第28卷第4期 湖南科技大学学报(自然科学版) Vo1.28 No.4 2013年 12月 Journal of Hunan University of Science&Technology(Natural Science Edition)Dee. 2013 双线隧道盾构施工对临近 高层建筑物的影响分析 李涛,陈慧娴,刘波,窦海洋,杨伟红 (中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083) 摘要:以北京市轨道交通6号线某区间盾构隧道工程实例为背景,针对双线盾构掘进先后通过临近高层建筑物的特殊 情况,首先通过FLAC 软件对该工程进行数值模拟,分析了先后盾构掘进两条平行隧道时地表最大沉降值的位置,以及盾构 掘进与临近建筑物相互作用对地表沉降的影响;其次,对盾构:堀进先后穿过高层建筑物的实测数据进行了分析,获得了双线 盾构顺序穿越临近高层建筑物过程中地表沉降的变化规律;最后,分析了盾构施工对临近高层建筑物的影响.结果表明:在盾 构面前方20 m作用的范围内,地表略微隆起,而盾构通过40 fl后地表沉降基本稳定;后行隧道引起的地表沉降大于先行隧道 引起的地表沉降;临近高层建筑物在隧道沉降槽影响范围内时,盾构施工对建筑物影响较大,而与双线隧道的先后施工顺序 关系不大,数值计算和实测结果相符,对类似工程有一定的借鉴和指导意义. 关键词:双线盾构;高层建筑物;数值计算;现场监测 中图分类号:TU433 文献标识码:A 文章编号:1672—9102(2013)04—0043—06 随着我国城市轨道交通的Et益发展,盾构法以 分析了后掘进盾构施工超越先掘进盾构的特殊情 其安全高效,以及对周围地层影响小的优点在城市 况.文献[7]对邻近不同位置建筑物工况下的盾构 地下隧道施工中得到了广泛的应用.由于城市地下 隧道施工进行了模拟和分析,确定建筑物比较危险 隧道施工多在市区,周围建筑物较多,给施工带来一 的区域.以上研究多针对单一盾构隧道对周围环境 定的难度的同时,也影响临近建筑物的安全和正常 的影响的研究,基于此,本文对双线盾构隧道先后通 使用 J.临近高层建筑物时,盾构隧道开挖自身的 过既有临近高层建筑物时,周围土体和建筑物二次 安全以及由开挖引起建筑物的变形是一个极其复杂 扰动的问题进行研究. 的共同作用的问题,也是目前盾构法施工需要解决 本文以北京地铁6号线双线盾构隧道先后旁穿 的一个重要问题.针对这些问题,文献[2]研究了盾 临近高层建筑物为背景,采用数值仿真分析和现场 构隧道近距离侧穿建筑物的情况,获得了建筑物变 实测的方法,对盾构推进过程中对周围土体的两次 形、地表变形与盾构面和建筑物之间距离的关系.文 扰动问题进行了分析,并对建筑物不均匀沉降和偏 献[3—5]通过大量的数据分析,分析了Peek法预 移问题进行了深入研究. 测我国的隧道施工引起地表面变形的适用情况,并 获得了用于预测隧道施工引起建筑物变形的刚度分 1 工程概况 析法,这个考虑隧道一土一结构相互作用,同时也研 本工程为北京地铁6号线双线盾构隧道近距离 究了隧道施工对地层沉降槽宽度的影响.文献[6] 旁穿临近高层建筑物,如图1所示.双线隧道采用先 收稿日期:2012一l】一28 基金项目:国家自然科学基金(50974126);博士点基金新教师类(20100023120003) 通信作者:李涛(1981一),男,河南新郑人,博士,讲师,主要从事岩土工程、城市地下工程研究.E—mail:]itaocumtb@163.corn 43 后盾构的方式进行,先施工右线,后施工左线,2条 线路都从西向东进行掘进.为了保证工程的盾构能 顺利通过高层建筑物,对右线隧道上部土体进行了 袖阀管注浆加固.近距离旁穿的高层建筑物为全现 浇钢筋混凝土剪力墙结构,地上21层地下2层,基 础为箱型基础,2层地下室,埋深约为4.8 m.建筑物 平面尺寸为27.6 m×27.6 m.盾构隧道尺寸及其与 建筑物的相互位置关系如图1所示.隧道埋深 23.5 m,盾构外径为6 150 mm,最大推进速度10 cm/min,最大推力为38 500 kN,最大扭矩为5 620 kN・m. 盾构推进方向 叭D2苊线隧道 。一…一一 ● ● .一n3 d…一一 ● ● 地 (a)平面示意图 (h)剖面示意图(单位:mm) 图1 盾构隧道和高层建筑物相互关系图 Fig.1 Arrangement among tunnels and building 2 数值计算 2.1 计算模型 采用有限差分软件FLAC如进行分析,模型尺寸 可基本消除边界效应带来的影响.FLAC如计算网格 单元如图2所示.岩土体模型采用弹塑性理论,符合 摩尔一库仑准则;盾构隧道的管片,建筑物的基础采 用弹性体三维实体单元,力学行为符合胡克定 律 ;高层建筑物的箱型基础采用弹性体单元进行 模拟.