文章编号：１００９—４５３９（２０１７）０７—００９４—０３ ・隧道／地下工程・ 盾构隧道下穿对建筑物条形基础的影响 及控制措施研究 熊双根 （中铁十六局集团有限公司 北京摘１０００１８） 要：盾构法是目前城市轨道交通建设中的主要方法之一，在施工中常会穿越既有建筑物，对建筑物的安全造成 威胁。以盾构隧道下穿某四层建筑物为实例，建立条形基础一土体一隧道共同作用的三维有限元模型，通过分析 对盾构下穿施工引起建筑物变形规律进行了预测并提出了若干控制措施，可为类似工程提供一定的参考。 关键词：地铁工程盾构隧道建筑物条形基础 沉降控制 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１７．０７．０２３ 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｔｒｉｐ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｄｏｗｎ－ｔｒａｖｅｒｓｉｎｇ ｂｙ Ｓｈｉｅｌｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｘｉｏｎｇ Ｓｈｕａｎｇｇｅｎ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １６ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｅｓｅｎｔｌｙ．Ｉｔ ｉＳ ｑｕｉｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｔｈａｔ ａ ｍｅｔｒｏ ｔｕｎｎｅｌ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｐａｓｓ ｂｅｎｅａｔｈ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｂｉｇ ｔｈｒｅａｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｌｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｆｏｕｒ－ｌａｙｅｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａ ｔｈｒｅｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｓｔｒｉｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ－ｓｏｉｌ・ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｔｒｉｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ １弓ｌ言 随着城市轨道交通的快速发展，地铁成为大中 城市解决城市交通拥堵的首选，交通拥堵的区域往 往地面建筑物繁多，因此不可避免出现大量地铁下 穿既有建筑物施工的情况 。 盾构法是目前地铁施工中普遍采用的方法，盾 影Ⅱ自［４ 。 目前大量文献对区间隧道下穿或侧穿既有建 筑物桩基础进行了研究 一 ，也有相关文献 。 对 地铁隧道下穿既有建筑物锚杆基础进行了分析。 然而针对地铁下穿条形基础的相关研究有所不足， 本文采用数值模拟的手段，分析了盾构下穿对建筑 物条形基础的影响，得到了一些有用的结论。 造成开挖面周围土体的扰动警挛 慕 导致隧道周围土体发 ２工程概况 一 ，生位移，进而引起建筑物基础变位，对建筑物的安 全构成威胁，因此在地铁施工过程中，必须控制地 层变形来减少盾构隧道开挖对地表及建筑物的 ２．１ 工程与既有建筑物的关系 本工程区间隧道采用盾构法施工，左右线平行 布置。右线起讫里程为ＤＫ１６＋１９６．５０～ＤＫ１７＋ ■———一 作者简介：熊双根（１９８２一），男，工程师，主要从事安全和质量工作。 ９４ 铁道建筑技术１３０・４０，在ＤＫ１６＋８４０处下穿一处建筑物，该建筑 物为四层砖混结构，基础形式为条形基础。建筑物 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ７ ｆ０７Ｊ ・隧道／地下工程・ 位于左线隧道的上方约１５．６ ｍ。盾构隧道与既有 结构模型进行。为减小边界约束对计算结果的影 响，其中模型的ｘ方向长度为５１ ｍ，双线隧道的外 边缘距离模型的外边缘为３倍洞径；隧道埋深则按 照实际的尺寸；沿着隧道开挖方向取６０ ｍ进行建 模。