地铁盾构区间穿越砂层及下穿既有建筑物影响分析

Foundation and Basement

地基与基础

第46卷第16期

2019年8月

地铁盾构区间穿越砂层及下穿既有

建筑物影响分析

王小龙

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101399）

［摘 要］以青岛地铁1号线汽车北站到流亭机场站盾构区间施工为例，由于该段穿越了软弱砂层并下穿建筑物，使得施工面临着诸多问题，用数值模拟的方式分析了其具体的施工过程，有助于提高施工质量。

［关键词］地铁盾构；软弱砂层；建筑物沉降［中图分类号］TU 74　　　　　［文献标志码］B　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）16–0149–03

Analysis of Influence of Subway Shield Tunneling Through Sand

Layer and Underpassing Existing Buildings

Wang Xiao-long

［Abstract］Taking the construction of the shield section of the North Bus Station of Qingdao Metro Line 1 to the Liuting Airport Station as an example，the construction faces many problems because it crosses the weak sand layer and passes through the building，using numerical simulation.The concrete construction process is analyzed to help improve the construction quality.

［Keywords］subway shield；weak sand layer；building settlement

青岛地铁1号线汽车北站到流亭机场站盾构区间施工面临着软弱砂层，下穿建筑物，因此，施工中更要注重细节的处理，通过利用三维有限元软件进行工程数值模拟，采取必要的措施进行处理与预防，将工程的不利影响降至最低，实现对围岩变形情况、地表沉降施工的有效控制。

2 三维有限元分析

为了保证避免施工中不安全事故的发生，首先可以使用MIDAS/GTS软件进行施工模拟，建立两个三维有限元模型，分别模拟穿越砂层段的施工情况和下穿建筑物的情况。在模型建立之后，综合考虑边界效应等因素，确定最优的模型尺寸为120 m×60 m×45 m。在本模型中，主要是利用摩尔—库伦准则进行地层沉降情况的模拟，为保证施工效果，达到良好的模拟目的，应设置衬砌管片为弹性材料，建立相应的隧道模型。

盾构机在掘进作业中，可以通过盾构机作业面的钝化模拟直接观测到盾构机的掘进与开挖过程，掘进过程中的压力模拟则是通过在工作面上施加均匀压力来实现的。但是在该模拟过程中，需借助于等代层的概念，注浆过程中能实时模拟同步注浆过程，观测注浆作业的影响范围。在进行注浆单元计算阶段，先将土体激活，再向其施加一定的自重载荷，并且把此状态设为模型的原始状态。

1 工程概况

青岛地铁1号线汽车北站至流亭机场站区间全场3.45 km，在施工中属于长大施工，为保证施工质量，采用盾构法施工。该施工段富含大量的地下水，主要存储于第四系松散砂土层和基岩裂隙，填土层与砂层是主要的含水层，具有极强的透水性。

基岩裂隙中的水分主要分布在其风化基岩裂隙与构造中，构造裂隙水分的分布较多。在该工程中，一段穿越埋深在17.7~9.2 m的含卵石粗砾砂，一段下穿6层的建筑物，使得盾构法施工的难度加大。根据勘察结果，该施工区间内地层岩土的物理力学参数（表1）。

表1 岩土物理力学参数

地层代号(1)(1-1)(7-0)(7-1)(9-0)(9-2)(16-9)(17-9)(18-9)

岩土名称素填土杂填土粘土~粉质粘土中砂~粗砂粗砂~砂砾含卵石粗砂砾强风化安山岩中等风化安山岩微风化安山岩

直接快剪

天然密度变形模量

3粘聚力内摩擦角ρ0/（g/cm）E0/MPa

c/kPaφ/（°）

1.81.851.952.032.052.062.252.392.48

——33.96———403 0403 850

——15.45———2542.6944.54

5510————1225

3 盾构穿越砂层模拟结果及分析

3.1 围岩变形分析

为有效分析围岩土体的变形情况，常常将拱顶下沉与地表沉降作为其重要的控制与衡量标准，施工中如果拱顶发生变形，会严重影响围岩结构的稳定性与安全性，从而加剧施工风险。

结合围岩结构变形情况，综合相关的计算可以得到具体的沉降数值，左线隧道地表沉降1.3 cm，地表沉降2.1 cm，拱顶沉降3.5 cm，在数值模拟中，由于隧道主体要穿越软弱砂层，对工程的顺利进行、施工安全等造成不利的影响，因此施工过程中的拱顶变形与地表沉降数值都较实际大。3.2 围岩应力状态分析