在盾构过程中,衬砌管片所受到的注浆压力比 较复杂,浆液渗入土体,与土压力相互平衡后,一起 对衬砌产生作用,在此过程中,浆液要经过由液态到 固态的过程.由于浆液由液态逐渐硬化成固态的过 程较难模拟,因此,通过向上一步中盾尾处的1环单 元的外围土体单元施加等效均布的径向压力,模拟 盾尾同步注浆过程 J.具体的模拟过程为:(1)重力 荷载作用下的内力平衡;(2)施加建筑物的荷载,并 再一次进行内力平衡;(3)分步开挖右线隧道,管片 拼装并进行壁后注浆;(4)分步开挖左线隧道,管片 拼装并进行壁后注浆. 2.2边界条件 模型侧面和底面为位移边界,模型两侧的位移 44 边界条件是约束水平移动,模型底部位移边界为固 定边界,约束其水平移动和垂直移动,模型上边界为 地表,为自由边界. 2.3模型参数 区间隧道穿过地层自上而下为:粉质粘土层、粉 土层、粉细砂层、圆砾层、中粗砂层、粉质粘土层、粘 土层、粉土层.在铁路箱涵范围隧道穿越地层上半部 为圆砾卵石层,下半部为粉质粘土层.区域水文地质 勘测资料表明,本段线路赋存3层地下水,分别为上 层滞水、潜水及层间水.近3~5年最高水位标高 31.00 m,为上层滞水.计算模型的物理力学参数如 表1所示,衬砌、建筑物基础的力学参数如表2 所示. 图2计算网格单元 Fig.2 Unit grid of computing model 表1岩土材料的物理力学参数 Tab.1 Calculation parameters of geomaterial of shield launching paragraph 序号 名称 密度/(kg/m )弹性模 ̄/GPa 泊松比 2.4计算结果 1)地面沉降计算结果分析 图3是隧道上方地表纵向沉降的分布曲线.地 表纵向沉降曲线是施工中最为关心的控制指标之 一,本文用三维方法对测点数据比较完整的D4(见 盾构旁穿后,引起了建筑物较大的沉降及倾斜,其中 点的沉降为一3.6 mm,G点的沉降为一11.6 mm, A点的沉降为一10.0 mm;左线隧道通过建筑物后, 点的沉降稳定在一4.0 mm,G点的稳定沉降值为 一图1(a))进行了计算分析.在盾构推进过程中产生 的地面变形主要由盾构到达前的变形、盾构达到和 通过时的变形、地表后期固结变形3个部分.施工过 程中,盾构机推力大于开挖面水土压力时,会表现为 地表隆起.数值计算过程中,开挖面是处于平衡状 态,故不能表现出隆起的现象,反而出现微小的沉 降,图3显示盾构施工对开挖面前方土体的影响范 14.5 mm,A点的稳定沉降值为一12.6 mm.由此 可以看出,右线隧道通过高层建筑物时,对建筑物产 生了较大的影响,而左线隧道通过时,对建筑物影响 不大,这主要与隧道开挖引起的沉降槽宽度i有关. O’Reilly和New伦敦地区的经验认为:沉降槽宽度 围大约在45 m左右.盾构到达和通过时的沉降主要 是由管片拼装后与盾构外壳之间形成的空隙引起 的,这一部分的沉降大约为一8.6 mm,占总沉降的 79.6%.盾构通过监测断面后,出现一定的后期固结 沉降,其值大约为一0.3 mm,盾构开挖面通过测点 20 m左右后,沉降值基本趋于稳定,其值 为一l0.8 mm. 图3 地表纵向沉降曲线 Fig.3 Displacement of the ground surface 2)建筑物沉降计算结果分析 图4是高层建筑基础的沉降曲线.在右线隧道 开挖后,地层内部的荷载得到释放,并重新分布,使 得在建筑物附近的沉降槽向隧道方向发展;双线隧 道通过后引起的地表最大竖向位移为一16.2 mm, 高层建筑物基础最大沉降量一12.1 mm,远离隧道 一侧的基础最大沉降量一3.8 mm,如图4(a)所示. 与隧道上方地表的沉降呈现V型相比(图3),由于 建筑物荷载的存在,使得该曲线呈现出w型.从建 筑物处沉降曲线的突变可知建筑物在隧道施工的影 响范围内. 图4(b)是双线隧道先后盾构通过建筑物的沉 降曲线图.图中数字1,2,3分别表示右线隧道通过 点A,B,G时的沉降,数字4,5,6分别表示左线隧道 通点A,B,G的沉降右线隧道距离建筑物很近,故 i和隧道深度 之间存在简单线性关系 : i=Kz0. (1) 式中 为沉降槽宽度参数.文献[3]通过大量的数 据统计分析,认为北京地区 值应该在0.3—0.6. 基于本次工程的地层条件,K取0.55.本工程隧道 深度 为23.5 m,经计算,右线隧道开挖引起的沉 降槽宽度为12.9 m,大于右线隧道与建筑物之间的 距离12.1 m,而小于左线隧道与建筑物之间的距离 26.1 m.故,建筑物是否在隧道沉降槽宽度范围内是 建筑物产生变形大小的主要原因,而与双线隧道先 后施工的顺序关系不大. 