郑州地铁5号线盾构施工对地表民用建筑沉降影响研究

发布时间：2016-08-01 07:44

第1章 绪论 

1.1 引言 
随着国内城市建设的快速发展，城市规模不断扩大，城市化水平越来越高，城市人口越来越多，引起城市交通拥堵、空间拥挤、环境污染、基础设施落后等一系列问题，这使得城市中有限的地面空间变得越来越拥挤。城市集约化和效率的要求越来越高在经济和社会发展中。在经济水平发达的欧美国家大中城市里，地铁已然成为缓解城市交通客流压力的主要交通 工具之一。修建地铁隧道和大型地下停车场等城市基础设施能较好地分担路面交通压力，地下空间的开发利用在本世纪将得到前所未有的重视。许多城市已经注意到了这些问题并且积极努力开发一个可持续发展的地下空间[1-3]。从上世纪 90 年代开始，随着我国经济总量迅猛增长和城市扩张步伐的提速，北京、上海、广州等中国特大城市地面交通持续高负荷增长，给广大群众日常出行带来了巨大压力。因此修建地下铁道已成为解决交通客流 压力的路径之一，应用盾构法建设地铁隧 道在北京、上海、广州等城市与日俱增。随着盾构国产化的普及使用，地铁在郑州、济南、武汉、兰州、沈阳、杭州、哈尔滨、成都、长沙等 20 多个城市也正在积极建设或筹建之中，未来盾构施工掘进技术将会得到史无前例地繁荣发展[5]。 郑州市作为国内中部地区的大型城市之一，城市交通和生活用地紧张的矛盾日益严重，为改善城市交通环境、提高城市公共交通的服务，大力发展郑州地铁隧道建设已势在必行。《郑州市城市轨道交通近期建设规划》指出预计到 2020 年，建设完成 1 号线二期工程、2 号线二期工程、3 号线一期工程、4 号线、5 号线，全长 120.7 公里，至此共形成 5 条运营线路、总长 166.9 公里的轨道交通网络（如图 1）。广泛运用到城市地铁修建的盾构法施工具有对地层扰动小、外界影响小、施工效率高、施工质量可靠、施工过程安全以及与环境间相互影响小等优点。这些特点明显比传统的明挖法和暗挖法好的多[6]。
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1.2 盾构隧道引起地表沉降研究现状

降问题的研究已形成了多种研究理论和方法。主要有：经验法、解析法、模型试验法 、数值分析法以及其他预测方法等。 盾构隧道是处于各种复杂的地质环境中的地下结构物，在施工的过程中必然受到周围地质环境的强烈影响。国内外众多学者研究指出[8-9]，盾构隧道引起地表沉降主要原因是在施工中的地层损失和扰动土体受力变形、固结沉降。盾构施工会对上覆土体产生扰动，土体损失、周围孔隙水压变化及衬砌变形等会使得土体的原始应出现重新分布，破坏原有的土体平衡状态，使得地表发生水平移动、下沉变形、倾斜及非连续变形。地层变形较大会引起临近建筑物的沉降、开裂和倾斜。对盾构施工对土层及临近建筑物的影响进行探讨和总结是很有必要的，国内外学者也做了大量的工作。目前为止，对于沉经验法主要是根据地表隧道开挖后地表沉降槽的形状，采用一定的曲线形式表示，再根据地表沉降实测结果或己有的资料，确定曲线的具体特征参数，在地表最大沉陷量和沉陷分布进行理论上和经验上的推断。美国 R.B.Peck(1969)[10]通过对隧道地表沉降的实测数据分析，提出了地表沉降曲线近似呈概率正态分布曲线的概念，认为施工引起的地表沉降是在不排水的条件下由地层损失所引起，地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。 

