó)當(dāng)前交通的格局已滿足不了城市發(fā)展的要求，由于城市規(guī)劃已成既定格局，土地資源非常有限，軌道交通的優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)。城市地鐵隧道往往通過(guò)城市中心繁華地帶，區(qū)域情況復(fù)雜，傳統(tǒng)的施工方法不再適合，盾構(gòu)法地鐵隧道開(kāi)挖是一個(gè)最好的選擇，它具有安全、可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度低、對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)地層及臨近房屋的干擾將是不可避免的。文獻(xiàn)[1—5]使用不同的方法和模型研究了地鐵盾構(gòu)對(duì)臨近房屋的影響；文獻(xiàn)[6—9]研究了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵隧道中的應(yīng)用，但應(yīng)用都受到限制，穩(wěn)定性較差；文獻(xiàn)[10—12]討論了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟、硬件構(gòu)成，并證明監(jiān)測(cè)精度滿足實(shí)際預(yù)警的要求。在地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中，要求安全監(jiān)測(cè)及時(shí)、快速、準(zhǔn)確，顯然傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)不能滿足這些要求，而測(cè)量機(jī)器人(如本文使用的徠卡TS30)具有高智能、高精度、方便編程、實(shí)時(shí)、全天候、能適應(yīng)惡劣條件的特點(diǎn)，正被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

本文以深圳在建九號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道切樁穿越某小區(qū)9—13號(hào)建筑樓群為例，在左、右線分別穿越切樁過(guò)程中，使用測(cè)量機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)房屋群的動(dòng)態(tài)沉降變形量，將房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為隧道中心線上、隧道左右邊界上、隧道邊界之外3大類進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，中心線和邊界上的點(diǎn)主要沉降量集中在從盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入到盾尾離開(kāi)房屋的時(shí)間段內(nèi)(包含切樁)，占總沉降量的60%以上，房屋長(zhǎng)邊點(diǎn)距中心線垂直距離超過(guò)15 m后，各點(diǎn)累計(jì)沉降量均小于5 mm，距離超過(guò)30 m后，沉降值均小于3 mm，此時(shí)無(wú)需再布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本文研究結(jié)果對(duì)深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工具有重要的工程實(shí)踐意義。

一、工程概況

本次監(jiān)測(cè)的建筑群位于深圳地鐵九號(hào)線某區(qū)間，隧道左、右線中線間距19 m，其中9—13號(hào)樓需切樁穿越，共切除137根樁基，其中左線9號(hào)樓切樁17根、10號(hào)樓30根、11號(hào)樓22根，右線9號(hào)樓切樁27根、13號(hào)樓17根、12號(hào)樓24根，切除長(zhǎng)度為0.3～2.5 m，左、右線先后6次穿越，樓下區(qū)間達(dá)100.5 m，左線穿越9號(hào)樓、10號(hào)樓、11號(hào)樓，右線穿越9號(hào)樓、13號(hào)樓、12號(hào)樓，隧道埋深11～16 m，樓群與盾構(gòu)隧道的相對(duì)位置如圖1所示。

1. 地質(zhì)情況

原始地貌為河谷沖洪積平原，現(xiàn)經(jīng)過(guò)人工回填，場(chǎng)地地勢(shì)平坦，標(biāo)高為4.06～6.12 m。盾構(gòu)下穿地層從上到下依次為：素填土、淤泥質(zhì)土、中粗砂、礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中等風(fēng)化花崗巖。

2. 建筑群情況介紹

某小區(qū)9號(hào)樓、10號(hào)樓、11號(hào)樓、12號(hào)樓、13號(hào)樓是1987～1989年修建的住宅樓，皆采用沉管灌注樁基礎(chǔ)，樁徑0.34 m，樁底絕對(duì)標(biāo)高-6.15～-10.8 m，小區(qū)地表絕對(duì)標(biāo)高5.7～5.85 m，房屋高7層，無(wú)地下室，9號(hào)樓、11號(hào)樓樁尖進(jìn)入礫質(zhì)亞黏土層5 m左右，其余3棟樓樁尖進(jìn)入礫砂層2 m左右。

二、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

1. 儀器設(shè)備

本次施工使用1臺(tái)徠卡TS30測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，開(kāi)始將儀器架設(shè)在13號(hào)樓樓頂，監(jiān)測(cè)左線9號(hào)樓、10號(hào)樓、11號(hào)樓的沉降，當(dāng)左線盾尾脫離11號(hào)樓、右線刀盤距13號(hào)樓還有1環(huán)時(shí)，儀器換站到10號(hào)樓，主要監(jiān)測(cè)右線13號(hào)樓和12號(hào)樓，此時(shí)11號(hào)樓已基本穩(wěn)定。儀器、后視點(diǎn)的布設(shè)情況如圖1所示。