施工阶段模拟严格按照盾构隧道实际的开挖 建筑物的关系如图１所示。 步序进行。模型的建立 过程中，盾构管片采用 板单元进行模拟，其余 均采用实体单元模拟； 地应力场按自重应力场 图１ 盾构隧道与既有建筑物关系 考虑。三维有限元模型 如图２所示。 图２有限元模型 ２．２工程地质及水文地质条件 模型边界条件：前后左右面进行法向约束，顶 面为自由面，底面为地面支撑全约束。 模型荷载：该建筑物为办公楼，楼层荷载按每 层１５ ｋＰａ考虑，则上部总荷载： 四层楼房：Ｗ＝４×１５＝６０ ｋＰａ。 ３．３施工过程模拟 区间隧道主要穿越⑧１、⑧２层。⑧ｌ层为粉质 黏土层位不连续，层底起伏较大，夹黏土、粉土、粉 砂透镜体。⑧２层为粉砂层，层位连续，夹粉土、细 砂、粉质黏土。 本场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水； 赋存于第Ⅱ陆相层中及其以下粉砂及粉土层中的 在区间盾构施工时，一般需要进行试掘进，用 地下水具有承压性。孔隙潜水主要赋存于⑥３粉土 层中。该含水层主要由粉土构成，本场地范围内的 承压水水位受季节影响较小，其稳定水位埋深为 ３．Ｏ０～３．．５０ ｍ 于调整掘进控制参数，为降低施工风险，一般不采 用两台盾构机在双线隧道较近位置处同时开挖的 施工方式。因此，本文考虑的施工工况为：首先对 左线隧道采用盾构施工，左线隧道开挖完成后，对 右线隧道进行施工。 ３有限元分析模拟 ３．１材料参数选取 具体施工步骤：左线盾构隧道施工（开挖进尺 每步１．５ １３１）一注浆、施作管片一左线隧道施工完 成，进行右线隧道施工一右线盾构隧道施工（开挖 进尺每步１．５ ｍ）一后建隧道注浆、施作管片。 根据实际的开挖顺序，依次进行左线隧道的开 挖，左线隧道开挖完后进行右线隧道的开挖，直至 双线隧道全部开挖完成。 本文将力学指标相近的土层进行合并，力学指 标根据土层厚度取加权平均值。地基土层物理力 学指标如表１所示。 表１ 地基土层物理力学指标 土层 名称 杂填土 厚度／ 重度 压缩模 黏聚 内摩擦 ｍ （ｋＮ・ｍＩ３） 量／ＭＰａ 力／ｋＰａ 角 （。） ３．７ １８．４ ３．６ ２４ １９．３ ４有限元分析计算结果 ４．１ 条形基础竖向位移 粉质黏土 １８．８ 粉砂 １１．６ 粉质黏土 １４．３ 粉土 黏土 ３．３ １．８ １９．７ ２０．４ ２０．２ ２０．０ １９．３ ６．６ １４．０ ８．５ １４．７７ ７．８ １６．３ １Ｏ．０ ３７．１ ８．６ １８．１ ２１．８ ２９．６ ２１．７ ２９．１ ５Ｏ．６ 由图３可知，当盾构隧道穿过上方的既有建筑 物时，条形基础均有不同程度的下沉，其中建筑物 最右侧的条形基础，即左线隧道正上方位置处条形 基础竖向沉降值最大，达到了９．７ ｍｍ，条形基础从 右侧到左侧竖向沉降值逐渐减小，最左侧条形基础 的竖向沉降值为１．０６ ｍｎｌ，均在规范规定基础沉降 范围之内。 ９５ ３．２有限元模型 模型计算采用ＭＩＤＡＳ－ＧＴＳ ４．０有限元计算软 件，按照实际尺寸建模。变形预测分析采用荷载一 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１７ｆ０７Ｊ ・隧道／地下工程・ ４．５掘进过程条形基础沉降变化规律 由图７可知，在盾构隧道穿过既有建筑物的过 程中，该点沉降值随着开挖步序渐变，在隧道刚刚 开挖时，隧道开挖面离建筑物较远，对于影响很小， ４．２条形基础水平位移 由图４可知，当盾构隧道穿过上方的既有建筑 物时，建筑物基础在 轴的正方向上均有不同程度 的偏移，中间两条条形基础水平位移值较大，最大 位移值达到３ ｍｍ，外侧两条条形基础的水平位移值 相对较小，约为２ ｍｍ左右，均在规范规定基础沉降 其沉降值为零，而随着隧道的开挖，掌子面与该点 的实际空间距离渐渐缩短，隧道开挖对土体的扰动 渐渐影响到了该点，因此该点的位移沉降值逐渐增 大，当隧道开挖至其下方，竖向沉降接近最大值，随 着隧道的继续开挖，竖向沉降值增加到最大值后基 本上不再变化，直至隧道开挖完成。 范围之内；且条形基础上边缘水平位移值较大，下 边缘水平位移值较小，每条条形基础上边缘到下边 缘的水平位移值是渐变的。 通 嬗 Ｉ ≈ 纂 ～ 图３ 条形基础竖向位移 图４ 条形基础水平位移 ４．３条形基础不均匀沉降 施工步 由图５可知，建筑物最右侧的条形基础，即左线 隧道正上方的条形基础沉降 值最大为９．７９ ｍｍ，而建筑物 最左侧的条形基础沉降值最 小为１．３７ ｍｍ，因此建筑物 图７掘进过程条形基础沉降变化 的倾斜率为：（９．７９—１．３７）／ １５＝０．５６％０＜１％。，满足规范 要求。 