盾构隧道扩挖修建地铁车站对周边建筑影响分析

冉 龙 洲

(天津市市政工程设计研究院，天津 300000)



盾构隧道扩挖修建地铁车站对周边建筑影响分析

冉 龙 洲

(天津市市政工程设计研究院，天津 300000)

以北京地铁盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站为背景，采用有限元模型，研究了盾构扩挖修建地铁车站对地表及周边环境的影响，研究表明，小导洞开挖和主洞开挖对地表沉降影响最大；车站扩挖施工对建(构)筑物的影响程度受到相对位置关系、建筑物与土体相对刚度等控制，现场监测和数值分析表明，打设隔离锚杆桩是临近建(构)筑物施工中控制建(构)筑物沉降变形的有效方法。

地铁，盾构隧道，洞桩法，扩挖

0 引言

地铁作为城市公共交通的重要组成部分，对缓解城市交通拥堵、提高城市效率、提升城市现代化水平发挥着关键性的作用。随着地铁的发展，地铁建设面临着道路狭窄、邻近建(构)筑物密集、地下管线密集、地下空间用地紧张等严峻的环境。目前城市地铁地下车站的修建方法如PBA工法、明挖法等，在这些严峻的环境面前越来越难以实施[1]。

为了解决上述复杂的环境问题，北京地铁进行了盾构法结合洞桩法扩挖形成车站的试验，并获得了成功。该工法首先采用土压平衡盾构开挖形成外径为10 m的大断面隧道，在盾构隧道先行贯通的基础上结合洞桩法扩挖形成车站。该工法结合了盾构法和洞桩法的优势，目前对该工法引起的地表沉降有大量研究[2,3]，但鲜有结合实际工程进行分析。本文结合以盾构扩挖车站为背景，以数值模拟和实际监测相结合的方法，研究在盾构先行通过基础上扩挖车站引起的地表沉降及临近建(构)筑物沉降变形等，为城市地铁施工进行一定的指导。

1 工程概况

试验车站所处现状道路最小宽度仅17 m，道路下管线密集，两侧多层楼房等建(构)筑物密集(如图1所示)。该站采用外径为10 m的大直径盾构掘进先行通过，然后在盾构隧道基础上采用浅埋暗挖法扩挖形成车站，扩挖后的车站站台形式为侧式站台，断面为双联拱形式。大直径盾构隧道的管片厚度为0.5 m，环宽为1.8 m，每环管片等分9块，在车站范围内采用通缝拼装形式。在大直径盾构隧道内，先施作底梁、中柱和顶梁，并架设临时短支撑，然后采用PBA(洞桩法)法进行扩挖施工。

洞桩法扩挖施工步骤如下(如图2所示)：步骤①盾构通过车站区段后，盾构隧道内施工中柱和纵梁，架设洞内临时支撑，注浆加固小导洞周围地层，开挖小导洞，洞内施工围护桩。 步骤②注浆加固拱顶土体，对称开挖中导洞主拱部土体，施工顶拱初衬，设置临时仰拱。步骤③沿隧道纵向分段拆除封顶块管片两侧小块及管片邻接块，凿除小导洞局部初衬，留出二衬施工空间，施工主拱二衬。 步骤④开挖土体至第三道横撑下，对称拆除中部管片和相应支撑。步骤⑤开挖土体至坑底设计标高，对称拆除下部管片和相应支撑，浇筑底板、侧墙二衬混凝土，待二衬混凝土结构达到设计强度后施工站台板和附属结构。

扩挖车站覆土厚度14.3 m，宽度为18.0 m，与5层～7层居民楼水平净距仅8.8 m。扩挖车站在复杂施工过程中，必然引起地表及建筑物沉降，严重时影响建筑物的安全使用。

