地铁盾构隧道下穿密集建筑物沉降分析及对策

18
25
37
50
49
60
25
33
静止侧压力 系数 K0 0． 36 0． 42 0． 43 0． 39 0． 35 0． 45
直剪快剪
C / kPa φ / （ ° ）
49． 37 12． 25
25． 12 11． 74
8． 27
24． 97
43． 85 11． 38
64． 82 14． 52
26． 72 10． 01
距左侧隧道中心距离/m
0 2468
●●
0.1
●● ●
0.2
●
▲
0.3 0.4
●▲ ▲●
0.5
▲
●
0.6 0.7 00..89▲■ ▲■
▲ ▲■▲■ ■ ■ ■ ■ ■
10 12 14 16
▲ ▲▲ ▲ ▲▲
●
■
■●■● ●■ ●■●■
▲ 上行线 ● 下行线 ■ 总沉降
图 14 盾构隧道开挖引起 2 号建筑物横向沉降曲线
直剪固快
C / kPa φ / （ ° ）
36． 21 20． 05
22． 96 20． 88
4． 51
25． 85
38． 49 20． 62
47． 23 20． 83
25． 39 20． 13
①1 杂填土 ③1 粘土 ③2 层粉质粘土夹粉土
③3-1 粉质粘土
⑥1-1 层粉质粘土
③3 层粉土
道外侧沉降递减。
1 工程概况 1． 1 区间隧道与密集建筑物相互关系
华东某城市地铁区间隧道工程长度约 1 377 单线米，采用盾 构法施工，盾构直径 6 370 mm。隧道内径 5 500 mm，衬砌厚度 350 mm。区间起点车站为地下 3 层岛式车站，终点车站为地下 2 层岛式车站。区间在长约 180 m 范围内密集下穿 10 栋建筑物。 此次选取具有代表性的 1 号，2 号建筑物进行分析，其中 1 号建筑 区间侧穿经过，隧道顶距基础底垂直净距约 8． 97 m； 2 号建筑，区 间正下穿经过，隧道顶距基础底垂直净距约 9． 22 m。
3． 4 施工完成后实测建筑物沉降数据及结果对比
盾构区间下穿 1 号，2 号建筑物时对两栋建筑物沉降进行监
测，其沉降曲线如图 16，图 17 所示。
从图 16，图 17 中可以看出，1 号建筑物实测最终沉降值为
5． 19 mm，2 号建筑物实测最终沉降值为 6． 01 mm，其与数值分析
中图分类号： U452． 2
文献标识码： A
近 年 来，由 于 城 市 地 铁 公 共 交 通 模 式 具 有 大 容 量、高 速、安 全、可靠的特点，逐 步 发 展 成 为 解 决 日 趋 紧 张 的 城 市 交 通 问 题 的 首选方法。而随着城市地铁建设逐步深入，地铁区间不可避免会 下穿密集建筑物，如广州地铁 3 号线大塘 ～ 沥窑区间在约 2． 5 km 线路上穿过 107 栋建筑物、苏州地铁 2 号线广济路站 ～ 三香广场 站区间在约 0． 66 km 线路上下穿 17 栋建筑物、长沙地铁 1 号线黄 兴广场站 ～ 南门口站区间在约 0． 5 km 线路上近距离经过约 7 栋 建筑物。
▲ 上行线 ● 下行线 ■ 总沉降
图 12 盾构隧道开挖引起 1 号建筑物横向沉降曲线
沉降量/cm
沿盾构推进方向距离/m
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0.1●
● ● ●●●●●●●▲■▲●■▲■▲■▲■▲■▲■▲■
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 00..78▲■
R2 750 R3 100 -16.89
图 2 区间隧道与 1 号建筑物横断面关系图
6 000
9 220
地面标高+3.03
基础底标高-2.97
14 304 R2 750
R3 100
-12.19
Jz-Ⅲ08-YZT6 3.03 m
1.20
①1 杂填土
0.53
-2.97 -5.17
③1 粘土 ③2 粉质粘土夹粉土
1） 1 号建筑沉降分析结果。Peck 公式计算时，假定地层损失
第 39 卷 第 8 期
·156· 2 0 1 3 年 3 月
山西建筑
率为 3‰，得出 1 号建筑物最大沉降约 7． 5 mm，其横向、纵向沉降 曲线如图 12，图 13 所示。
结果对比情况如表 2 所示。
沉降量/cm
0
●
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 00..89▲■
