盾构施工侧穿邻近既有构筑物的稳定性及施工控制

盾构施工侧穿邻近既有构筑物的稳定性及施工控制

龙得海

广东华隧建设集团股份有限公司

摘要：对于地铁盾构建设侧穿固有构筑物（综合管沟）常见的风险，选择数值模拟手段对其施工环节展开3D模拟，研究了盾构掘进环节顶部地面沉降的改变分布规律与构筑物的位移改变规律。然后按照模拟结果选择科学的施工控制方法，比较分析了实施措施后构筑物的位移改变状况。研究得知，盾构掘进前对构筑物底部土体注浆固定，能够减小盾构施工对构筑物的干扰程度。

关键词：地铁盾构；侧穿；综合管沟；稳定性；控制方法

近几年，伴随城市人口的增多和交通状况逐渐堵塞，地铁的修建时各大中型城市基建工程的重点。因为城市内现有构筑物的集中性，无法规避的会在现有构筑物周围开挖盾构。新建隧道将转变现有综合管沟的受力状态，进而对其造成许多不良影响。若在盾构开挖环节对现有管沟的稳固性影响很大，造成其安全和应用功能不能保障，就会引起较大的损失与严重的社会影响。所以，怎样管理隧道挖掘对现有综合管沟的扰动，是近几年隧道发作业遇到的一个重大问题。

当前，新建隧道对每种现有综合管沟的干扰已经收到国内外专家人士的关注，也有目的性的组织了很多相关探究。丁智等对隧道建设引发的土体变化对地表建筑结构、现有隧道等周围构筑物的影响和盾构隧道建设和周围构筑物相互作用的研究成果展开了总结。H.Aakgi等人选择一种全新单元即3D有限元系统与开挖单元模拟了两个平行隧道的相互影响，模拟结果和现场监测结论相吻合。

某地铁盾构区域处在填海淤泥地层底部，盾构隧道开挖会侧穿顶部现有构筑物。因为土层的软弱性，盾构开挖将损坏土体平衡度，令管沟失稳且损坏。所以，怎样控制掘进扰动、避免地面下沉太大及保障构筑物安全是施工急需处理的重要问题。下文以该工程为例，依靠数值模拟系统，创建盾构隧道侧穿构筑物的3D计算模型，研究盾构隧道顶部地面下沉的改变分布规律和盾构掘进时构筑物的位移改变规律，并结合获得的结果采用对应的施工控制手段，尽量降低盾构掘进对现有构筑物的扰动作用。

1. 项目概况

新建地铁选择土压平衡式盾构。这种隧道盾构侧穿现有构筑物，在穿过影响区间内，隧道埋深是8.508米，盾构管片外径是6米，内径是5.4米。隧道相对部位与监测点见图1。

图1 隧道相对部位与监测点

这个地段土层构造较为繁琐多样，主要穿过的土层包括碎石、淤泥、黏土、硬塑砂纸粘性土以及全风化混合花岗岩等等。

2. 创建数值模型

此处选择数值模拟方式，采取FLAC 3D系统创建3D模型展开分析计量。

按照隧道的实际规格创建数值模型（见图2），模型周边取超过隧道直径的3-4倍。模型长85米、宽45米、高50米。计算模型中构筑物、土体和注浆体选择3D实体单元，衬砌与管片选择壳单元模型^[1]。土层选择摩尔-库伦理性塑性结构模型，构筑物、盾壳与管片选择弹性模型。模型周边只约束水平移动，下方也约束水平与竖向移动。

模型内衬砌厚度是0.3米，注浆体浇筑厚度是0.2米，参数根据项目实际确定，上土压力是0.2MPa。衬砌和注浆体参数见表1所示。结合土层实际状况，掌子面支撑力选择360MPa。按照作业顺序，定义计算工况见表2所示。其中，工况2移动清零代表历史上土层重力和构筑物施工形成的位移已固定。

图2数值模型结构图

名称	弹性模量E/GPa	密度ρ/（kg·m-3）	泊松比/μ
衬砌	34.6	2500	0.26
注浆体	20.6	2250	0.36

表1衬砌和注浆体计量指标

运算工况	模拟状况
1	初始自重应力研究
2	现有构筑物挖掘，同时位移清零 盾构右线隧道挖掘，步长1.5米，共挖掘30次
3-32	挖掘具体作业模拟包含：盾构支撑下支护挖掘，设置管片，然后加上支护压力与注浆压力

