第一章 绪论
1.1 选题背景和意义
随着我国基础设施建设的飞速发展，城市中人口数量持续增长，使得原本紧张的地面交通更加拥堵，导致出现了“堵城”现象，不断增加的交通压力引发的各种社会问题日益明显，发展地下交通缓解“堵城”问题就显得非常必要。
地铁的快捷安全能够有效缓解城市交通堵塞问题，不仅是地下空间开发利用的典型代表[1,2]，也是一个城市现代化的重要标志。盾构技术已在地铁建设等领域的隧道建设中得到了广泛应用，我国各大城市如雨后春笋般地应用了盾构技术建设轨道交通地铁隧道。
我国较国外发达国家应用盾构技术时间较短，盾构在施工时对周围土体易造成扰动，导致土体应力重新分布，引发地表不同程度的沉降或变形，当沉降或变形超过限度时，则危及地面及建筑物的安全。但受客观因素制约及线路设计等因素影响，有时隧道设计坡度较大、曲线半径较小，需尽可能避开穿越建（构）筑物。因此，研究盾构在砂土地层中施工时下穿建筑物的沉降规律和确保掌子面的稳定性就显得尤为重要，特别是盾构在砂层中大坡度下穿越密集建筑物时，安全风险控制更加严峻。
因此，有必要对盾构施工进行研究，预判盾构施工引起的地层及建筑物变形沉降，以便于盾构在施工时选择合理的施工参数来保障地面及建筑物的安全，尤其是盾构在砂层中大坡度下穿建筑物的施工技术已成为亟待解决的一个重要课题。
珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段工程为国内首条城际轨道交通线路，全长 32.16km，西起佛山魁奇路站，东至广州沥滘站（后该线路从魁奇路站往南延伸至新城东站），共设 21 座车站（其中广州 10 座，佛山 11 座），全为地下站。本文选题取自珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段工程南洲站～沥滘站区间（以下简称广佛地铁南沥区间），该区间断面中有部分地层为砂层和砂-粘土层，隧道上方主要为沥滘村民房，盾构在该地层中施工时极易引起地表和周边建筑物沉降。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地表沉降研究现状
Peck[3]在研究了工程实际的地表沉降数据后，假设土体不排水的情况下，地表沉降槽的体积同地层损失体积相同，隧道施工引发的地表沉降近似呈现正态分布的规律，并提出了针对隧道开挖引起的地表横向沉降计算方法（见第四章）。
Clough 和 Schmidt[4]、Loganthan 和 Poulos[5]等先后对 Peck 公式中沉降槽宽度系数的取值给出了不同的经验公式，Mair[6]等对隧道轴线上方处地表的最大沉降和地层损失的取值进行了研究。
刘建航等[7]在对工程监测数据研究分析后，阐述了“负地层损失”的概念，并推导了盾构施工引起地表纵向沉降的计算方法。
Sagaseta[8]法假设土体为不排水、体积不可压缩的无限介质，设定绝对位移为变量，对地面以下土体的应力及位移场进行求解，得到三维的地面变形计算方法。
Verruijt 和 Booker[9]在 Sagaseta 法的基础上，假设土体为线弹性材料，推导了土体横纵向位移的计算方法。
徐方京[10]通过弹塑性力学推导了盾构到达前、到达时、通过时、注浆及工后固结等不同阶段的地表沉降的计算方法。
施成华，彭立敏[11] 通过随机介质理论，假设地表变形为盾构施工随机引起的，推导了引起地表纵向沉降的计算方法。
杨泽飞，魏纲等[12]通过对隧道围岩的初始超孔隙水压力的分析计算，采取叠加施工沉降的办法推导了土体的工后地表沉降计算方法。Kuwahara,H.[13]等通过离心模型试验分析了盾尾空隙导致地层沉降的机理。
周小文，濮家骝等[14] 研究了盾构在砂土地层中施工时引起的隧洞拱顶以上地层位移与管片衬砌压力的关系。
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第二章 盾构施工简介及主要工程风险
2.1 盾构施工简介
2.1.1 盾构隧道施工的基本模式
盾构机的分类较多,一般而言，通过开挖面是否封闭划分为两类：密闭式盾构和敞开式盾构，如图 2-1 所示。目前密闭式盾构是盾构法隧道施工中采用的主要设备,按照施工不同平衡方式的原理，密闭式盾构中又主要分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构两种模式，二者为当前使用较多的盾构[33]。
1 土压平衡模式
土压平衡盾构刀盘与背后的承压舱板之间的空间为泥土舱，刀盘掘进切削下来的渣土可以通过刀盘上分布的开口进入泥土舱，并在其中进行搅拌混合,盾构千斤顶的推力从承压舱板可传递到舱内的渣土上，进而作用于开挖面，以平衡开挖面处的水土压力,从而保持盾构刀盘开挖面的稳定。盾构螺旋输送机通过承压舱板的底部处伸入泥土舱进行取土，盾构掘进的速度与螺旋输送机的出土量对泥土舱内土体的压力大小有重要的影响，需密切控制，要保持泥土舱内渣土与盾构刀盘开挖面的水土压力平衡，如图 2-2 所示。
