盾构隧道掘进对建筑物的影响及其控制技术研究

时间：2024-07-28

田宪国

(中铁十三局集团公司第二工程公司，广东深圳 518083)

1 工程概况与地面建筑物特点分析

1.1 工程概况

深圳地铁2号线东延线工程，线路从世界之窗向东北方向延伸，经欢乐谷、华侨城、安托山后沿侨香路行进，经莲花路向南至新洲路，再向东至深南大道，沿深南大道延伸至黄贝岭站。全长约19.04 km，均为地下线。设车站16座、两主变电站及后海停车场一处，区间为双线地下隧道。本文分析的香梅北站—景田北站区间线路出香梅北站后，下穿福田区外国语学校操场，在建沁景园，再横穿景田北街后，穿越景蜜花园、红蜻蜓幼儿园、景秀中学操场，进入莲花路，沿莲花路向东延伸，进入景田北站。

1.2 地质条件分析

工程区间未见地质构造，隧道穿越地层较为简单。主要为冲洪积层、残积层、全～微风化岩层，下伏燕山期()花岗岩及震旦系()花岗片麻岩，花岗岩与花岗片麻岩为侵入接触。区间范围内地表水主要为新洲河河水，新洲河发源于梅林水库北侧山间溪谷，于莲花山西侧向南延伸，于渔农村汇入深圳河，长约9 km。新洲河为梅林水库的主要泄洪河道，为景田北、新洲路一带地表水流的汇聚地和排泄通道，夏季水量丰沛，常年流水，水量随季节变化较大。

1.3 隧道沿线的建筑物调查与分析

地铁区间隧道沿线的建筑物主要有景蜜村安居房16#楼和红蜻蜓幼儿园等，其结构、与隧道的关系以及埋深等具体参数列于表1。

由表1可知，按建筑物本身结构特点，并结合与隧道位置的关系及距离，位于左线正下、右线侧下的各安居楼房以及红蜻蜓幼儿园较为危险。

2 盾构隧道掘进对建筑物的影响分析

按照对地铁线所处区段地表建筑物的调查结果，选取景蜜村安居房16#楼和红蜻蜓幼儿园等代表性建筑物对盾构推进引起的建筑物变形进行分析。

2.1 景蜜村安居房16#楼

景蜜村安居房16#楼的结构特点与参数见表1，其与隧道位置关系如图1所示。

依据楼房与隧道的位置关系及参数，建立隧道推进有限元数值计算模型，见图2。由图2并结合计算可知盾构推进完成时的整体变形结果，建筑物的最大沉降量为18 mm，差异沉降为4 mm，由建筑物宽度为9 m计算得倾斜率为1/2 250。依据《建筑地基基础设计规范》，结果满足建筑物地基任意点附加沉降量应≤20 mm以及倾斜率应≤1/500等规范的限制要求。

2.2 红蜻蜓幼儿园

红蜻蜓幼儿园的结构特点与参数见表1，其与隧道位置关系如图3所示，计算模型见图4。

由图4并结合计算可知盾构推进完成时的整体变形结果，建筑物的最大沉降量为15 mm，差异沉降为2 mm，由建筑物宽度为8 m计算得倾斜率为1/4 000，结果满足建筑物地基任意点附加沉降量应≤20 mm以及倾斜率应≤1/500等规范的限制要求。

表1 香梅北站—景田北站区间沿线部分主要建筑物

图1 景蜜村安居房16#楼与隧道位置关系(单位:尺寸 mm;高程 m)

图2 隧道穿越景蜜村安居房16#楼模型及穿越后变形结果

图3 红蜻蜓幼儿园与隧道位置关系(单位:尺寸 mm;高程 m)

图4 隧道穿越红蜻蜓幼儿园模型及穿越后变形结果

3 穿越地面建筑物变形控制技术分析

3.1 工程措施

对于景蜜村安居房16#楼，按目前的施工经验及计算结果看，不采取工程保护措施也不至于影响建筑物的正常使用和安全。但考虑到施工不确定性影响且位于居民小区，桩端距隧道顶较近，隧道开挖可能引起桩基础承载力的衰减，一旦出现事故将会造成较大的经济损失和社会影响。因此，有必要采取诸如注浆等地基加固措施对建筑物加以保护。

对于红蜻蜓幼儿园，由于建筑基础形式为条形基础，且为3层框架结构，尽管计算结果在允许范围内，但考虑到施工不确定性影响且位于幼儿园正下方，还须采用地面注浆等措施来改善建筑物下方的土体性质，以此减小盾构开挖对建筑的影响。

依据工程相关理论与技术，结合计算结果、工程经验及社会影响，经研究比选，本工程提出的相应措施列于表2。

表2 地面变形控制措施

3.2 盾构控制技术

依据盾构技术，在穿越建筑物时，盾构施工对土仓压力、同步注浆压力、推进速度以及盾构掘进姿态的控制等几个方面，必须进行合理控制。

3.2.1 土仓压力

为克服建筑物荷载附加应力引起的地层应力场变化，在进入建筑物影响的范围内，开始调整盾构土仓压力。在推进速度不变的情况下，减小螺旋输送机转速。在本工程实际推进中，均根据现场情况确定穿越建筑物时土仓压力调整值。

3.2.2 注浆压力

盾尾同步注浆具有及时填充盾尾间隙、确保管片衬砌的早期稳定(外力均匀)、防止地层变形的作用。当注浆压力相当于隧道埋深处的地层应力时，对减少地层损失和地表沉降量效果最为显著。当盾构通过建筑群时，根据计算出的实际应力来增大注浆压力，以此来控制地层变形并保证隧道结构质量。

3.2.3 推进速度和出土量

盾构推进速度对地面建筑物的隆沉变形有明显的影响。综合考虑盾构推进速度与土仓正面土压力、千斤顶推力、土体性质等因素，结合以往类似盾构穿越建筑物群的经验，盾构掘进速度建议控制在8～12 mm/min。尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地通过建筑物群，以减少对周边土体的扰动影响，以免对上部建筑物结构产生不利影响。

3.2.4 盾构姿态控制

由于掘进过程中开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性，地下土层变化及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致。为此，通过分析实际施工中取得的可靠控制数据，给出不同地质条件下的千斤顶参考推力，为盾构机司机提供控制参考值，从而有效地实现盾构姿态的控制，使其实际的行进路线与设计路线尽量一致，提高施工质量。