地铁盾构隧道切桩穿越建筑群的沉降影响分析

张立亚，张宏梅，邓喀中，龙四春，陈清松

(1. 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201; 3. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221118)



地铁盾构隧道切桩穿越建筑群的沉降影响分析

张立亚1，张宏梅2，邓喀中3，龙四春1，陈清松2

(1. 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201; 3. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221118)

地铁盾构隧道通常不可避免地会穿越城市密集的建筑楼群，盾构切桩穿越会对住宅楼的形变产生较大的影响。本文使用TS30测量机器人对深圳某小区的9—13号楼群在盾构切桩穿越过程中进行了实时动态监测。监测结果表明：同一幢建筑物上的监测点变化趋势基本一致，离中线越近，沉降变化越大，反之沉降较小；相同距离切桩数量越多，相应建筑变形越大；刀盘到达监测点正下方切桩时，下沉突然增加，此时下沉速度最快，达1.49 mm/m；刀盘脱离房屋时，下沉继续增加，从刀盘进入房屋到盾尾脱离房屋期间，累计下沉占总沉降量的60%以上；房屋长边上监测点距中线垂直距离大于15 m时，沉降值小于5 mm，可以减少监测布点个数；距离大于30 m时，沉降值小于3 mm，可以不再布设监测点。这些研究可为后期建立盾构隧道不同埋深时与建筑物沉降的函数关系提供数据资料，也为以后盾构切桩穿越既有建筑群变形监测点优化设计提供宝贵实践经验。

盾构切桩；穿越建筑群；测量机器人；自动化监测

我国当前交通的格局已满足不了城市发展的要求，由于城市规划已成既定格局，土地资源非常有限，轨道交通的优势得到了充分的体现。城市地铁隧道往往通过城市中心繁华地带，区域情况复杂，传统的施工方法不再适合，盾构法地铁隧道开挖是一个最好的选择，它具有安全、可靠、劳动强度低、对环境影响小的优点，但对地层及临近房屋的干扰将是不可避免的。文献[1—5]使用不同的方法和模型研究了地铁盾构对临近房屋的影响；文献[6—9]研究了自动化监测在地铁隧道中的应用，但应用都受到限制，稳定性较差；文献[10—12]讨论了自动化监测软、硬件构成，并证明监测精度满足实际预警的要求。在地铁盾构隧道掘进中，要求安全监测及时、快速、准确，显然传统的监测方法已经不能满足这些要求，而测量机器人(如本文使用的徕卡TS30)具有高智能、高精度、方便编程、实时、全天候、能适应恶劣条件的特点，正被广泛地应用在自动化监测领域。

本文以深圳在建九号线某区间盾构隧道切桩穿越某小区9—13号建筑楼群为例，在左、右线分别穿越切桩过程中，使用测量机器人实时监测房屋群的动态沉降变形量，将房屋监测点分为隧道中心线上、隧道左右边界上、隧道边界之外3大类进行对比分析。结果表明，中心线和边界上的点主要沉降量集中在从盾构机刀盘进入到盾尾离开房屋的时间段内(包含切桩)，占总沉降量的60%以上，房屋长边点距中心线垂直距离超过15 m后，各点累计沉降量均小于5 mm，距离超过30 m后，沉降值均小于3 mm，此时无需再布设监测点。本文研究结果对深圳地铁盾构隧道施工具有重要的工程实践意义。

一、工程概况

本次监测的建筑群位于深圳地铁九号线某区间，隧道左、右线中线间距19 m，其中9—13号楼需切桩穿越，共切除137根桩基，其中左线9号楼切桩17根、10号楼30根、11号楼22根，右线9号楼切桩27根、13号楼17根、12号楼24根，切除长度为0.3～2.5 m，左、右线先后6次穿越，楼下区间达100.5 m，左线穿越9号楼、10号楼、11号楼，右线穿越9号楼、13号楼、12号楼，隧道埋深11～16 m，楼群与盾构隧道的相对位置如图1所示。

1. 地质情况

原始地貌为河谷冲洪积平原，现经过人工回填，场地地势平坦，标高为4.06～6.12 m。盾构下穿地层从上到下依次为：素填土、淤泥质土、中粗砂、砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中等风化花岗岩。

2. 建筑群情况介绍

某小区9号楼、10号楼、11号楼、12号楼、13号楼是1987～1989年修建的住宅楼，皆采用沉管灌注桩基础，桩径0.34 m，桩底绝对标高-6.15～-10.8 m，小区地表绝对标高5.7～5.85 m，房屋高7层，无地下室，9号楼、11号楼桩尖进入砾质亚黏土层5 m左右，其余3栋楼桩尖进入砾砂层2 m左右。

二、自动化监测

1. 仪器设备

本次施工使用1台徕卡TS30测量机器人进行自动化监测，开始将仪器架设在13号楼楼顶，监测左线9号楼、10号楼、11号楼的沉降，当左线盾尾脱离11号楼、右线刀盘距13号楼还有1环时，仪器换站到10号楼，主要监测右线13号楼和12号楼，此时11号楼已基本稳定。仪器、后视点的布设情况如图1所示。