表2模型运算工况

3. 数值模拟结论介绍

3.1盾构隧道地面下沉分析

创建盾构侧穿构筑物的数值模型，计量并研究盾构开挖对构筑物造成的扰动。模拟计算过程各监测点见图1所示。

图3表示的是地铁盾构顶部地面沉降随盾构开挖的改变规律。由图3能够发现，伴随盾构开挖深度的加大，盾构隧道顶部地面下沉也随之加大，且在开挖深度超出21米后下沉值整体趋向稳定

^[2]。在地铁盾构轴线中心位置上方地面下沉达到最高值，大概是1.6cm，盾构隧道上方覆土层厚度是8.508米。经插值法验算发现该沉降值满足《地铁隧道项目盾构施工技术标准》中地表下沉槽最大下降量△的需求。

图3 盾构开挖时隧道上方地面下沉的改变规律

通过分析发现，盾构隧道顶端地面下沉在隧道轴线两边表现出就像概率论内容的正态分布规律，运算结果体现了顶部地面下沉伴随盾构开挖深度的加大，盾构隧道顶部地面下沉也随之加大，最大下沉值大概是1.6cm^[3]。由此表明，地铁盾构顶部地面沉降从盾构隧道轴线朝两边逐步衰减，超过2D（D是隧道直径）范围后趋向稳固，指垂直于施工向基本影响区域在地铁盾构轴线中间±2D位置。

模拟结论中盾构顶部地面下降在标准控制范畴内，那么模拟过程衬砌、注浆体和掌子面等计量参数能够在施工环节作为依据。

3.2采用施工控制方法后构筑物的位移改变

结合模拟分析获得的结论，对构筑物下方土体实施注浆加固，注浆体选择3D实体单元模拟，系数都根据项目实际确定，上土压力是0.2MPa，注浆厚度是0.2米。注浆体的运算参数见表3所示。

名称	弹性模量E/GPa	密度ρ/（kg·m-3）	泊松比/μ
注浆体	20.6	2250	0.36

表3 注浆体的运算参数

对构筑物下方土体注浆加固后，构筑物底板的竖向位移相较于原来削减了75%左右，侧板水平移动削减了大概80%，表示采用的施工控制方法对构筑物位移管理左右十分明显，较大限度上下降了盾构开挖对构筑物的扰动，提高了管沟的稳固性，为盾构建设的顺利开展提供了良好保障。

4. 结束语

对于地铁盾构建设侧穿现有综合管沟出现的风险，选择数值模拟方式，研究了盾构隧道顶部地面下沉的改变分布规模和构筑物的位移改变规律，且按照模拟结构采用了科学的施工控制方法，比较研究了采用控制方法前后构筑物的唯一改变，获得以下结论：

（1）伴随盾构开挖深度的加大，盾构隧道顶部地面下沉也随之加大，在开挖深度超出21米后，沉降值整体趋向固定，最大沉降值大概是1.6cm，符合《地铁隧道项目盾构施工技术标准》中地表下沉槽最大下降量△的需求。

（2）在盾构建设中，隧道顶部地面沉降表现出像正态分布的规律，基本影响区域在地铁盾构轴线中间±2D位置。考量到运行环境和长久循环荷载的作用，建议在这一区域加固土层，避免经营地铁变形太大，保证地铁安全运转。

（3）采用施工控制方法以前，构筑物底板竖向位移超过了标准所管理的范围，将引发管沟断裂以及损坏；采用控制方法后，管沟底板竖向移动削减了75%左右，符合《城市轨道交通项目周围地下管线监测管理指标》所提出的控制值。所以，尽量在盾构开挖以前对构筑物底部土体采用注浆加固方法，减小盾构开挖对管沟造成的扰动，以保障构筑物安全。

参考文献：

[1]方洁. 盾构施工对地表临近框架结构建筑物影响分析[D].安徽建筑大学,2019.

[2]张军. 地铁土压平衡盾构施工侧穿对邻近双建筑物影响规律的研究[D].华北科技学院,2018.

[3]刘斌,冯兴仁,蒋承轩,陈保国,佘明康.盾构施工侧穿邻近既有构筑物的稳定性及施工控制[J].工程建设,2018,50(01):63-67.