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(yīng)用，其建設(shè)過程中所帶來的影響也愈發(fā)凸顯。地鐵隧道建設(shè)對周邊環(huán)境和敏感建筑群體的影響是一個不容忽視的問題。以復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)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(shù)值模擬的方法，探討了沉降控制的主要影響因素和優(yōu)化方法，提出了有效的控制措施，為地鐵隧道建設(shè)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)隧道?敏感建筑集群?沉降控制?數(shù)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(dāng)今，地鐵建設(shè)已成為大多數(shù)城市現(xiàn)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(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究取得了很大進展。張磊[1]依托雙螺旋盾構(gòu)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(yīng)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(guī)律。陸宏朝等人[3]通過有限元模擬、現(xiàn)場自動化監(jiān)測等一系列主動控制措施，形成一整套盾構(gòu)下穿老舊村莊的沉降控制方法；韓旭[4]通過實測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬、正交試驗對盾構(gòu)引起的地層及建筑物沉降變形規(guī)律進行研究，最后通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立沉降預(yù)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(yīng)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(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境的影響

盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群時對周邊環(huán)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(wěn)定階段，即隧道開挖停止后，土體開始重新排列，并恢復(fù)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(xù)緩慢沉降，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2?沉降影響因素分析

盾構(gòu)施工中，沉降受多個因素影響，如盾構(gòu)機工作狀態(tài)、土體力學(xué)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(gòu)機工作狀態(tài)、土體力學(xué)特性和地下水位3個方面進行分析。

1.2.1盾構(gòu)機工作狀態(tài)

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

1.2.2土體物理力學(xué)特性

土體的物理力學(xué)特性是影響盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑物沉降的重要因素之一。在盾構(gòu)機開挖過程中，周圍土體的物理力學(xué)特性會發(fā)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(dǎo)致地表沉降。土體的壓縮程度和孔隙度等參數(shù)也會對沉降產(chǎn)生一定影響[6]。

1.2.3盾構(gòu)隧道的直徑和深度

盾構(gòu)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?jīng)Q定了土體開挖量和施工時的地下應(yīng)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(yīng)力分布。

2工程概況

2.1區(qū)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(qū)項目起訖樁號YK12+874.528—YK16+707.072，共計3個區(qū)間。體育公園站—南王站區(qū)間為第一個區(qū)間，左右線均1?313.0延米，選用盾構(gòu)法施工，設(shè)計外徑6?200?mm，內(nèi)徑5?500?mm，采用環(huán)寬1?200?mm，厚度350?mm拼裝而成，另有附屬結(jié)構(gòu)2座聯(lián)絡(luò)通道（1座含泵）。

2.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

車站、區(qū)間隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、粉細砂層等，底板主要位于粉質(zhì)黏土層。具體地質(zhì)巖土參數(shù)如圖1所示。

3工程重難點

本項目沿線穿越建構(gòu)筑物多，建構(gòu)筑物基礎(chǔ)形式多樣，對沉降影響敏感，如沉降控制不好，產(chǎn)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(shè)置，盾構(gòu)掘進施工對道路結(jié)構(gòu)安全及周邊地層產(chǎn)生影響，易造成道路沉降、塌陷、隆起等現(xiàn)象發(fā)生。（2）線路上下穿大量城市主管道，體育公園站—南王站區(qū)間盾構(gòu)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(fā)生管道變形、斷裂等現(xiàn)象。（3）線路穿越建（構(gòu)）筑物，體育公園站—南王站左、右線區(qū)間盾構(gòu)下穿市科技合作與創(chuàng)新平臺中心，隧道距離建筑物基礎(chǔ)最小豎向凈距約9.8?m；下穿南二環(huán)高架匝道路基段，隧道距離路基段基礎(chǔ)最小豎向凈距約13.50?m；盾構(gòu)掘進引起的地層損失易引起周邊建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降，致使建筑物損壞。

4?建模模擬

選取體-南區(qū)間的截面進行計算，為了簡化建模和計算過程，假設(shè)地層為層狀分布。先以圖1為例進行建模介紹，在土力學(xué)中地基的附加應(yīng)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(xù)的彈性體。在彈性模型中，土中應(yīng)力大小只與各土層彈性模量比值相關(guān)，而與彈性模型的具體大小無關(guān)。通過模型分析，得到土體及管片節(jié)點沉降結(jié)果如圖2所示。已經(jīng)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?？梢灶A(yù)見的是，當(dāng)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(shè)計

為了有效控制盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降，本文設(shè)計了一套完整的沉降控制方案，包括建筑物基礎(chǔ)加固、盾構(gòu)隧道施工參數(shù)調(diào)整、地鐵運營期間的沉降監(jiān)測和控制等措施。具體內(nèi)容如下。

