地鐵盾構隧道切樁穿越建筑群的沉降影響分析

張立亞，張宏梅，鄧喀中，龍四春，陳清松

(1. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，湖南 湘潭 411201; 3. 中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221118)

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地鐵盾構隧道切樁穿越建筑群的沉降影響分析

張立亞1，張宏梅2，鄧喀中3，龍四春1，陳清松2

(1. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，湖南 湘潭 411201; 3. 中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221118)

地鐵盾構隧道通常不可避免地會穿越城市密集的建筑樓群，盾構切樁穿越會對住宅樓的形變產生較大的影響。本文使用TS30測量機器人對深圳某小區的9—13號樓群在盾構切樁穿越過程中進行了實時動態監測。監測結果表明：同一幢建筑物上的監測點變化趨勢基本一致，離中線越近，沉降變化越大，反之沉降較?。幌嗤嚯x切樁數量越多，相應建筑變形越大；刀盤到達監測點正下方切樁時，下沉突然增加，此時下沉速度最快，達1.49 mm/m；刀盤脫離房屋時，下沉繼續增加，從刀盤進入房屋到盾尾脫離房屋期間，累計下沉占總沉降量的60%以上；房屋長邊上監測點距中線垂直距離大于15 m時，沉降值小于5 mm，可以減少監測布點個數；距離大于30 m時，沉降值小于3 mm，可以不再布設監測點。這些研究可為后期建立盾構隧道不同埋深時與建筑物沉降的函數關系提供數據資料，也為以后盾構切樁穿越既有建筑群變形監測點優化設計提供寶貴實踐經驗。

盾構切樁；穿越建筑群；測量機器人；自動化監測

我國當前交通的格局已滿足不了城市發展的要求，由于城市規劃已成既定格局，土地資源非常有限，軌道交通的優勢得到了充分的體現。城市地鐵隧道往往通過城市中心繁華地帶，區域情況復雜，傳統的施工方法不再適合，盾構法地鐵隧道開挖是一個最好的選擇，它具有安全、可靠、勞動強度低、對環境影響小的優點，但對地層及臨近房屋的干擾將是不可避免的。文獻[1—5]使用不同的方法和模型研究了地鐵盾構對臨近房屋的影響；文獻[6—9]研究了自動化監測在地鐵隧道中的應用，但應用都受到限制，穩定性較差；文獻[10—12]討論了自動化監測軟、硬件構成，并證明監測精度滿足實際預警的要求。在地鐵盾構隧道掘進中，要求安全監測及時、快速、準確，顯然傳統的監測方法已經不能滿足這些要求，而測量機器人(如本文使用的徠卡TS30)具有高智能、高精度、方便編程、實時、全天候、能適應惡劣條件的特點，正被廣泛地應用在自動化監測領域。

本文以深圳在建九號線某區間盾構隧道切樁穿越某小區9—13號建筑樓群為例，在左、右線分別穿越切樁過程中，使用測量機器人實時監測房屋群的動態沉降變形量，將房屋監測點分為隧道中心線上、隧道左右邊界上、隧道邊界之外3大類進行對比分析。結果表明，中心線和邊界上的點主要沉降量集中在從盾構機刀盤進入到盾尾離開房屋的時間段內(包含切樁)，占總沉降量的60%以上，房屋長邊點距中心線垂直距離超過15 m后，各點累計沉降量均小于5 mm，距離超過30 m后，沉降值均小于3 mm，此時無需再布設監測點。本文研究結果對深圳地鐵盾構隧道施工具有重要的工程實踐意義。

一、工程概況

本次監測的建筑群位于深圳地鐵九號線某區間，隧道左、右線中線間距19 m，其中9—13號樓需切樁穿越，共切除137根樁基，其中左線9號樓切樁17根、10號樓30根、11號樓22根，右線9號樓切樁27根、13號樓17根、12號樓24根，切除長度為0.3～2.5 m，左、右線先后6次穿越，樓下區間達100.5 m，左線穿越9號樓、10號樓、11號樓，右線穿越9號樓、13號樓、12號樓，隧道埋深11～16 m，樓群與盾構隧道的相對位置如圖1所示。