盾构机挖掘期间，开挖作业面周围土体的应力会随着开挖作业面重新分配，当其在受到扰动以后，其二次应力会大幅超过土体本身的抗压与抗剪力强度，使得岩体呈现塑性，进而出现结构变形情况。3.3 结构内力分析

在正式进行施工之后，伴随着隧道的不断挖掘施工，管片结构应力情况（图1）。

收稿日期：2019–05–11

作者简介：王小龙（1985—）󰀃，男，河南驻马店人，助理工程师，主要研

究方向为市政工程。

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第46卷第16期

2019年8月

Foundation and Basement

地基与基础建 筑 技 术 开 发

Building Technology Development （a） （b）

图1 隧道开挖后隧道结构主应力（a）最小主应力；（b）最大主应力

4 盾构下穿既有建筑物模拟结果及分析

4.1 盾构施工引起的围岩变形分析

在施工中，完成隧道的两线开挖后，得到了基本的围岩变形图。根据数值模拟与计算的全过程，可得到基本的变形情况，根据模型的模拟仿真效果，得出盾构机掘进下穿建筑物后，其拱顶与基础底部的沉降量分别为2.3 cm、1.4 cm，而隧道上部的软弱砂层严重降低了周围土体的承载力，使得对工程整体质量产生不利影响。

4.2 盾构施工引起的围岩状态分析

盾构机在掘进与开挖作业下穿建筑物以后，周围岩体的塑性区域分布如下，该分布形态显示，盾构作业中，下穿既有建筑物对隧道周围岩体的塑性影响较小，一般其范围多在5~10 m的范围内，没有进一步延伸破坏建筑物的其他结构。

5 现场监测数据分析

5.1 监测方案

在盾构机开挖与掘进作业中，为保证施工的安全与顺利，必须结合工程施工的规范性要求来严格进行，尤其是要充分考虑施工现场的地质地貌条件、水文情况等，科学进行施工方式的选择，并在此基础上进行监测项目和监测点的布置 2）。

表2 监测项目及测点布置

序号监测项目测点位置

测量断控制标准面间距

累计值变化速率/(mm/d)

1地表沉降线路上方地表纵向5 m20 mm22建筑物沉降外墙或承重柱

10 m

20 mm23建筑物倾斜结构顶、底部每栋两组1‰连续3d大于0.1‰H/d

4洞内净空水平收敛两侧拱腰10 m12 mm35

管片竖向位移

拱顶、拱底

10 m

25 mm

3

5.2 监测点布置

为了保证施工的安全，其监测点与位置的布局，如图2~图4所示，纵向监测点的布置沿隧道轴线上方的地表进行，两个监测点之间的距离为5 m，而横向监测断面上监测点布置数量为7~11个。为了准确监测下穿建筑物的沉降现象，一般将沉降测点设置于该建筑物的外墙，两个测点之间的距离为10 m，数量为8，建筑物的倾斜测点布置在建筑物结构的顶部和底部，按照统一对应的原则进行分组设置。5.3 监测数据分析

根据监测点的布置，得到相关的监测数据，分别获得了盾构机掘进作业中的既有建筑物地表沉降曲线和建筑物沉降曲线，如图5、图6所示：地表沉降曲线表明，地表沉降量随着开挖面与监测点距离的不断临近而逐步增加，当盾构掘进至已布设的监测点的下部时，沉降的速率最大，在25~30 d内，监测数据的沉降曲线逐步平稳，变化幅度不大。

·150·

10

5

3

3

5

10

拱顶沉降测点

地表沉降测点

水平位移测点

收敛测点

隧道上浮测点

图2 隧道变形、地表沉降监测点布置（单位：m）

建筑物倾斜测点

建筑物沉降测点

5.0图3 建筑物测点布置示意（单位：m）

图4 建筑物测点布置示意

时间/d

01020

3040

-2-4m-6m/降-8沉-10-12DC25-01DC25-04-14DC25-08-16DC25-11

-18

图5 地表沉降曲线

随着盾构机掘进与开挖作业的进行，在下穿建筑物施工过程中，建筑物也会发生相应的沉降，其沉降曲线如图6，盾构机的施工作业越接近于监测点，建筑物的沉降越严重，当作业面位于建筑物下部时，沉降速率最大，在30 d以后，建筑物沉降的变化趋于稳定。