圖1　某小區(qū)9—13號(hào)樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2. 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》要求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在房屋承重構(gòu)件或基礎(chǔ)的角點(diǎn)上，長(zhǎng)邊測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)加密。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)都布設(shè)在屋頂以便保護(hù)和實(shí)時(shí)觀測(cè)。為研究盾構(gòu)切樁穿越過(guò)程房屋群的沉降規(guī)律，現(xiàn)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為3類研究分析：隧道中心線上、隧道左右邊界上、隧道邊界之外，分類情況見(jiàn)表1和表2。

表1　左線樓群監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)

3. 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為便于數(shù)據(jù)分析，坐標(biāo)軸作如下規(guī)定：

橫坐標(biāo)：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)到盾構(gòu)機(jī)刀盤的水平距離，單位為m；以監(jiān)測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向?yàn)檎聪驗(yàn)樨?fù)。

表2　右線樓群監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)

縱坐標(biāo)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)累計(jì)沉降值，單位為mm；抬升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。

(1) 盾構(gòu)左線切樁穿越時(shí)數(shù)據(jù)分析

① 左線中心線相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

結(jié)果如圖2和表3所示。

圖2　左線中心線上房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)沉降過(guò)程曲線

左線中線刀盤進(jìn)房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點(diǎn)號(hào)距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值/mm備注/根9號(hào)6513-1.50.3 15 -2.8 24 -2.868-0.77-3.5 6515-13.5-0.23-2.712-3.029-0.67-4.61710號(hào)651908.50519.5-14.45426.7-12.7 -1.2 -16.555 6517-19.513.4770.0-4.4617.2-11.1-0.92-12.83011號(hào)6529-4.913.1 10.1 7.225.13.5-0.3216.326527-12.912.72.18.417.14.0-0.2914.88822

注：備注為盾構(gòu)機(jī)在穿越每棟樓的切樁具體數(shù)；斜率為下沉最快階段平均每米沉降量。

a. 9號(hào)樓沉降變化平緩，沉降值在-4.8～0.3 mm之間波動(dòng)；10號(hào)樓變化起伏最大，開(kāi)始沉降值為13.6 mm，到盾構(gòu)結(jié)束時(shí)為-12.8 mm，累計(jì)變化量26.4 mm；6519監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始沉降值為9.7 mm，到盾構(gòu)結(jié)束時(shí)為-16.555 mm，累計(jì)變化量26.255 mm。由于在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)11號(hào)樓之前進(jìn)行地面注漿，11號(hào)樓初始抬升值比較大。

b. 盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入房屋后，下沉增加，刀盤到監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方切樁時(shí)下沉速度最快，刀盤脫離房屋時(shí)，下沉增加速度較快，從刀盤進(jìn)入房屋到盾尾脫離房屋，下沉一直增加。

c. 同一幢房屋在中心線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化趨勢(shì)一致。

② 左線邊界相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

結(jié)果如圖3和表4所示。

左線邊界刀盤進(jìn)房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點(diǎn)號(hào)距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值mm備注/根9號(hào)6514-右界-11.5 -0.3 5 -3.4 14 -3.770-0.8 -4.1866516-左界-17.0-0.7-0.5-1.78.5-1.791-0.31-4.91710號(hào)6518-左界-3.513.51116.0 -14.33023.2-16.3 -1.49-17.7166520-右界2.01.52321.5-6.39128.7-7.4-0.4-8.73011號(hào)6528-左界-7.415.7 7.6 9.022.64.7 -0.35 18.9686530-右界-2.93.812.10.427.1-1.3-0.196.55622

注：備注為盾構(gòu)機(jī)在穿越每棟樓的切樁具體數(shù)；斜率為下沉最快階段平均每米沉降量。

a. 同一幢房屋在邊界上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化趨勢(shì)一致。

b. 同一幢建筑物右邊界的初始沉降值都小于左邊界，穿越過(guò)程中，9號(hào)左右邊界點(diǎn)沉降量差別不大，10號(hào)、11號(hào)樓的沉降變化量均是左邊界大于右邊界。

c. 刀盤到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方時(shí)，下沉突然增加，沉降速度比其他時(shí)候都快。

③ 左線邊界之外監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律小結(jié)

a. 離中線垂直距離越近，變化趨勢(shì)越接近于中心線上的點(diǎn)，變化趨勢(shì)越相似，波動(dòng)越大，越遠(yuǎn)波動(dòng)幅度越小。

b. 10號(hào)樓房屋長(zhǎng)邊上距中線垂直距離大于15 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降小于4 mm。

c. 11號(hào)樓6533、6534監(jiān)測(cè)點(diǎn)距中線垂直距離大于28 m，沉降值小于3 mm。

d. 11號(hào)樓所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)都與中線監(jiān)測(cè)點(diǎn)6529變化趨勢(shì)一致，離中心線越遠(yuǎn)波動(dòng)幅度越小，越近波動(dòng)幅度越大，越近與6529曲線相似度越高。