图1　某小区9—13号楼监测点布设

2. 监测点的布设

根据《建筑变形测量规范》要求，监测点应布置在房屋承重构件或基础的角点上，长边测点应适当加密。监测点布设如图1所示，监测点都布设在屋顶以便保护和实时观测。为研究盾构切桩穿越过程房屋群的沉降规律，现将监测点分为3类研究分析：隧道中心线上、隧道左右边界上、隧道边界之外，分类情况见表1和表2。

表1　左线楼群监测点分类统计

3. 监测数据分析

为便于数据分析，坐标轴作如下规定：

横坐标：各监测点到盾构机刀盘的水平距离，单位为m；以监测点为原点，盾构机的掘进方向为正，反向为负。

表2　右线楼群监测点分类统计

纵坐标：监测点的动态累计沉降值，单位为mm；抬升时为正，下降时为负。

(1) 盾构左线切桩穿越时数据分析

① 左线中心线相应监测点

结果如图2和表3所示。

图2　左线中心线上房屋监测点动态沉降过程曲线

左线中线刀盘进房屋边缘刀盘出房屋边缘盾尾出房屋边缘点号距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值/mm备注/根9号6513-1.50.3 15 -2.8 24 -2.868-0.77-3.5 6515-13.5-0.23-2.712-3.029-0.67-4.61710号651908.50519.5-14.45426.7-12.7 -1.2 -16.555 6517-19.513.4770.0-4.4617.2-11.1-0.92-12.83011号6529-4.913.1 10.1 7.225.13.5-0.3216.326527-12.912.72.18.417.14.0-0.2914.88822

注：备注为盾构机在穿越每栋楼的切桩具体数；斜率为下沉最快阶段平均每米沉降量。

a. 9号楼沉降变化平缓，沉降值在-4.8～0.3 mm之间波动；10号楼变化起伏最大，开始沉降值为13.6 mm，到盾构结束时为-12.8 mm，累计变化量26.4 mm；6519监测点开始沉降值为9.7 mm，到盾构结束时为-16.555 mm，累计变化量26.255 mm。由于在盾构机到达11号楼之前进行地面注浆，11号楼初始抬升值比较大。

b. 盾构机刀盘进入房屋后，下沉增加，刀盘到监测点正下方切桩时下沉速度最快，刀盘脱离房屋时，下沉增加速度较快，从刀盘进入房屋到盾尾脱离房屋，下沉一直增加。

c. 同一幢房屋在中心线上的监测点沉降变化趋势一致。

② 左线边界相应监测点

结果如图3和表4所示。

左线边界刀盘进房屋边缘刀盘出房屋边缘盾尾出房屋边缘点号距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值mm备注/根9号6514-右界-11.5 -0.3 5 -3.4 14 -3.770-0.8 -4.1866516-左界-17.0-0.7-0.5-1.78.5-1.791-0.31-4.91710号6518-左界-3.513.51116.0 -14.33023.2-16.3 -1.49-17.7166520-右界2.01.52321.5-6.39128.7-7.4-0.4-8.73011号6528-左界-7.415.7 7.6 9.022.64.7 -0.35 18.9686530-右界-2.93.812.10.427.1-1.3-0.196.55622

注：备注为盾构机在穿越每栋楼的切桩具体数；斜率为下沉最快阶段平均每米沉降量。

a. 同一幢房屋在边界上的监测点沉降变化趋势一致。

b. 同一幢建筑物右边界的初始沉降值都小于左边界，穿越过程中，9号左右边界点沉降量差别不大，10号、11号楼的沉降变化量均是左边界大于右边界。

c. 刀盘到达监测点正下方时，下沉突然增加，沉降速度比其他时候都快。

③ 左线边界之外监测点沉降规律小结

a. 离中线垂直距离越近，变化趋势越接近于中心线上的点，变化趋势越相似，波动越大，越远波动幅度越小。

b. 10号楼房屋长边上距中线垂直距离大于15 m的监测点，沉降小于4 mm。

c. 11号楼6533、6534监测点距中线垂直距离大于28 m，沉降值小于3 mm。

d. 11号楼所有监测点都与中线监测点6529变化趋势一致，离中心线越远波动幅度越小，越近波动幅度越大，越近与6529曲线相似度越高。

(2) 盾构右线切桩穿越时数据分析

① 右线中心线相应监测点

结果如图4和表5所示。

图4　右线中心线上房屋监测点动态沉降过程曲线

右线中线刀盘进房屋边缘刀盘出房屋边缘盾尾出房屋边缘点号距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值/mm备注/根9号6541(7014) 0.7 018.1-7.925.6-10.3-0.41-11.86538(7016)-12.80.54.6-8.812.1-10.6-0.36-122713号7019 -8.9-0.4 1.6-5.7 6.4 -9.6-0.29-11.17021 3.0-1.713.5-7.518.3-11.1-0.28-12.21712号7035 1.6-4.816.0-17.5 21.9-10.3-0.47-18.924

a. 9号楼由于仪器换站的缘故，沉降出现一个较大的波动点。

b. 12号楼7035监测点距刀盘17.4 m时，沉降达最大值-18.9 mm，接近最大限值-20.0 mm，地面洞内同步注浆，距刀盘18.9 m时，由于注浆的缘故，沉降迅速减小到-13.0 mm，之后继续减小。

