盾構(gòu)在道路和鐵路下推進(jìn)引起的沉降對(duì)比研究

王國(guó)棟，肖 立，張慶賀

(1.天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，天津 300457;2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷完善，盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為城市地鐵建設(shè)中的一種重要方法。但是，由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制，盾構(gòu)掘進(jìn)不可避免的會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，產(chǎn)生地面沉降［1］。目前對(duì)地表沉降的研究大致分為經(jīng)驗(yàn)公式法、模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法等［2-4］。經(jīng)驗(yàn)公式法主要是 Peck 公式［2］，該法假定地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線，且沉降槽的體積等于地層損失的體積。許多工程實(shí)例也證明了它的實(shí)際使用效果。但該公式中參數(shù)的選取帶有經(jīng)驗(yàn)性，未考慮土層條件和施工過(guò)程。模型試驗(yàn)法是研究盾構(gòu)隧道施工問(wèn)題的有效手段，但因造價(jià)較高、難度較大而很少采用。數(shù)值模擬法可以模擬施工的主要步驟，并且可以對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)各階段對(duì)周圍環(huán)境的影響作出定量的分析，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是數(shù)值模擬法存在較多的假設(shè)，這就可能造成結(jié)果的失真，另外，參數(shù)的選取也存在較大的主觀性，故數(shù)值模擬法多用于校核監(jiān)測(cè)得到的規(guī)律。地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展使得盾構(gòu)穿鐵路的情況時(shí)有發(fā)生，但是以上方法中對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路時(shí)造成的地基沉降規(guī)律研究不是很多［5］，尤其是對(duì)盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越多條鐵路股道的情況更是鮮有涉及。因此有必要對(duì)此領(lǐng)域開(kāi)展研究，以探求地表變形規(guī)律。

1 工程概況

津?yàn)I輕軌西段地下線工程，西起市區(qū)天津站，東接已建成并投入運(yùn)營(yíng)的河?xùn)|區(qū)中山門站。天津站—七經(jīng)路站為盾構(gòu)施工區(qū)間段，該區(qū)間段沿線兩側(cè)建筑物較多，地下管線復(fù)雜，地面交通比較繁忙，盾構(gòu)掘進(jìn)施工中須穿越天津站全部鐵路股道(23條)，是西段工程五個(gè)區(qū)間段中最困難的施工段之一。工程采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，盾構(gòu)施工時(shí)左右線均以七經(jīng)路站為始發(fā)井，天津站為接收井。第一臺(tái)盾構(gòu)右線掘進(jìn)一個(gè)月即試驗(yàn)段掘進(jìn)完后，第二臺(tái)盾構(gòu)開(kāi)始左線掘進(jìn)。管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，厚 350 mm，長(zhǎng)1 200 mm，每環(huán)由6塊組成，錯(cuò)縫拼裝。主要土層自上而下依次為①填土、③3黃色粉質(zhì)黏土、④4灰褐色粉質(zhì)黏土、④5黃灰色粉土、⑤1灰色粉質(zhì)黏土、⑥2灰黃及灰綠色粉質(zhì)黏土、⑦1黃褐色粉質(zhì)黏土、⑦5黃色粉砂、⑧2灰褐色粉質(zhì)黏土、⑨7灰黃色粉砂、⑩黏土。淺層地下水屬孔隙潛水，埋深為0.5～3.8 m。

2 監(jiān)測(cè)方案

為確保津?yàn)I輕軌西段地下工程天津站～七經(jīng)路站盾構(gòu)區(qū)間隧道施工任務(wù)的順利完成，對(duì)整個(gè)區(qū)間段實(shí)施了地表沉降全程監(jiān)測(cè)。具體監(jiān)測(cè)方案如下。

1)盾構(gòu)沿道路推進(jìn)

盾構(gòu)穿越城市道路段地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿盾構(gòu)左右兩線軸線布置，每4環(huán)(4.8 m)設(shè)置一個(gè)縱向測(cè)點(diǎn)，每24環(huán)(28.8 m)設(shè)置一組橫向測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖1，圖2所示。

2)盾構(gòu)在鐵路下方推進(jìn)

盾構(gòu)穿越鐵路股道段地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿盾構(gòu)左右兩線軸線布置，設(shè)置14組橫向測(cè)點(diǎn)。由于站場(chǎng)內(nèi)鐵路運(yùn)輸比較繁忙，無(wú)法做到長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入站場(chǎng)，地表沉降監(jiān)測(cè)采用精密靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集。如圖3所示。