(2) 盾構(gòu)右線切樁穿越時(shí)數(shù)據(jù)分析

① 右線中心線相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

結(jié)果如圖4和表5所示。

圖4　右線中心線上房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)沉降過(guò)程曲線

右線中線刀盤進(jìn)房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點(diǎn)號(hào)距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值/mm備注/根9號(hào)6541(7014) 0.7 018.1-7.925.6-10.3-0.41-11.86538(7016)-12.80.54.6-8.812.1-10.6-0.36-122713號(hào)7019 -8.9-0.4 1.6-5.7 6.4 -9.6-0.29-11.17021 3.0-1.713.5-7.518.3-11.1-0.28-12.21712號(hào)7035 1.6-4.816.0-17.5 21.9-10.3-0.47-18.924

a. 9號(hào)樓由于儀器換站的緣故，沉降出現(xiàn)一個(gè)較大的波動(dòng)點(diǎn)。

b. 12號(hào)樓7035監(jiān)測(cè)點(diǎn)距刀盤17.4 m時(shí)，沉降達(dá)最大值-18.9 mm，接近最大限值-20.0 mm，地面洞內(nèi)同步注漿，距刀盤18.9 m時(shí)，由于注漿的緣故，沉降迅速減小到-13.0 mm，之后繼續(xù)減小。

② 右線邊界相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

結(jié)果如圖5和表6所示。

圖5　右線邊界之上房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)沉降過(guò)程曲線

右線邊界刀盤進(jìn)房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點(diǎn)號(hào)距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm平均下沉/(mm/m)最大值/mm備注/根9號(hào)7013-右界-10.50.76.9-1.814.4-2.0-0.33-2.37015-左界-2.7-0.314.7-4 22.2-4.3-0.21-5 7012-右界3 -0.320.4-3.127.9-4.3-0.15-5 2713號(hào)7020-右界-2.5-1.18.0-7.112.8-11.7-0.69-13.57022-左界6.2-2.016.7-7.421.5-10.5-0.56-10.87023-左界-11.5-0.2-1.0-4.83.8-7.9-0.5 -9.21712號(hào)7034-右界4.8-4.619.2-12.025.1-12.1-0.32-13.47036-左界-1.2-3.913.2-13.819.1-10.1-0.39-15.524

同一幢房屋邊界監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致；相同距離內(nèi)切樁數(shù)量越多，相應(yīng)房屋下沉越大。

③ 右線邊界之外監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律小結(jié)

a. 離中線越近，沉降變化越大，且越接近中線沉降變化曲線，越遠(yuǎn)沉降變化越小。

b. 13號(hào)樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)距中線垂直距離大于30 m時(shí)，沉降小于3 mm，長(zhǎng)邊上距中線垂直距離大于16 m，沉降小于3 mm；12號(hào)樓距中線垂直距離大于18.6 m，沉降小于3 mm。

三、結(jié)　論

本文分析總結(jié)了地鐵隧道盾構(gòu)切樁穿越建筑群時(shí)房屋的沉降變形規(guī)律，得到如下結(jié)論:

1) 將房屋上的點(diǎn)分為3類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：中心線相應(yīng)點(diǎn)、左右邊界上的點(diǎn)、邊界之外點(diǎn)。同類點(diǎn)在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程表現(xiàn)出相似的沉降規(guī)律，且離中線越近，沉降變化越大，反之，沉降越小。

2) 從刀盤進(jìn)入房屋到盾尾脫離房屋，下沉一直增加，累計(jì)下沉占總沉降量的60%以上；盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入房屋后，下沉增大，刀盤到監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方切樁時(shí)下沉速度最快，達(dá)1.49 mm/m;刀盤脫離房屋時(shí)，下沉增加速度較快。應(yīng)增大從刀盤進(jìn)入到盾尾脫離建筑物期間的監(jiān)測(cè)頻率。

3) 房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)距中線垂直距離大于30 m時(shí)，點(diǎn)的沉降量很小(小于3 mm)，無(wú)需再布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。因?yàn)榍袠兜挠绊懀沟帽O(jiān)測(cè)范圍不符合傳統(tǒng)按2倍隧道直徑設(shè)計(jì)。

4) 房屋長(zhǎng)邊上監(jiān)測(cè)點(diǎn)距中線垂直距離大于15 m時(shí)，沉降小于5 mm，可少布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

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Settlement Impact Analysis of Metro Shield Tunnel Crossing Building Group with Cutting Stakes

ZHANG Liya,ZHANG Hongmei,DENG Kazhong,LONG Sichun,CHEN Qingsong

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0262.

2015-06-11；

2016-01-12

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(13C313)；湖南省科技廳科技計(jì)劃(2014FJ3104)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41474014)

張立亞(1982—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)樽冃伪O(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理。E-mail：lyzhang47@163.com

P258

B

0494-0911(2016)08-0081-05

引文格式：張立亞，張宏梅，鄧喀中,等. 地鐵盾構(gòu)隧道切樁穿越建筑群的沉降影響分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(8)：81-85.