模型 句的长度,nl (a)建筑物基础处的横向沉降图 型 逝 计算时步 建筑物基础处的纵向沉降图 图4高层建筑基础地表位移曲线图 Fig.4 Displacement of the ground surface about the tall building ̄undation 45 3 现场监测结果分析 为保证高层建筑物的安全,使盾构施工顺利进 行,对盾构施工过程进行动态监测.主要监测内容 有:地表沉降、高层建筑物沉降. 3.1 地表沉降实测结果分析 图5为观测点沉降量随机头位置变化的曲线. 地表监测点沿盾构隧道掘进方向每5~10 m布置一 监测断面.为研究线路中线盾构机机头前后的纵断 面沉降曲线分布,在盾构机前方40 m左右的线路中 线上方地面处布设沉降观测点.当盾构机向前掘进 时,盾构机逐渐临近并通过该点,然后又逐渐离去. 从图5可以看出:在盾构面前面20 m作用的范围 内,地表略微隆起,这主要是施工过程中,盾构机推 力略大于开挖面水土压力造成的.地表在盾构到达 前15 m左右开始沉降,一直持续到盾构通过40 m 后,以后地表沉降基本稳定.监测结构表明D1点的 沉降值最大,为一12.4 mm,各监测点平均沉降值为 一l0.5 mm.与数值计算结果基本相符,也验证了计 算模型的正确性. . 、、广] J' 距离盾构嚼的}∈度,n1 图5 不同时间同一观测点沉降量随机头位置变化 曲线 Fig.5 Displacement to shield tunnel face in different time of a same observation point 3.2 临近高层建筑物沉降实测结果分析 图6是高层建筑物各监测点的实测沉降曲线. 在右线盾构到达各监测断面前,各测点先出现了不 同程度的上浮现象,随着盾构的掘进,开始呈缓慢下 沉趋势发展.右线盾构穿过后,临近隧道的测点c,JD 出现了稍大的沉降,其中c点的沉降值为一8.1 mm,D点的沉降值为一9.2 mm,而远离隧道一侧的 建筑物监测点无明显沉降.由第2.4.2节分析可知, 单个隧道沉降槽宽度为12.9 m,C点与右线隧道之 间的距离为12.1 m,在沉降槽宽度范围内,所以沉 46 降变化明显;而F,G2点到右线隧道中线的距离为 大于20 m,在沉降槽宽度范围之外,§u, 矬蟮 受盾构隧道开 挖的影响较小,而且,由于建筑物为框架结构,整体 o 4 罐 郴 刚度较好,甚至出现了F,G2点略微上浮的情况,其 值为0.8 mm.当左线盾构到达高层建筑物时,D监 测点的沉降值最大,其值为一13.0 mm;左线盾构穿 过建筑物,地层沉降趋于稳定时,D点的累计沉降量 最大,为一14.3 mm;而测点G继续上浮,其值达到 3.0 mm,并逐渐趋于稳定.由以上分析可知,右线隧 道引起建筑物的沉降要远大于左线隧道引起的沉 降,这说明沉降槽宽度i是考虑盾构隧道施工对建 筑物影响的重要参数.以D点为例,D点距离右线 隧道中线为12.1 m,在沉降槽宽度内,此时右线隧 道引起建筑物沉降为一9.2 mm,占总沉降的 64.3%;D点距离左线隧道中线为26.1 m,在沉降 槽宽度外,左线隧道引起的沉降为一5.1 mm,占总 沉降的35.7%. l、遥教 n:铽,瞄T Iltl 4 0 到建筑物 ; 窀 0 l0 20 30 40 ∞ 时间,t{ 图6高层建筑沉降 Fig.6 Settlement of the tall building 图7是建筑物倾斜率的历时曲线.建筑物基础 倾斜监测采用倾斜位移测量法测量,即根据建筑物 结构的差异沉降来推算楼房基础的倾斜率,基础倾 斜各测点与楼房结构沉降测点相同.右线隧道盾构 过程中,建筑物基础最大倾斜率发生在A一日截面, 倾斜率最大值为0.035 9%.左线盾构通过至沉降稳 定时,建筑物基础D—E截面和A—日截面倾斜率分 别为一0.046 1%和一0.029 3%.由表1可知,高层 建筑物地基位于粉质粘土层上,其侧限压缩模量 远大于4 MPa,属于中低压缩性土.根据《建筑地基 基础设计规范》,工业与民用建筑对于框架结构,相 邻柱基的沉降差的允许值为0.002 f(Z为相邻柱基 中心距离),即倾斜率为0.2%,而以上结果均小于 0.2%,故建筑物是安全的. ∞£!叭∞枞至}∞ m m m m m 逛 :llld 先后施工顺序关系不大.双线盾构通过建筑物后,建 筑物的最大倾斜率为一0.046 1%,符合相邻柱基的 倾斜率小于0.2%的规定,各监测点沉降值变化速 率慢慢减小,各点沉降趋于稳定. 澄 g 跳 右到达线建盾构筑面物 左到线达盾建构筑物jli『 4)数值计算的沉降规律和现场监测的沉降规 螺 . 