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第2章 盾构隧道沉降的基本理论分析 

2.1 盾构法简介 
盾构机的发展和使用已将近二百余年，英国人开创了盾构机穿越河道的先例。随后美国、法国、德国、以及前苏联相继使用盾构技术，并加以改进。初期的盾构施工，只注重了掘进效率上，而忽略了开挖面的稳定。日本在开发研究盾构施工时，更加关注开挖面的稳定问题，，发明了多种形式的闭胸式盾构，在城市地下隧道中得到广泛的应用。在我国，盾构施工的技术发展相对滞后。随着国内经济水平的提高，城市轨道交通的兴起，许多城市利用盾构法已经修建了地铁隧道。虽然盾构的应用比较广泛，但是核心技术还处于落后阶段。未来盾构技术的发展趋势是：盾构机能适应开挖断面的多样化，管片的 拼装技术可以实现自动化以及智能化，整个施工过程中实现计算机智能化的人工控制，盾构掘进效率、稳定性以及安全性大幅提高。 盾构法拥有自动化程度高、对周围环境影响较小、施工优质高效等优点，特别是在地质条件复杂、地下水位高等情况下具有明显的优势。盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧道轴线边向前掘进边对土壤进行挖掘。这个圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出还未衬砌的隧道段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压 。挖掘、出土、衬砌等作业均在护盾的保护下进行。盾尾末端一般设有盾尾密封装置，它是用来防止水、土体以及注浆材料从盾尾空隙中进入到盾构内，造成对盾构建筑空隙填充不密实，土体沉降。盾尾密封对材料具有很高的要求，一般应具有耐磨、耐压、易更换等条件。 盾构的前进主要依靠推进机构来完成的，推进机构主要是指布置于盾构内周的一圈千斤顶，盾构前进中的主要推力就是由它来提供的，所以千斤顶在设计必须注意其本身的强度是否足够。在千斤顶设计中，切削刀盘的总扭矩和推进机构的总推力是其基本依据。 
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2.2 盾构施工对地层的影响
盾构施工改变了原有地层的初始平衡条件，引起土体的应力重分布，使土体受到扰动发生变形。城市中各种建筑物密集，地下管道交织在一起，盾构施工过程中，会导致邻近建筑物等产生变形、沉降或变位。当沉降过大时，有可能会危及到邻近建筑物等的安全使用。当盾构掘进时，开挖面 土体受到的来自刀盘的支撑力小于土体原始侧向应力，则
开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地表沉降；当盾构推进时，若作用在刀盘前土体的推力大于原始侧向应力，则正面土体向上向前移动，引起地层损失(欠挖)而导致盾构前上方土隆起。2.由于盾构机前方土体的支撑力是通过盾尾千斤顶实现的，随着停机时间的增加，千斤顶不可避免的发生回油，推力逐 渐减小，使 开挖面土体坍落或松动，造成地层损失 。3.盾构施工过程中，盾构外围有建筑空隙，若注浆不及时，注浆压力不够或注浆量不足，都可能造成盾构周围土体失去原始平衡状态，发生移动，造成土层损失。4.盾构在开挖隧道过程中偏离设 计轴线，需要进 行纠正推进，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，因此易引起地层损失。盾构轴线与隧道轴线的偏角越大则对土体扰动超挖程度及引起的地层损失也越大[48]。 
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第 3 章  盾构穿越民用建筑的沉降分析 ...... 27 
3.1  工程概况 ............ 27 
3.1.1  工程简介 ..... 27 
3.1.2  工程地质条件 ...... 28 
3.2  沉降监测标准及测点分布 ........... 30 
3.3  盾构机掘进参数及沉降结果分析 ........ 32 
3.3.1  盾构机的主要参数 ........ 32 
3.3.2  施工中盾构参数与沉降结果分析 ........... 34 
3.4  本章小结 ............ 36 
第 4 章  盾构隧道下穿建筑物的数值模拟分析 .... 37 
4.1  ABAQUS 在隧道开挖中的应用 ..... 37 
4.1.1  ABAQUS 简介 ...... 37 
4.1.2  ABAQUS 模拟盾构施工的基本原理 ...... 37 
4.1.3  盾尾特殊部分处理 ........ 38 
4.2  隧道开挖模型的建立 .......... 40
4.3  开挖过程的模拟 ......... 46 
4.3.1  初始地应力平衡 ............ 46 
4.3.2  盾构掘进过程 ....... 46 
4.4  模拟结果分析 .... 47
4.5  本章小结 ............ 53 
第 5 章  改变不同参数的计算结果分析及左线沉降预测 ...... 54
5.1  不同条件下的沉降结果分析 ....... 54 
5.2  正常施工质量下左线开挖沉降结果预测 ..... 64 
5.3  本章小结 ............ 68 