5.1建筑物基礎(chǔ)加固設(shè)計

通過對建筑物的基礎(chǔ)進行加固和加厚，可以使其承載能力增強，減少盾構(gòu)施工引起的沉降量?；A(chǔ)加固設(shè)計應(yīng)結(jié)合建筑物的具體情況和盾構(gòu)施工參數(shù)進行綜合考慮，采用不同的加固措施，如加設(shè)鋼筋混凝土梁、加厚基礎(chǔ)等。同時也應(yīng)考慮到后續(xù)地鐵運營期間可能引起的沉降，采取相應(yīng)的措施進行預(yù)防和控制。

5.2盾構(gòu)隧道施工參數(shù)調(diào)整方案的設(shè)計

盾構(gòu)隧道施工參數(shù)的調(diào)整可有效減少建筑物沉降。通過調(diào)整掘進速度、注漿壓力、掘進姿態(tài)等參數(shù)，可以實現(xiàn)地層的平衡掘進和均衡沉降。此外，優(yōu)化盾構(gòu)機的施工方式，如改變推進方向、調(diào)整隧道截面等，也可以減少沉降量。施工參數(shù)的調(diào)整方案應(yīng)根據(jù)具體情況進行綜合考慮，采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

5.3地鐵運營期間沉降監(jiān)測與控制方案的設(shè)計

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

5.4盾構(gòu)隧道施工過程中沉降監(jiān)測與控制方案的設(shè)計

盾構(gòu)隧道施工過程中的沉降監(jiān)測與控制是確保施工安全的關(guān)鍵。應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點并定期監(jiān)測施工過程中的沉降情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)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(diào)整施工參數(shù)、加固地基和提高隧道支撐力等。控制措施應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和實際情況進行綜合考慮[7]。

5.5盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群的風(fēng)險評估與管理

在盾構(gòu)隧道下穿敏感建筑群時，需要進行風(fēng)險評估并采取相應(yīng)的風(fēng)險管理措施。風(fēng)險評估應(yīng)考慮地質(zhì)情況、建筑物結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道施工參數(shù)等各種風(fēng)險因素。根據(jù)評估結(jié)果，制定相應(yīng)的風(fēng)險管理措施，如加固建筑物、改變施工方式和增加監(jiān)測點等。

5.6盾構(gòu)隧道施工的環(huán)境保護措施

盾構(gòu)隧道施工會對周圍環(huán)境產(chǎn)生噪聲、震動和揚塵[8]。為減少這些影響，需要采取相應(yīng)的環(huán)境保護措施。例如：在施工現(xiàn)場設(shè)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(jiān)測，控制噪聲和震動的產(chǎn)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(gòu)隧道下穿敏感建筑群的沉降控制方案、風(fēng)險評估與管理、環(huán)境保護措施等進行了分析和探討。本文設(shè)計的沉降控制方案綜合考慮了地鐵建設(shè)的特點和實際情況，對保障盾構(gòu)隧道施工的安全和周圍建筑物的穩(wěn)定具有重要意義。同時，本文提出的環(huán)境保護、安全管理和質(zhì)量管理措施也為盾構(gòu)隧道施工提供了有力保障。

6結(jié)語

本研究為盾構(gòu)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(zhǔn)確地預(yù)測盾構(gòu)隧道施工對建筑物的沉降和變形影響，以及如何實現(xiàn)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(gòu)隧道的施工方式等，以提高控制效果和減少施工對周邊環(huán)境的影響。

參考文獻

• 張磊.雙螺旋盾構(gòu)連續(xù)穿越古建筑群沉降控制探索與應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù)，2019，41（10）：117-120，124.
• 周德梁，鄧向振，朱利明.盾構(gòu)下穿復(fù)雜地層地表土體變形規(guī)律研究[J].工業(yè)建筑，2023，53（S1）：456-460+433.
• 陸宏朝，李鵬，郭峰，等.富水砂層盾構(gòu)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(qū)間盾構(gòu)下穿既有建筑物沉降機理及預(yù)測研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2022.
• 甄成.盾構(gòu)施工穿越敏感區(qū)域的微擾動變形研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2022.
• 胡夢濤，李大華，張自光.合肥地鐵某盾構(gòu)區(qū)間土倉壓力理論計算[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2021，35（6）：17-23.
• 劉洪波，吳迪.飽和軟土敏感環(huán)境地鐵車站的盾構(gòu)法施工技術(shù)方案[J].城市軌道交通研究，2020，23（5）：118-122.
• 金雅妮.盾構(gòu)沿復(fù)雜線形穿越敏感建筑群安全風(fēng)險控制研究[J].路基工程，2022（3）：222-226.