土压平衡盾构比较适应在软弱的冲积土层中推进，同样适用于有较高强度的岩层掘进，当土压平衡盾构在砾石层或砂土层中推进时,可通过加进适当的泥土或改良材料来发挥土压平衡盾构的优点，土压平衡盾构通常被认为适应性较强，适用于多种岩土地层。
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2.2 盾构施工流程
盾构法隧道施工时，一般需要在隧道两端设置始发井和接收吊出井,若隧道两端为车站，为节约投资，则可以通过两端的车站实现盾构始发和到达。在始发端工作井内先吊装各节盾体及设备并安装调试就位，随后依靠盾构千斤顶支撑在盾构反力架的作用下，盾构机从始发井破洞门进入地层，在地层逐环推进、出渣、拼装管片，并及时实施同步注浆，填充管片背后空隙，用于控制地层变形，最后盾构机进入接收井，解体拆除并被吊出，或穿越工作井向前推进，或调头推进。整个流程包含了盾构始发与接收、盾构推进、管片拼装、隧道内运输、同步注浆、管片防水、施工监测以及施工布置等工序。土压平衡盾构施工各工序流程如图 2-4 所示，概貌如图 2-5 所示，盾构施工一个循环工艺如图 2-6 所示[34]。
1 盾构机始发和接收施工
1)盾构机始发始发
前洞口土应加固满足强度要求，拼装后盾的负环，盾构机调试后，破除洞门钢筋（现在逐步采用玻璃纤维筋）混凝土，盾构机靠上加固土体，进而始发。为保证盾构始发安全，需根据盾构始发端头的地质条件对端头采取加固措施，常用的措施有搅拌桩、旋喷桩、降水、素连续墙等。
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3.1 隧道设计及盾构选型.....................................18
3.1.1 隧道设计......................................18
3.1.2 盾构选型..........................................19
第四章 盾构施工影响周围环境的问题分析.......................................23
4.1 盾构施工引起地层沉降的原因分析..........................................23
4.1.1 地层的损失....................................23
4.1.2 土体的固结...........................................23
第五章 工程实例分析......................................32
5.1 工程概况...................................32
5.2 工程地质和水文地质概况...................................33
第五章 工程实例分析
5.1 工程概况
该工程实例选自珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段线路中的南洲～沥滘盾构区间，见图 5-1。
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结论与展望
结论
土压平衡盾构作为地铁隧道施工的主要方法，当盾构在砂层及砂-粘土层中大坡度下穿建筑物施工时,存在开挖面失稳、盾构推进时周围土体发生液化引发土体沉降、舱内结泥饼、喷涌、大坡度姿态不易控制等技术难题，引发频繁出现险情和事故。因此，研究土压平衡盾构在砂层中掘进时对建筑物沉降的控制具有重要意义。本文依托广佛地铁南沥区间下穿建筑物工程背景，分析总结了地铁施工引起建筑物沉降的影响因素，运用 Midas/GTS 有限元分析软件建立了隧道-地层-建筑物模型用于进行盾构在砂层中大坡度下穿建筑物的数值模拟，深入分析了盾构掘进扰动对建筑物沉降的影响规律。得出以下结论：
（1）运用有限元软件模拟盾构在砂层中下穿建筑物的情形，分施工步进行土体开挖和盾构掘进模拟，取得了较好的效果,通过数值分析计算得到建筑物的沉降量，利于施工过程中对可能出现的问题作出预判，可为盾构在类似地层施工时提供数值模拟方面的参考意见。
（2）盾构在砂层中大坡度下穿建筑物时，易引发地层损失、受扰动土体固结、衬砌管片变形、地层应力变化、地下水流失等问题，进而损坏建筑物。通过连续的盾构掘进、土仓压力的控制、掘进速度的设定、渣土改良、限定出土量、防止地下水位下降、调整盾构姿态、及时同步注浆及做好盾尾密封等控制沉降措施，可有效解决上述问题。
（3）盾构下穿建筑物过程中，建筑物的沉降数据随着盾构的推进而变化。通过现场实测数据与模拟数据的对比，得出盾构隧道开挖引起的横向沉降的主要影响范围是在隧道轴线两侧约 1.5 倍隧道埋深区域，最大沉降发生在隧道轴线处。在建筑物的纵向沉降方面，沉降最大值发生在盾尾经过房屋以后，当刀盘距建筑物二倍隧道直径处时， 土层的纵向位移地层沉降开始明显变化，盾构通过时沉降增幅提高, 并在离开建筑物二倍隧道直径位置后沉降开始逐渐减小并趋于稳定。
参考文献（略）