盾构法由于具有不影响地面交通、地下管线、对沿线建（ 构） 筑物影响较小等优点，该类区间施工工法比选时，为减少拆迁量， 降低工程造价，盾 构 法 往 往 是 首 选 工 法，因 而 对 地 铁 盾 构 下 穿 密 集建筑物时引起建筑物沉降进行有效计算分析，对准确预测建筑 物沉降，以便针对 性 采 取 有 效 措 施，对 确 保 地 铁 盾 构 区 间 下 穿 建 筑物时施工安全至关重要。
图 8 计算模型（二）
图 5 计算模型（一）
图 6 竖向变形矢量图（一） 1） 1 号建筑沉降分析结果。从图 5 ～ 图 7 中可以看出，盾构 侧穿时引起地层损失和对围岩的二次扰动和松弛造成的 1 号建 筑物沉降最大值约 5． 91 mm，位于建筑物靠近隧道侧墙角处，往隧
图 9 竖向变形矢量图（二）
地面标高+2.98
0.38 -3.02 -6.42 -8.52 -12.02
-18.12 -20.02
6 000
①1 杂填土
③1 粘土
基础底标高-3.02
③2 粉质粘土夹粉土 ③3 粉土夹粉质粘土 ⑥1-1 粉质粘土
⑥1 粘土
14 605 R2 750
R3 100
⑥2-1 粉质粘土夹粉土
8 970
-11.99
▲■
▲■
▲■
▲
▲■
▲ ■
▲ ■
▲■ ■
▲ 上行线 ● 下行线 ■ 总沉降
图 13 盾构隧道开挖引起 1 号建筑物纵向沉降曲线
2） 2 号建筑沉降分析结果。Peck 公式计算时，假定地层损失 率为 3‰，得出 2 号建筑物最大沉降约 8． 3 mm，其横向、纵向沉降 曲线如图 14，图 15 所示。
沉降量/cm
沿盾构推进方向距离/m 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
● ● ●●●●●●●▲■●▲■▲■●▲●■▲■■▲▲■▲■
▲■ ▲■
▲■ ▲■ ▲■ ▲■ ▲■▲■
▲ 上行线 ● 下行线 ■ 总沉降
图 15 盾构隧道开挖引起 2 号建筑物纵向沉降曲线
沉降值/mm 5 月 13 日 5 月 14 日 5 月 15 日 5 月 16 日 5 月 17 日 5 月 18 日 5 月 19 日 5 月 20 日 5 月 21 日 5 月 22 日 5 月 23 日
⑥1 层粘土
⑥2-1 层粉质粘土夹粉土
⑥2 层粉质粘土
⑦1 层粉质粘土
⑥3 层粉土
⑦4 层淤泥质粉质粘土 ⑦2 层粉土 ⑧1 层粉质粘土
图 4 区间隧道下穿密集建筑物段地质剖面图
3 盾构隧道施工对建筑物影响分析
3． 1 分析方法及内容
地铁盾构法施工较其他工法能有效控制地层损失和减小对 周边建筑物损害，但盾构下穿时仍不可避免引起地层损失和对围 岩的二次扰动和松弛，引起建筑物沉降。本文将分别采用 Plaxis 有限元软件及 Peck 公式两种方法对盾构隧道施工时上方建筑物 沉降值进行数值分析，并与实际施工所产生沉降值进行比对。
图 11 隧道施工地面沉降曲线
沉降量/cm
距左侧隧道中心距离/m
0.00● 0.10
●
2
●●
4
●
6
8 10 12 14
▲
▲▲ ▲ ▲▲
0.20 0.30 0.40
●
▲
●▲
▲●
0.50
▲
●
0.60
▲■ ■ ■ ■
0.70 00..8900▲■ ▲■
▲■▲■ ■
● ■
●■●■ ●■ ●■●■
1.00
16
摘 要： 通过采用 Plaxis 有限方法及 Peck 公式对盾构施工对建筑物沉降影响进行数值模拟分析，并与实测沉降值进行比较，得出
Plaxis 有限元模拟结果能较准确反映实际沉降值，并给出了盾构施工期间辅助措施，以期有效控制建筑物沉降并满足相关要求。
关键词： 地铁，盾构隧道，建筑物，数值模拟，施工措施
收稿日期： 2012-12-27 作者简介： 孙春光（1980- ） ，男，工程师
图 3 区间隧道与 2 号建筑物横断面关系图
2 地铁盾构区间下穿建筑物允许沉降控制值
目前国内城市地铁下穿建筑物时建筑物允许沉降控制值尚 无统一标准，一般参考 GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范及 DGJ 08-11-2010 地基基础设计规范建筑物基础允许沉降值，并综合 考虑浅埋暗挖法中地面沉降控制值，对一般建筑物提出 + 10 mm， － 30 mm 沉降控制值标准，若下穿密集建筑物时需综合考虑周边 环境、地质、建筑物 基 础 形 式、结 构 形 式、使 用 情 况 及 产 权 单 位 要 求等因素提出具体控制指标。本工程区间施工时在考虑以上因
