地铁盾构掘进对建筑物沉降分析

摘要：某市城市轨道交通2号线新华广场站至呼和浩特站盾构区间隧道侧穿砖混建筑物群。通过采用Midas GTS NX模拟分析了侧穿施工期间既有砖混建筑物结构的变形规律，具体提出了侧穿段区域洞内深孔注浆加固方案，并基于实测数据对地表及建筑物结构变形进行了分析，主要得到以下结论：地表沉降槽近似呈非对称“W”形，未采取注浆加固条件下建筑物沉降最大值为28.59mm，且有向盾构中心线方向倾斜的风险；通过采用洞内深孔注浆加固措施，在拱顶120°范围形成深度3m的注浆加固圈，能够基本满足地表及建筑物变形控制标准；盾构隧道侧穿施工期间，既有建筑物结构最大的隆起变形为3.39mm，建筑物沉降值基本控制在10mm，保证了既有砖混建筑物的安全。

关键词：地铁；盾构掘进；建筑物沉降 引言

随着某市中心城区轨道交通建设的迅猛发展，盾构法隧道因其机械化程度高、不中断地面交通、环保等优势成为地铁区间建设的主力军。受城市中心城区复杂环境及施工工艺的制约，往往会遇到众多盾构法隧道邻近穿越既有建（构）筑物群等难题，尤其对于引起的老旧砖混砌体建筑物结构的变形和裂缝受到外界重点关注。因此需要采取科学严密的变形控制手段确保建（构）筑物结构的安全和正常使用。 1工程概况

某市城市轨道交通2号线一期工程为地下双孔单线区间。本区间隧道全线敷设于地下，采用盾构法施工，主体结构为由管片错缝拼装而成的环形结构，盾构管片内径为5.5m，外径为6.2m，管片厚度为0.35m，环宽1.5m，环间通过螺栓连接。右线隧道先进行施工，左线施工晚于右线施工一个月左右。盾构沿线近距离侧穿建筑物自南向北分别为沿街商业楼、金足鞋城商业楼、马家私房面商业楼。沿线建筑为片石基础，高2～4层，均在盾构隧道沉降槽影响范围内，且建筑物外墙距离盾构隧道外皮水平距离仅在3.4～4.64m范围以内。穿越的地层主要以圆砾、细砂、粉砂和粉质黏土为主。场区地下水主要赋存于第四系松散层中的孔隙潜水，主要含水层为第四系全新统－上更新统冲洪积砂类土、圆砾地层（见图1）。

2数值模拟分析 2.1数值模型建立

以新呼区间盾构区间隧道近距离侧穿金足鞋城等沿街商业楼为依托，采用Midas GTS NX建立三维模型如图2所示。该模型包括盾构隧道、建筑物、地层和注浆加固区，共包含

212210个单元和122406个节点。盾构隧道埋深16.4m，模型尺寸为82.2m×140m×30.7m（长×宽×高），指定沿盾构施工方向为正向Y轴，竖直向上为正向Z轴，依据右手法则确定X轴。数值模型顶部（地表）为自由边界，左右前后边界设定为水平约束，底部边界设定为竖向约束。

2.2数值计算结果

由于盾构区间隧道相距较远，侧穿砖混建筑物群施工前，地表横断面沉降曲线近似呈非对称“W”形，右线隧道先行开挖导致右线隧道上方地表沉降相对左线隧道的更大。数值模拟得到的侧穿施工前地表最大沉降值为48.57mm，跟现场实测数据相吻合，均超过地表变形控制标准40mm。侧穿施工后建筑物沉降最大为28.59mm，远大于建筑物变形控制标准15mm。在盾构侧穿建筑物群段采用注浆加固条件下，注浆圈深度和范围变化对最大建筑物沉降的影响规律如图3所示。随着注浆圈深度和范围的增加，建筑物沉降最大值逐渐减小。当h为

3m，θ为60°时的建筑物最大沉降值超过20mm；θ为120°时的建筑物最大沉降值约为15mm。当θ为120°，h为2.0m时的建筑物最大沉降值为24.88mm。因此方案h=3m；θ=120°的结果能够满足建筑物变形控制标准。

邻近建筑群施工期间，由于右线隧道采用注浆加固，右线隧道上方地表沉降值为

39.9mm，小于未采用注浆时的48.6mm，表明注浆加固有效地控制了隧道上方地表沉降，对于降低地层及建筑物群结构沉降有利。但是注浆仅在右线隧道洞内，这对左线隧道上方地表沉降的影响较小。综合考虑到施工工期和经济效益，建议选用本方案。 3盾构侧穿建筑物施工控制措施 3.1盾构掘进参数控制

在本工程中，注浆压力控制主要针对的是同步注浆及二次注浆，同步注浆因受盾尾密封压力限制，控制注浆压力不能超过设计压力。根据专家咨询会意见，盾构侧穿房屋过程中需严格控制土仓压力，即：推进过程中顶部土仓压力不小于0.12MPa；将掘进速度控制在35～45mm/min，掘进速度变化不宜过大，变化幅度控制在5mm/min以内；严格控制土仓压力，尽量让渣土填充满土仓，推力变化幅度不宜过大，宜控制在8000～14000kN，刀盘转速控制在1.1～1.2r/min，尽量减小对地层的扰动；严格控制同步注浆压力及浆液质量，有效注浆量不小于理论方量的1.8倍，及时跟进二次壁后强补浆；盾构施工需做好渣土改良工作，渣土改良可采用膨润土与泡沫剂，改善渣土性能，提高渣土的流动性和止水性。 3.2洞内深孔注浆加固