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4，圖5所示。

圖1 盾構(gòu)穿越道路段地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)平面

圖2 盾構(gòu)穿越道路段地表橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)剖面

圖3 靜力水準(zhǔn)儀及布設(shè)

圖4 盾構(gòu)穿越鐵路股道段地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)平面

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 縱向沉降

圖5 盾構(gòu)穿越鐵路股道段地表橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)剖面

1)盾構(gòu)在道路下方推進(jìn)

圖6為盾構(gòu)(埋深14 m)掘進(jìn)時(shí)，地表縱向觀測(cè)點(diǎn)某一時(shí)刻沉降曲線。右線沉降曲線代表右線盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，導(dǎo)致的其上方測(cè)點(diǎn)的沉降;左線沉降曲線代表左線盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，導(dǎo)致的其上方測(cè)點(diǎn)的沉降。曲線顯示，右線盾尾位于96環(huán)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)上方測(cè)點(diǎn)沉降速率快，距離開(kāi)挖斷面50～60環(huán)處(即40環(huán)位置)，沉降基本完成，沉降量約為28 mm。左線盾尾位于96環(huán)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)上方測(cè)點(diǎn)沉降速率比右線小，但盾尾后方5～6環(huán)范圍內(nèi)沉降速率與右線相當(dāng)，距離開(kāi)挖斷面60～70環(huán)處(即30環(huán)位置)，沉降基本完成，沉降量約為10 mm。左線沉降量比右線小得多，僅占右線的36%。盾構(gòu)通過(guò)后，在不同位置測(cè)點(diǎn)沉降有所減少，曲線甚至在個(gè)別區(qū)段發(fā)生回彈，為補(bǔ)漿作用引起。需要說(shuō)明的是，圖6為瞬時(shí)沉降曲線，左右線的總沉降要大于此值，因?yàn)樽?右)線推進(jìn)時(shí)對(duì)右(左)線上方的測(cè)點(diǎn)都會(huì)有影響。

圖6 道路地表測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)沉降曲線

2)盾構(gòu)在鐵路下方推進(jìn)

圖7為盾構(gòu)在鐵路下方(埋深為22 m)掘進(jìn)時(shí)，地表測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)沉降曲線，曲線意義與圖6類似，但左線測(cè)點(diǎn)沉降考慮了右線盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的影響。鐵路段監(jiān)測(cè)斷面沒(méi)有道路段密集，監(jiān)測(cè)斷面間距較大，縱向點(diǎn)較少，故采用了擬合曲線表示。曲線顯示，左右線盾尾處于794環(huán)時(shí)，盾尾附近的測(cè)點(diǎn)沉降速率較快，距離斷面60環(huán)處(即735環(huán)位置)，沉降基本完成。右線推進(jìn)導(dǎo)致其上方測(cè)點(diǎn)沉降約為14 mm，左右線推進(jìn)導(dǎo)致左線上方測(cè)點(diǎn)總沉降約為13 mm。與道路段相比，補(bǔ)漿對(duì)鐵路地表測(cè)點(diǎn)的沉降影響不明顯，沉降曲線沒(méi)有減小的過(guò)程。

圖7 鐵路地表測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)沉降曲線

3.2 橫向沉降

1)盾構(gòu)在道路下方推進(jìn)

圖8為右線R120橫斷面沉降曲線。由圖可見(jiàn)，右線盾尾脫出時(shí)的橫斷面沉降曲線較盾構(gòu)機(jī)頭到達(dá)時(shí)有明顯的整體下移，變化量在5 mm左右，且距盾構(gòu)中線水平距離較遠(yuǎn)處與盾構(gòu)正上方的沉降增量相差不大(即橫斷面沉降曲線呈現(xiàn)平行下移的趨勢(shì))。而最終沉降量則是盾構(gòu)正上方最大，與盾構(gòu)水平距離越遠(yuǎn)，沉降量越小，說(shuō)明盾構(gòu)達(dá)到前與到達(dá)時(shí)的擾土范圍大，而盾尾拖出后擾土范圍減小，主要發(fā)生在盾構(gòu)隧道及其上方位置。從數(shù)值上來(lái)看，盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量占最終沉降量的比例較大，為80%左右。