3． 2 Plaxis 有限元分析结果
有限元分析时采用整体分析有限元法，将隧道和周围土体视 作一个整体，借助于 Plaxis 软件进行有限单元法数值分析，计算盾 构区间施工对周边建筑物造成的影响。
图 7 结构基础竖向变形图（Vmax=-5.91 mm） 2） 2 号建筑沉降分析结果。从图 8 ～ 图 10 中可以看出，由于 盾构正穿所 引 起 的 地 层 损 失 和 对 围 岩 的 二 次 扰 动 和 松 弛 造 成 2 号建 筑物最大沉降约 6． 39 mm，位于隧道中心线间范围内，往隧 道两侧沉降递减。
3． 3 Peck 公式分析结果
1969 年 Peck 在分析大量地表沉降观测数据的基础上，提出 了地表沉降槽符合正态分布曲线的概念，如图 11 所示。Peck 公 式认为地层变形由地层损失引起，假定地表沉降槽体积等于地层 损失体积。地层损 失 量 与 盾 构 种 类、地 层 条 件、地 面 环 境 及 施 工 控制有关，一般很难准确估计，本文用 Peck 公式分析建筑物沉降 时，按 DGJ 08-11-2010 地基基础设计规范中关于盾构法施工下穿 建筑物时宜将地层损失率控制在 3‰～ 5‰范围内的要求，给定地 层损失率值。
区间隧道与建筑物平面及 1 号，2 号建筑横断面关系图如图 1 ～ 图 3 所示。
1 号建筑 2 号建筑 区间隧道
和⑥1-1 粉质粘土层； 隧道下卧土层主要为 ⑥1 粘土和⑥2-1 粉质粘 土夹粉土层。
区间隧道穿越建筑物段地质剖面图如图 4 所示，各土层物理 力学指标见表 1。
Jz-Ⅲ08-YZT5 2.98 m
图 10 结构基础竖向变形图（Vmax=-6.39 mm） i x
Smax h
扰动范围
2r
45°+
准 2
-5.05
-5.1
-5.15
-5.2
◆◆
◆◆
-5.25 -5.3
◆
◆ ◆◆
◆
◆
◆◆◆◆
-5.35 -5.4 ◆ ◆
◆◆◆◆
-5.45
图 16 1 号建筑物实测沉降曲线
5 月 19 日 5 月 20 日 5 月 21 日 5 月 22 日 5 月 23 日 5 月 24 日 5 月 25 日 5 月 26 日 5 月 27 日 5 月 28 日 5 月 29日
第 39 卷 第 8 期 2013 年3 月
孙春光：地铁盾构隧道下穿密集建筑物沉降分析及对策
·155·
素前提下，参考周边城市类似工程实例，提出区间下穿密集建筑 物时建筑物沉降控制指标为 + 4 mm，－ 20 mm。
表 1 各土层主要物理力学指标综合建议值
层号
③1 粘土 ③2 粉质粘土夹来自百度文库土 ③3 粉土夹粉质粘土
⑥1-1粉质粘土 ⑥1 粘土
⑥2-1粉质粘土夹粉土
含水量 w %
25． 67 28． 16 31． 19 24． 34 23． 75 30． 49
重度 γ kN / m3
19． 9 19． 6 19． 1 20． 2 20． 2 19． 3
基床系数 K / MPa·m － 1
垂直
水平
30
40
20
25
-8.67
③3 粉土夹粉质粘土
-12.07
⑥1-1 粉质粘土
R2 750 R3 100 -17.09
⑥1 粘土
-21.37 -22.67
⑥2 粉质粘土
图 1 区间隧道与建筑物平面关系图
1． 2 工程地质
区间隧道穿越密集建筑物段隧道上覆土层由上至下依次为 ①1 杂填土、③1 粘土、③2 粉质粘土夹粉土、③3-1 粉质粘土、③3 粉 土夹粉质粘土和⑥1-1 粉质粘土层； 隧道穿越土层主要为⑥1 粘土
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第 39 卷 第 8 期 2013年3 月
山西建筑
SHANXI ARCHITECTURE
Vol． 39 No． 8 Mar． 2013
文章编号： 1009-6825（ 2013） 08-0154-04
地铁盾构隧道下穿密集建筑物沉降分析及对策
孙春光
（ 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）