② 右线边界相应监测点

结果如图5和表6所示。

图5　右线边界之上房屋监测点动态沉降过程曲线

右线边界刀盘进房屋边缘刀盘出房屋边缘盾尾出房屋边缘点号距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm距离/m沉降值/mm平均下沉/(mm/m)最大值/mm备注/根9号7013-右界-10.50.76.9-1.814.4-2.0-0.33-2.37015-左界-2.7-0.314.7-4 22.2-4.3-0.21-5 7012-右界3 -0.320.4-3.127.9-4.3-0.15-5 2713号7020-右界-2.5-1.18.0-7.112.8-11.7-0.69-13.57022-左界6.2-2.016.7-7.421.5-10.5-0.56-10.87023-左界-11.5-0.2-1.0-4.83.8-7.9-0.5 -9.21712号7034-右界4.8-4.619.2-12.025.1-12.1-0.32-13.47036-左界-1.2-3.913.2-13.819.1-10.1-0.39-15.524

同一幢房屋边界监测点变化趋势基本一致；相同距离内切桩数量越多，相应房屋下沉越大。

③ 右线边界之外监测点沉降规律小结

a. 离中线越近，沉降变化越大，且越接近中线沉降变化曲线，越远沉降变化越小。

b. 13号楼监测点距中线垂直距离大于30 m时，沉降小于3 mm，长边上距中线垂直距离大于16 m，沉降小于3 mm；12号楼距中线垂直距离大于18.6 m，沉降小于3 mm。

三、结　论

本文分析总结了地铁隧道盾构切桩穿越建筑群时房屋的沉降变形规律，得到如下结论:

1) 将房屋上的点分为3类进行统计分析：中心线相应点、左右边界上的点、边界之外点。同类点在盾构掘进过程表现出相似的沉降规律，且离中线越近，沉降变化越大，反之，沉降越小。

2) 从刀盘进入房屋到盾尾脱离房屋，下沉一直增加，累计下沉占总沉降量的60%以上；盾构机刀盘进入房屋后，下沉增大，刀盘到监测点正下方切桩时下沉速度最快，达1.49 mm/m;刀盘脱离房屋时，下沉增加速度较快。应增大从刀盘进入到盾尾脱离建筑物期间的监测频率。

3) 房屋监测点距中线垂直距离大于30 m时，点的沉降量很小(小于3 mm)，无需再布设监测点。因为切桩的影响，使得监测范围不符合传统按2倍隧道直径设计。

4) 房屋长边上监测点距中线垂直距离大于15 m时，沉降小于5 mm，可少布设监测点。

[1]李曙光，方理刚，赵丹.盾构法地铁隧道施工引起的地表变形分析[J].中国铁道科学，2006，27(5):87-92.

[2]王占生，王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施[J].中国安全科学学报，2002，12(2):45-50.

[3]姜忻良，贾勇，赵保建,等.地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究[J].岩土力学，2008，29(11):3047-3052.

[4]卿伟宸，廖红建，钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J].地下空间与工程学报，2005，1(6):960-963.

[5]彭畅.盾构隧道施工对地层及建筑物影响的数值分析[D].武汉：华中科技大学，2007.

[6]高改萍，李双平，苏爱军，等.测量机器人变形监测自动化系统[J].人民长江，2005，36(3):63-65.

[7]裴运军.测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用[J].湖南水利水电，2011，14(6):31-33.

[8]柏文锋.基于全自动全站仪的地铁隧道自动化变形监测系统的设计与实现[J].城市勘测，2014(3):97-99.

[9]张正禄，沈飞飞，孔宁，等.徕卡新型全站仪TS30的测评和开发研究[J]. 测绘信息与工程，2011，36(1):52-54.

[10]段伟，王敏，钟金宁，等. 地铁隧道结构稳定性自动化监测系统的研究与应用[J].测绘通报，2015(9)：91-94.

[11]吴灿鑫，胡雷鸣，付和宽. 地铁隧道自动化监测精度分析[J].测绘通报，2015(1)：137-138.

[12]陈荣彬，林泽耿，李刚. 测量机器人在地铁隧道监测中的研究与应用[J].测绘通报，2012(6)：61-63.

Settlement Impact Analysis of Metro Shield Tunnel Crossing Building Group with Cutting Stakes

ZHANG Liya,ZHANG Hongmei,DENG Kazhong,LONG Sichun,CHEN Qingsong

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0262.

2015-06-11；

2016-01-12

湖南省教育厅科学研究项目(13C313)；湖南省科技厅科技计划(2014FJ3104)；国家自然科学基金(41474014)

张立亚(1982—)，男，博士，讲师，研究方向为变形监测及数据处理。E-mail：lyzhang47@163.com

P258

B

0494-0911(2016)08-0081-05

引文格式：张立亚，张宏梅，邓喀中,等. 地铁盾构隧道切桩穿越建筑群的沉降影响分析[J].测绘通报，2016(8)：81-85.