刹 ; 0 10 20 30 40 ∞ 时间,(I 图7建筑物倾斜率的历时曲线 Fig.7 Gradient of slope—time eulwe8 of building foundation 4 双线盾构对临近结构物的影响 分析 双线隧道先后施工过程中,由于前行隧道引起 的滞后沉降尚未完成,使得两条隧道扰动范围的重 叠区域的土体受到第二次扰动,土体在反复挤压和 卸荷的影响下,密实度、变形模量等物理力学参数相 应降低,土体稳定性变差.与前行隧道引起的地层沉 降相比,土体会产生更大的弹塑形变形,从而引起更 大的地表沉降. 现场监测和数值计算表明,盾构隧道时,由于施 工对土体造成的扰动,使得周围地层发生一定的沉 降或隆起,这会对紧邻结构物造成一定的损伤.双线 隧道盾构过程中,沉降槽宽度i是确定地表变形范 围的主要依据.建筑物是否在隧道沉降槽宽度范围, 对建筑物的沉降产生较明显的影响.因此,确定沉降 槽宽度i是分析这类问题的关键. 5 结论 1)现场监测和数值计算结果表明,北京地铁盾 构施工中,在盾构面前方20 m作用的范围内,地表 略微隆起;地表在盾构到达前15 in左右开始沉降, 盾构通过40 in后地表沉降基本稳定.同时也说明了 模型的合理性,以及结果的可靠性. 2)2条盾构隧道先后通过时,扰动范围的重叠 区域的土体受到第二次扰动,土体稳定性变差.后行 隧道掘进会使土体产生更大的弹塑形变形,从而引 起更大的地表沉降. 3)由于建筑物的存在,使得地表横向沉降出现 双峰曲线;临近高层建筑物在隧道沉降槽影响范围 内时,盾构施工对建筑物影响较大,而与双线隧道的 律基本相符,采用有限差分的方法预测地铁盾构穿 越建筑物引起的地表沉降,在实际中具有指导意义. 参考文献: [1]阳军生,刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北 京:中国铁道出版社.2002. 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And the influences of the interactions between twin shield tunneling and the nearbv high rise building on the ground settlement were analyzed numericallyFurther,the field instrumentation weIle presented and . conducted during the tunnels—driven passing through the nearby high rise building successivelyand the cuIves of .ground settlement were obtained.The Influences of twin shield tunnel—driven successive on the adjacent stuctruIels were analyzed.The results show that the ground rises slightly at 20m ahead of the shield faceand the value 0f .ground settlements is basically constant when the shield face passes cross—section 40m.The value 0f ground .settlements caused by back shield tunneling is larger than it caused by the first shield tunnelingThe tall building settlements are influenced greatly by shield construction when the tall building is in the range 0f tunnel settlement trough,and the settlements have little relationship with the constuctrion sequence of the twin—tunnelsThe IlesuIts .from field tests are consistent with numerical simulations,and it will potentially provide the knowledge for . understanding tunneling undercrossing the existing tall buildingsKey words:twin shield—driven;high rise building;numerical calculation;field mchitoring 48