2 施工过程数值分析

2.1 模型建立

采用“地层—结构”模型模拟车站扩挖施工过程对建筑物的影响。采用MIDAS GTS建立二维有限元模型，模型尺寸为160 m×60 m，如图3所示。土体采用平面应变单元进行模拟，选用修正摩尔库仑本构模型，扩挖断面拱部注浆加固通过改变加固范围内土体参数的方法进行模拟。土体和注浆体物理力学参数见表1。顶梁、中柱、底梁和二衬采用平面应变四节点单元、弹性本构关系进行模拟；管片、初期支护采用梁单元模拟；临时支撑采用桁架单元模拟。结构单元参数见表2。

表1 土体和注浆体物理力学参数

名称厚度m压缩模量MPa泊松比重度kN/m3粘聚力kPa内摩擦角(°)土11.3100.316.5108土24.5110.319.82028土32.85.70.3119.43018土44.1200.29220.530土53.9250.28250.535土610.1100.3119.74018土76.213.30.3119.93519土88400.28210.540土93.8200.3119.43819土1035.3300.3119.93819注浆体—600.321.55035

表2 结构单元物理力学参数

2.2 建筑物模拟方法

扩挖施工对建筑物的影响本质上是建筑物和土体的相互作用，受到建筑物和土体刚度的影响。研究认为[4]，在土与结构的相互作用中，土与结构的相对刚度对建筑物的变形影响最直接。

为了准确的模拟建筑物，采用文献[5]中提出的方法，即将n层建筑物看做由n+1层楼板组成，n层建筑物的抗弯刚度与轴向刚度可以表示为：

EA=(n+1)EAslab。

其中，Islab，Aslab分别为每层楼板的截面惯性矩与截面面积。一般取楼板厚度为t=0.12 m，各层楼板之间竖向间距H=3 m。

根据上述公式，计算出不同楼层时建筑物的刚度，如表3所示。

表3 不同楼层建筑物刚度值

根据建筑物的抗弯刚度和轴向刚度，即可反算建筑物的当量厚度和当量弹性模量，分别可以表示为：

2.3 工况模拟

有限元分析中，模型通过对单元的激活和钝化实现对土体开挖和结构安装的模拟，从而实现各施工步序。

根据实际施工方案，本文对比分析两种工况：

1)对建筑物不采取任何措施；

2)打设隔离桩，即在扩挖结构外侧3m处，打设三排φ150@600复合锚杆桩作为隔离桩。

本文针对这两种工况进行了数值分析，并将结果与监测数据进行了对比分析。

3 地表沉降及建筑物沉降规律

3.1 盾构通过时的地表沉降分析

图4为盾构推进过程中地表纵向沉降曲线，可以看出，在盾构通过监测断面前，地表沉降值较小；当盾构即将到达监测断面时，由于刀盘推力的作用，地表略有隆起；盾构通过后，地表沉降逐渐加大，当盾构完全通过后，地表沉降达到最大，位于盾构机正上方的地表沉降值达到14.4mm。图5为监测断面上数值分析的地表沉降曲线和实测沉降曲线。可以看出，数值分析与监测数据吻合较好。

3.2 车站扩挖施工沉降分析

图6为扩挖施工各步序引起的地表沉降曲线。洞内临时支撑施作及两侧导洞开挖引起的地表最大沉降为27.00mm，主洞开挖引起的最大沉降为50.64mm，而所有工序施工完毕，地表最终沉降的最大值为65.48mm。通过分析可知，扩挖车站各步序对地表沉降的贡献为导洞开挖∶主洞开挖∶其他步序=0.41∶0.36∶0.23，这与文献[2]的计算结果比较吻合。

3.3 扩挖施工引起的建筑物沉降分析

图7为在不同位置存在建筑物时的地表沉降曲线，分析10m宽建筑物分别位于扩挖车站正上方，距离车站中轴线外0.5B，1.0B，1.5B(B为开挖宽度)等多种工况。从图7可以看出，建筑物的存在对沉降槽的整体趋势和最大沉降值影响不大，不同工况下，沉降槽的宽度均约为50m。但是，对建筑物存在位置进行详细研究，可以看出，建筑物在小范围内改变了沉降曲线的形态，由于建筑物的存在，地表土体不能自由的发生变形，而受到建筑物的制约，该制约程度与建筑物所处位置及建筑物与土体的相对刚度有关。在进行分析时，不能简单的以地表沉降代替建筑物的沉降。