1. 地質情況

原始地貌為河谷沖洪積平原，現經過人工回填，場地地勢平坦，標高為4.06～6.12 m。盾構下穿地層從上到下依次為：素填土、淤泥質土、中粗砂、礫質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖和中等風化花崗巖。

2. 建筑群情況介紹

某小區9號樓、10號樓、11號樓、12號樓、13號樓是1987～1989年修建的住宅樓，皆采用沉管灌注樁基礎，樁徑0.34 m，樁底絕對標高-6.15～-10.8 m，小區地表絕對標高5.7～5.85 m，房屋高7層，無地下室，9號樓、11號樓樁尖進入礫質亞黏土層5 m左右，其余3棟樓樁尖進入礫砂層2 m左右。

二、自動化監測

1. 儀器設備

本次施工使用1臺徠卡TS30測量機器人進行自動化監測，開始將儀器架設在13號樓樓頂，監測左線9號樓、10號樓、11號樓的沉降，當左線盾尾脫離11號樓、右線刀盤距13號樓還有1環時，儀器換站到10號樓，主要監測右線13號樓和12號樓，此時11號樓已基本穩定。儀器、后視點的布設情況如圖1所示。

圖1　某小區9—13號樓監測點布設

2. 監測點的布設

根據《建筑變形測量規范》要求，監測點應布置在房屋承重構件或基礎的角點上，長邊測點應適當加密。監測點布設如圖1所示，監測點都布設在屋頂以便保護和實時觀測。為研究盾構切樁穿越過程房屋群的沉降規律，現將監測點分為3類研究分析：隧道中心線上、隧道左右邊界上、隧道邊界之外，分類情況見表1和表2。

表1　左線樓群監測點分類統計

3. 監測數據分析

為便于數據分析，坐標軸作如下規定：

橫坐標：各監測點到盾構機刀盤的水平距離，單位為m；以監測點為原點，盾構機的掘進方向為正，反向為負。

表2　右線樓群監測點分類統計

縱坐標：監測點的動態累計沉降值，單位為mm；抬升時為正，下降時為負。

(1) 盾構左線切樁穿越時數據分析

① 左線中心線相應監測點

結果如圖2和表3所示。

圖2　左線中心線上房屋監測點動態沉降過程曲線

左線中線刀盤進房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點號距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值/mm備注/根9號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號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號6529-4.913.1 10.1 7.225.13.5-0.3216.326527-12.912.72.18.417.14.0-0.2914.88822

注：備注為盾構機在穿越每棟樓的切樁具體數；斜率為下沉最快階段平均每米沉降量。

a. 9號樓沉降變化平緩，沉降值在-4.8～0.3 mm之間波動；10號樓變化起伏最大，開始沉降值為13.6 mm，到盾構結束時為-12.8 mm，累計變化量26.4 mm；6519監測點開始沉降值為9.7 mm，到盾構結束時為-16.555 mm，累計變化量26.255 mm。由于在盾構機到達11號樓之前進行地面注漿，11號樓初始抬升值比較大。

b. 盾構機刀盤進入房屋后，下沉增加，刀盤到監測點正下方切樁時下沉速度最快，刀盤脫離房屋時，下沉增加速度較快，從刀盤進入房屋到盾尾脫離房屋，下沉一直增加。

c. 同一幢房屋在中心線上的監測點沉降變化趨勢一致。

② 左線邊界相應監測點

結果如圖3和表4所示。

左線邊界刀盤進房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點號距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值mm備注/根9號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號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號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：備注為盾構機在穿越每棟樓的切樁具體數；斜率為下沉最快階段平均每米沉降量。