盾构侧穿建筑物过程中，穿越地质复杂且地下水丰富，易引发地面不均匀沉降而导致建筑物开裂，为保证沿线侧穿建筑物及人身安全，对盾构隧道采取洞内上半断面120°范围内径向注浆加固措施，以填充空隙、加固土体，控制沉降。注浆在管片出盾尾5环后进行，浆液采用水泥－水玻璃双液浆，扩散半径为0.75m，加固深度3m，注浆量及注浆次数根据现场监测情况调整。注浆范围包括建筑物段DK14+408.674～DK14+529.878以及侧穿前后各5m，因此注浆加固总长度为131.2m。

每块管片中央均设有吊装孔兼深孔注浆孔，内装逆止阀。工艺流程为：在管片上安装注浆头→在安装好的注浆头上安装球阀→将密封套安装与球阀对接→变频水钻电机与回转接头连接，回转接头与注浆钻杆连接→注浆钻杆通过密封套、球阀注浆头、破碎管片薄壁混凝土进入土层，在打射注浆孔时，注浆泵需同时将清水通过转接头压入注浆钻杆，防止在钻杆打射时，地层渣土将钻杆注浆孔堵塞→注浆钻杆打射到位时，利用回转接头进行注射双液浆。 4现场监测数据分析 4.1地表沉降控制效果分析

新呼区间盾构掘进施工完成后，右线隧道于第387环开始注浆，于第440环进入金足鞋城，于第483环进入马家私房面，于第500环出马家私房面。盾构隧道邻近建筑物群施工之前，左、右线隧道正上方地表沉降的最大值分别为46.97mm和46.13mm，多数测点沉降值

接近甚至超过控制标准40mm。由于右线隧道采取洞内深孔注浆加固措施，侧穿建筑物施工期间，地表沉降值相较于盾构掘进前期显著降低。由于注浆加固的影响，右线隧道正上方地表沉降值要远小于左线隧道，例如407环处的左、右线地表沉降值分别为17.09mm和

6.17mm，后者比前者小10.92mm，表明右线隧道洞内深孔注浆措施较好地控制了邻近建筑物群的地表沉降。由于侧穿施工期间，建筑物距离右线隧道越来越近，导致地表沉降值越来越大。盾构500环以上的部位受到建筑物影响较小，盾构侧穿建筑后还有5m范围的注浆加固区域，并且靠近呼和浩特地铁车站，其围护结构稳定，导致地表沉降较小。 4.2建筑物结构变形规律分析

随着盾构通过正上方的建筑物测点，刚脱出盾尾部分的土体与管片之间存在间隙，由于注浆不及时或者充填不够，会引起地层及建筑物出现明显的沉降。盾构逐渐远离该测点后，受到施工扰动及其他管片注浆的影响，也会造成建筑物出现多次的数据波动的情况，但最终逐渐趋于稳定。可能受到盾构掘进参数调整的影响，盾构机顶推力与掌子面前方水土压力总体上处于平衡状态，建筑未出现明显的隆起现象，测点JZW-3-1和JZW-3-3的变化规律相符合，由于测点JZW-3-4距离盾构较远，该测点数值相对较小。最终所有的砖混建筑物的沉降值基本控制在10mm左右，均小于控制标准15mm，表明盾构侧穿施工是可靠的，确保了邻近砖混建筑物结构的安全。 5结论

本文以某市城市轨道交通2号线新华广场站至呼和浩特站盾构区间隧道侧穿砖混建筑物群为背景，研究了盾构隧道侧穿施工过程中既有建筑物结构变形规律和控制方案，得到以下结论：

（1）通过Midas GTS NX进行三维盾构施工模拟，得到地表沉降槽近似呈非对称“W”形，右线隧道侧穿时，预测建筑物沉降最大值为28.59mm，超过变形控制标准，且有向盾构中心线方向倾斜的风险。

（2）右线隧道侧穿建筑物群施工期间，通过采用洞内深孔注浆加固措施，能够有效地控制地表及建筑物结构沉降；在拱顶120°范围形成深度3m的注浆加固圈能够基本满足地表及建筑物变形控制标准。

（3）对盾构侧穿施工期间建筑物的沉降进行实施监测，实行信息化反馈施工，严格控制土仓压力、推进速度及注浆量等盾构掘进参数，二次补强注浆在盾构管片出盾尾5环后进行，保证了建筑物的安全。

（4）受到顶推力等盾构掘进参数的影响，既有建筑物群结构最大的隆起变形为3.39mm，受到施工扰动和注浆加固的共同作用出现了波动起伏的现象，最终的砖混建筑物群结构沉降值基本控制在10mm。 参考文献：

[1]容继盘，卢鹏，李弈杉，袁子鹄，江杰，欧孝夺.基于地质区划下地铁盾构引起的建筑物沉降预测[J].广西大学学报（自然科学版），2017，42（01）：196-204.

[2]周佳媚，蒙国往，严启，谢曲波.泥炭质地层盾构掘进地表及建筑物沉降研究[J].现代隧道技术，2015，52（03）：160-167.

[3]孙长军，张顶立，郭玉海，马晓卫.大直径土压平衡盾构施工穿越建筑物沉降预测及控制技术研究[J].现代隧道技术，2015，52（01）：136-142.

[4]孙宇坤，关富玲.盾构隧道掘进对砌体结构建筑物沉降的影响[J].中国铁道科学，2012，33（04）：38-44.