图8为采取隔离锚杆桩和不采取措施时扩挖施工各步序的地表沉降曲线。由于隔离锚杆的作用，锚杆位置处地表沉降在导洞开挖、主洞开挖、最终沉降值三个步序分别从15.0mm，30.0mm，42.6mm降低到0.8mm，5.6mm，16.1mm，分别降低了94.67%，81.33%，62.21%，地表最大沉降值比无锚杆时降低了2mm～4mm。表4给出了两种工况下建(构)筑物的沉降值，并与现场实测数据进行了对比。隔离锚杆桩使建(构)筑物的最大沉降降低了52%，倾斜率降低了60%。这说明打设隔离锚杆桩能够有效控制临近建(构)筑物的沉降变形。

根据对建筑物的现状检测及评估，施工期间应保证建筑整体沉降不大于20mm，差异沉降不大于15mm。实际监测数据表明，施工引起的建筑物最大沉降为14.6mm，最大差异沉降为4.2mm，该沉降值满足建(构)筑物相应的控制标准。结合数值分析的结果表明，打设隔离锚杆桩是临近建(构)筑物施工中控制建(构)筑物沉降变形的有效方法。

表4 不同工况建筑物沉降

4 结语

本文结合北京某地铁车站，运用数值分析并结合现场监测，研究了盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站引起的地表沉降及对周边地面建筑的影响。本文的研究得出了以下结论：

1)扩挖施工过程对地表沉降影响最大的主要是小导洞开挖和主洞开挖两步，占了总体沉降的80%左右。

2)车站扩挖施工引起地表建筑的沉降与倾斜，建(构)筑物受影响程度受到相对位置关系、建筑物与土体相对刚度、建筑物宽度等控制。

3)现场监测和数值分析表明，打设隔离锚杆桩是临近建(构)筑物施工中控制建(构)筑物沉降变形的有效方法。

[1] 丁德云，鲁卫东，杨秀仁，等.大直径盾构隧道扩挖地铁车站的力学性能研究[J].岩土力学，2010，31(S2):281-287.

[2] 王 芳,贺少辉,汪 挺,等.PBA法扩挖大直径盾构隧道修建地铁车站地表沉降控制[J].北京交通大学学报,2013,37(1):34-39.

[3] 南骁聪.大直径盾构结合PBA法修建地铁车站三维数值分析[D].北京:北京交通大学博士论文,2012.

[4] Boscardin M D,Cording E J.Building response to excavation-induced settlement[J].Journal of Geotechnical Engineering，1989,115(1):1-21.

[5] Potts D M,Addenbrooke T I.A structure’s influence on tunneling induced ground movements[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering，1997,125(2):109-125.

Analysis on the impact of building subway station with shield tunnel enlarging excavation method upon surround buildings

Ran Longzhou

(TianjinAcademyofMunicipalEngineeringDesign,Tianjin300000,China)

Taking building subway station of integrating Beijing subway shield tunnel with cave-pile method as the background, applying finite element model, the paper studies the impact of building subway station with shield enlarging excavation method upon surrounding buildings. Research results show that: small guide hole excavation and major hole excavation has biggest impact upon ground surface settlement value, the influencing degree of subway station enlarging excavation upon buildings will be controlled by relevant location relationship, buildings and relevant soil rigidity. The in-situ monitoring and numerical analysis show that: setting separated anchor pile is an effective method for controlling building settlement deformation in adjacent building construction process.

subway, shield tunnel, cave-pile method, enlarging excavation

1009-6825(2016)18-0179-03

2016-04-11

冉龙洲(1988- )，男，助理工程师

U445.43

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