时间/d010

20

3040

-2JC12-01JC12-03m-4JC12-05m/-6JC12-07

降沉-8-10-12-14

图6 建筑物沉降曲线

6 控制地层沉降的主要措施

在施工中为了有效控制地层的沉降现象，应该采取以下的控制措施。6.1 匀速通过

在掘进过程中加大刀盘的转速，从而达到减小推力与降

（表Building Technology Development建 筑 技 术 开 发

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2019年8月

浅埋暗挖施工在不同工法下对地表沉降影响

任怡东1，曹广勇2

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601；

2.安徽建筑大学 城市地下空间工程实验室，安徽合肥 230601）

［摘 要］浅埋暗挖法施工过程中工法的转变不可避免会对地表沉降产生变形影响。以合肥市某轨道交通区间为工程背景，运用三维有限元分析软件Midas GTS NX作为模拟计算工具，通过浅埋暗挖法施工过程中工法的转变，分析不同工法变换的情况对周围地表沉降的影响。主要结论如下：开挖方式很好的控制了初始位置地表沉降的同时使使隧道后期沉降也在可控范围内，考虑到后期采用的上下台阶法在施工速度及施工成本上的优势，采用类似的施工工法转换的开挖方式可以有效控制工程的成本与工期。

［关键词］浅埋暗挖法；工法转变；地表沉降［中图分类号］TU 94　　　　　［文献标志码］B　　　　［文章编号］1001–523X（2019）16–0151–02

Effect of Shallow Underground Excavation on Surface Settlement

under Different Construction Methods

Ren Yi-dong，Cao Guang-yong

［Abstract］The change of construction method in the construction of shallow buried and subsurface excavation will inevitably affect the surface subsidence. Based on the engineering background of a rail transit section in Hefei City，this paper uses the three-dimensional finite element analysis software Midas GTS NX as a simulation calculation tool to analyze the influence of surface subsidence around different construction methods by changing the change of construction methods in the construction process of shallow buried and subsurface excavation. The main conclusions are as follows：the excavation method can control the ground settlement at the initial position well，and the settlement at the later stage of the tunnel can also be controlled. Considering the advantages of the upper and lower step method in the construction speed and cost，the excavation method transformed by the similar method can effectively control the cost and duration of the project.

［Keywords］shallow burial and subsurface excavation；transformation of construction methods；surface subsidence本文以合肥地铁某区间隧道施工为研究背景，借助Midas GTS NX软件，研究浅埋暗挖法施工过程中控制施工工法的变化，谈论不同施工工法的变化对周围地表沉降的影响，根据

其影响规律对浅埋暗挖施工提出相关建议，以使对地表沉降的影响降到最低。

1 施工概况

合肥地铁某区间盾构隧道，模型选取区域全长45 m，隧道开挖外径为6.9 m，隧道上方覆土深度为9.5 m，开挖进尺选取为1.5 m进尺。隧道区间的地质条件按岩性和受力特性分为5层：中地层由上而下主要依次划分为素填土、硬塑粘土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩5种地层。

收稿日期：2019–04–05基金项目：安徽省自然科学青年基金项目（1708085QE104）作者简介：任怡东（1992—）󰀃，男，安徽淮北人，主要研究方向为地下空

间结构。

低掘进速度的目的，在此情况下增加泡沫注入，实现碴土性能的改变，实现土舱内的均匀压力。6.2 跟踪注浆

当盾构机掘进中遇到软弱砂层时，要提高注浆压力，保证注浆量，避免地层损失现象。6.3 二次注浆

当掘进遇到下穿建筑物、管片时，应该增开注浆孔，用水泥浆与水玻璃体积比为1∶1的双浆液进行二次注浆处理，实现补强处理，避免和延缓地层的再次沉降。6.4 地表注浆

盾构机在下穿建筑物以前，应当在建筑物的基础外部布设两排斜向的袖阀管，其与基础边之间间隔2 m，袖阀管排间的距离为1 m，呈现梅花形的布置方式，并进行斜孔的打设，严格控制注浆的压力与时间。6.5 加强监测

盾构机在下穿既有建筑物之前，应加强对地表沉降的 监测。

7 结束语

青岛地铁1号线在施工过程中克服了穿越砂层与下穿既有建筑物对施工的不利影响，通过数值模拟施工模式，实现对施工的准确监测，根据监测结果，可以有效进行施工不利影响的分析，并制订相对的应对与处理措施，提高施工的安全性，保证盾构施工的顺利进行。

参考文献

[1] 马文辉.北京地铁双线盾构近距下穿既有盾构区间风险控制研究[D].北京：北京交通大学，2015.[2] 程伟伟.地铁盾构隧道下穿既有高架桥影响分析[D].合肥：安徽理工大学，2017.[3] 刘毅，刘耀轩.地铁盾构与暗挖隧道对接施工关键技术[J].建筑技术，2019，50（2）：174–177.[4] 李高月.盾构机下穿富水砂层及风险源施工技术[J].中国高新科技，2018（10）：69–71.[5] 皮景坤.盾构穿越干细砂层施工技术研究[J].铁道建筑技术，2016（4）：76–79.

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