a. 同一幢房屋在邊界上的監測點沉降變化趨勢一致。

b. 同一幢建筑物右邊界的初始沉降值都小于左邊界，穿越過程中，9號左右邊界點沉降量差別不大，10號、11號樓的沉降變化量均是左邊界大于右邊界。

c. 刀盤到達監測點正下方時，下沉突然增加，沉降速度比其他時候都快。

③ 左線邊界之外監測點沉降規律小結

a. 離中線垂直距離越近，變化趨勢越接近于中心線上的點，變化趨勢越相似，波動越大，越遠波動幅度越小。

b. 10號樓房屋長邊上距中線垂直距離大于15 m的監測點，沉降小于4 mm。

c. 11號樓6533、6534監測點距中線垂直距離大于28 m，沉降值小于3 mm。

d. 11號樓所有監測點都與中線監測點6529變化趨勢一致，離中心線越遠波動幅度越小，越近波動幅度越大，越近與6529曲線相似度越高。

(2) 盾構右線切樁穿越時數據分析

① 右線中心線相應監測點

結果如圖4和表5所示。

圖4　右線中心線上房屋監測點動態沉降過程曲線

右線中線刀盤進房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點號距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm斜率/(mm/m)最大值/mm備注/根9號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號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號7035 1.6-4.816.0-17.5 21.9-10.3-0.47-18.924

a. 9號樓由于儀器換站的緣故，沉降出現一個較大的波動點。

b. 12號樓7035監測點距刀盤17.4 m時，沉降達最大值-18.9 mm，接近最大限值-20.0 mm，地面洞內同步注漿，距刀盤18.9 m時，由于注漿的緣故，沉降迅速減小到-13.0 mm，之后繼續減小。

② 右線邊界相應監測點

結果如圖5和表6所示。

圖5　右線邊界之上房屋監測點動態沉降過程曲線

右線邊界刀盤進房屋邊緣刀盤出房屋邊緣盾尾出房屋邊緣點號距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm距離/m沉降值/mm平均下沉/(mm/m)最大值/mm備注/根9號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號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號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

同一幢房屋邊界監測點變化趨勢基本一致；相同距離內切樁數量越多，相應房屋下沉越大。

③ 右線邊界之外監測點沉降規律小結

a. 離中線越近，沉降變化越大，且越接近中線沉降變化曲線，越遠沉降變化越小。

b. 13號樓監測點距中線垂直距離大于30 m時，沉降小于3 mm，長邊上距中線垂直距離大于16 m，沉降小于3 mm；12號樓距中線垂直距離大于18.6 m，沉降小于3 mm。

三、結　論

本文分析總結了地鐵隧道盾構切樁穿越建筑群時房屋的沉降變形規律，得到如下結論:

1) 將房屋上的點分為3類進行統計分析：中心線相應點、左右邊界上的點、邊界之外點。同類點在盾構掘進過程表現出相似的沉降規律，且離中線越近，沉降變化越大，反之，沉降越小。

2) 從刀盤進入房屋到盾尾脫離房屋，下沉一直增加，累計下沉占總沉降量的60%以上；盾構機刀盤進入房屋后，下沉增大，刀盤到監測點正下方切樁時下沉速度最快，達1.49 mm/m;刀盤脫離房屋時，下沉增加速度較快。應增大從刀盤進入到盾尾脫離建筑物期間的監測頻率。

3) 房屋監測點距中線垂直距離大于30 m時，點的沉降量很小(小于3 mm)，無需再布設監測點。因為切樁的影響，使得監測范圍不符合傳統按2倍隧道直徑設計。

4) 房屋長邊上監測點距中線垂直距離大于15 m時，沉降小于5 mm，可少布設監測點。

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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

湖南省教育廳科學研究項目(13C313)；湖南省科技廳科技計劃(2014FJ3104)；國家自然科學基金(41474014)

張立亞(1982—)，男，博士，講師，研究方向為變形監測及數據處理。E-mail：lyzhang47@163.com

P258

B

0494-0911(2016)08-0081-05

引文格式：張立亞，張宏梅，鄧喀中,等. 地鐵盾構隧道切樁穿越建筑群的沉降影響分析[J].測繪通報，2016(8)：81-85.