目 图５条形基础 不均匀沉降 ５施工控制措施 根据上述数值模拟结果，在盾构隧道开挖过程 中，由于拼装管片及时，且对其周围土层采用一次 注浆和二次再注浆的加固方式，有效地减小了既有 建筑物各方向的位移值，建筑物最大竖向位移值、 倾斜率、最大水平位移值、最大相对位移值都远小 于既有建筑物变形控制要求。然而该建筑物建成 年代较为久远，在使用过程中已发生部分老化现 ４．４地表沉降变化规律 在地表沿建筑物中心线ｘ轴方向选取２４个 点，将盾构隧道穿过既有的上层建筑物时各点沉降 值汇总于图６所示。 象，抗变形能力较差，因此盾构掘进中需采取一定 的处理措施。 ｌ 蕾 （１）根据前期盾构掘进参数控制与地层位移的 关系，确定合理的土压力设定值、排土率及掘进速 度等参数。盾构推进过程中，严格控制和调整盾构 地表点号 曩 图６地表各点沉降 机的各项参数，使之对周围环境的影响控制在安 全、可靠的要求范围内。 （２）减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方 由图６可知，当盾构隧道穿过既有建筑物时，地 土体的坍落或挤密现象。盾构掘进速度，应与地表 表有不同程度的沉降，其中在左线隧道正上方处位移 沉降最大达９．７８ ｍｍ，以该处为中心，竖向位移值依 次向两侧递减，其中建筑物侧由于建筑物的存在，其 递减速率较慢，而另外一侧的递减速率相对较快。 控制的隆陷值、进出土量、正面土压平衡调整值及 同步注浆等相协调，如停歇时间较长时，必须及时 封闭正面土体。 （下转第ｌ １０页） ＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ ２０７７ ｆ０７Ｊ 铁道建笳技术 ＲＡＩ・隧道／地下工程・ 西南交通大学，２０１１：２５—２８． ［９］ 严伟，陈鹏，牟星．临地铁深基坑超低出水含砂率管井 降水施工［Ｊ］．城市建设理论研究，２０１５（３）：５—８． ［１Ｏ］陈春红，吴明明，彭加强．深基坑钢支撑预加轴力计算 取值的影响分析［Ｊ］．浙江建筑，２０１３（５）：４３—４５． ［５］ 李保军．隧道湿喷混凝土施工技术［Ｊ］．铁道建筑技 术，２０１１（Ｓ１）：１４３—１４４． ［６］ 叶超，黄晓航．地铁车站深基坑钢围檩变形分析与处 理［Ｊ］．中国西部科技，２ＯＬＯ（３０）：４５． ［７］ 黄传胜．地铁深基坑开挖变形预测方法及工程应用研 究［Ｄ］．长沙：中南大学，２０１１：２—３． ［８］ 王博．膨胀土地区地铁深基坑设计研究［Ｊ］．铁道建筑 技术，２０１３（２）：３６—３９． ［１１］吴兴龙，朱碧堂．深基坑开挖坑周土体变形时空效应 初探［Ｊ］．土工基础，１９９９（３）：５—８． ［１２］袁登科，刘国彬．南京地区深基坑测斜警戒值的探讨 ［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００９，３２（１０）： 】５６６—１５７０． （上接第９６页） （３）配合地面量测及时进行壁后注浆和二次 注浆。 （３）在盾构隧道穿过既有建筑物的过程中，当 ①严格控制盾尾同步注浆量和浆液质量，并及 时进行二次注浆。 口 ，注浆压力约０．２９ ＭＰａ， 隧道开挖至其下方，建筑物竖向沉降接近最大值， 随着隧道的继续开挖，竖向沉降值增加到最大值后 基本上不再变化，直至隧道开挖完成。 （４）本工程针对老旧且基础较差的建筑物进行 的研究，可供同类工程参考。 理论值的篓 构推进速度控制 １５０％２～ ５０％ ，耋 星 在确保压浆质量的前提 。参考文献一 水泥浆掺粉煤灰，注浆压力和注浆量双控。施工中 ［３ ３李永刚・富水圆砾地层盾构下穿建筑物预注浆加固技 。１６（７ ， 层变 曼 警 （４）制定专项的监控量测方案做到信息化施 。 ． 。 … ，值做详细腻并根据地 。， ： ｓ１）：３６－…３９．一一一 … …” 工。根据风险评估结果制定相应的控制标准，设定 ［５］写奚遇．啬构 隧 建筑物相互作用规律研究及其施工 相应的预警值、报警值、警戒值。 风险分析［Ｊ］．铁道标准设计２０１０（７）：９４—９８． ，ＩＷ Ｌ ｄ Ｊ。 盾构美 隧道对地表 莘 ６结论 通过对下穿建筑物条形基础进行数值模拟，得 甘萋 萼：２０地（铁５）盾：２构９－隧３１道．穿越对建 筑物桩基础的影响分析［Ｊ］．岩土工程学报，２０１０，３２ ‘ 其周围土层采用一次注浆和二次再注浆的加固方 ，田 ，： ＝＝ｎ 。一 一 一 … ２０１２（３）：７７—７９． 式，可有聱地：（２）当盾构隧道穿过既有的建筑物时 建篓 。 左线隧 。 ，， ［１０］ 飞，戴泉，何炬．盾构施工下穿建筑桩基的影响研 究［Ｊ］．铁道标准设计，道正上方处位移沉降最大，以该处为中心，竖向位 ［１１ ３姜忻良贾勇，赵保建，等．地铁隧道施工对邻近建筑物影 ，