第5章 改变不同参数的计算结果分析及左线沉降预测 

5.1 不同条件下的沉降结果分析
盾构施工参数的差异性会造成地表沉降的变化，为了更好的指导类似工程的施工，在第四章软件模型的基础上，改变不同的参数和施工方式等，分析不同的施工条件下，盾构施工对房屋的沉降影响。 在第四章分析中采用正常施工质量，等代层弹性模量为 30MPa。结果表明，单线施工状况下，盾构队土体的扰动范围有限，建筑物的沉降较小。当盾构穿越建筑物后，建筑物的沉降整体上趋向于稳定。本章将通过改变等代层的弹性模量，把较差施工质量，正常施工质量，理想施工质量，再加上双线隧道在正常施工质量下同时开挖的情况，进行对比综合分析。在以上四种条件下，等代层的弹性模量分别为 8MPa、30MPa、60MPa、30MPa（双线），分别称为：条件一，条件二， 工况三，条件四。在盾构即将进入建筑物下部时，建筑物受力变形不是很明显，受到较大扰动的土体仅限于起始端 20m 范围。不同条件的数据说明，各个测点的沉降量条件一最大，条件三最小；条件二小于条件四。沉降量最大的测点是 a 点，条件一~四的 a 测点的沉降值分别为：-0.003528m、-0.002670m、-0.001905m、-0.002991m。距离开挖面较近的测点沉降明显，距离远的及被建筑物影响到的测点沉降量较小。f 测点还有隆起现象，这与房屋模型整体受力，作用在土体表面上，部分单元在不均匀沉降情况下受拉变形有关。从条件二来看，a 测点沉降最大达到-0.003528m，b、c、d、e 测点没有发生较大沉降，f测点沉降量为正值，此点所处单元位移变形有待进一步考证，g 测点位于未开挖的 2 号隧道与建筑物的交叉点，受到的土体移动影响比较大。总体来说各个测点没有发生较大的沉降量。 
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结论 

本文以郑州地铁 5 号线，土建施工 12 标段土压平衡盾构施工区间为工程背景，从盾构下穿民用住宅的角度，分析了影响地表建筑物沉降的主要因素。在盾构施工的不同阶段，收集盾构施工参数，施工段地质条件，地表建筑物沉降监测数据，统计各参数在施工中变化规律以及对地表沉降的影响。采用 ABAQUS 有限元软件建立三维盾构开挖模型，先分析右线开挖过程中建筑物的沉降，获得沉降曲线图，然后与实测数据进行对比。最后改变施工参数，采用不同的施工质量对比分析建筑物的沉降变形情况，以及获得在正常施工质量情况下左线开挖的沉降数据，用以预测施工过程中沉降量较大的监测点。获得以下几点结论： 
1、盾构机在城市区域施工中，难免会 遇到下穿建筑物的情况。针对土压平衡式盾构的施工特点，在下穿或侧穿建筑物的施工中，可将盾构施工对于建筑物的影响分为三阶段进行分析研究。 
2、在盾构施工过程中，盾构机的盾构推进速度，土仓压力，出土量，同步注浆量和二次补浆量，注浆压力等参数是直接影响地面沉降的主要因素。 
3、在盾构机右线下穿建筑物施工中，建筑物的沉降控制较好，只出现一次险情；建筑物整体上，东北边角下沉比西南边角大；建筑物高度较低，没有出现严重倾斜的状态。 
4、有限元软件模拟的数据与实测数据两者的曲线图整体走向相似，说明模型比较成功，可在此基础上进行左线开挖的预测。  
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参考文献(略)

本文编号：80156