圖8 右線R120橫斷面沉降曲線

圖9為左線L120橫斷面沉降曲線。由圖可見(jiàn)，左線橫斷面沉降規(guī)律與右線類似。盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量也占到最終沉降量的80%左右。由于兩條隧道施工相互影響，監(jiān)測(cè)到橫向沉降曲線不完全對(duì)稱，最大值偏向先期施工隧道一側(cè)。

2)盾構(gòu)在鐵路下方推進(jìn)

圖9 左線L120橫斷面沉降曲線

圖10為右線R690橫斷面沉降曲線。曲線顯示，橫斷面的總體沉降規(guī)律與道路段有相似之處，也能形成規(guī)則的沉降槽。右線機(jī)頭到達(dá)和盾尾脫出時(shí)間段內(nèi)，距盾構(gòu)中心水平距離較遠(yuǎn)處沉降變化不明顯，右線盾構(gòu)引起的最大沉降為14 mm，盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量也占到最終沉降量的80%。左線通過(guò)后，圖形左側(cè)的總沉降量高于右側(cè)，最大總沉降達(dá)到20 mm。右線盾構(gòu)施工引起的沉降遠(yuǎn)大于左線，占到總沉降的70%。

圖10 右線R690橫斷面沉降曲線

4 Peck 公式［2］反演地層損失率

Peck提出了盾構(gòu)施工引起地面沉降的估算方法。此法假定地層損失在隧道長(zhǎng)度方向上均勻分布，地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線，如圖11所示。

式中，S(x)為沉降量(m);Smax為隧道中心線處的最大沉降量(m);x為距隧道中心線的距離(m);Vl為單位長(zhǎng)度地層損失量(m2);i為沉降槽寬度系數(shù) (自隧道中心至沉降曲線反彎點(diǎn)的距離)(m)。

式中，ζ為地層損失率(%);r為隧道外徑(m)。

圖11 Peck法地表沉降槽曲線

i的計(jì)算公式［6］為

式中，Z為地面至隧道中心深度(m);φ為土的內(nèi)摩擦角，對(duì)于成層土取加權(quán)平均值。

Peck公式適用于自由場(chǎng)的工況，對(duì)于盾構(gòu)穿越鐵路股道的工況，由于地表有較大的鐵路活載，Peck公式不再適用。下面僅對(duì)盾構(gòu)穿越道路段的工況(由于道路荷載較小，可近似按照自由場(chǎng)考慮)，用Peck法反演地層損失率。盾構(gòu)過(guò)道路段埋深在14 m左右，上覆土主要為粉質(zhì)黏土，內(nèi)摩擦角φ為17.1°。根據(jù)式2～式4，當(dāng)沉降量為30 mm時(shí)，地層損失率為0.471%。Peck沉降曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比如圖12所示。

圖12 Peck沉降曲線與實(shí)測(cè)對(duì)比

由圖12可以看出，測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律與Peck沉降曲線較吻合，說(shuō)明Peck法有較好的適用性。R96監(jiān)測(cè)斷面最大沉降量為33 mm，超過(guò)限值30 mm，可以推算出此測(cè)點(diǎn)處的地層損失率為0.518%＞0.471%。經(jīng)過(guò)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)，減小了R120和R144監(jiān)測(cè)斷面處的地層損失率(分別為0.439%和0.424%)，沉降得到了較好的控制，都在30 mm以內(nèi)?？梢钥闯?，若要將沉降控制在30 mm以內(nèi)，必須保證地層損失率＜0.471%。

5 結(jié)論

1)盾構(gòu)下穿道路段，地表總沉降量基本維持在30 mm以內(nèi)，左線推進(jìn)造成的地表最大沉降在10 mm以內(nèi)(未考慮右線推進(jìn)的影響)。盾構(gòu)下穿鐵路股道段，右線推進(jìn)造成的地表最大沉降在14 mm左右，左線通過(guò)后導(dǎo)致的地表最大總沉降達(dá)到20 mm。左線造成的沉降量較小主要原因是，周圍土體得到了右線施工時(shí)的注漿加固，另外盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的調(diào)整對(duì)其也有影響。

2)盾構(gòu)穿越鐵路股道段的總沉降小于道路段，與盾構(gòu)施工參數(shù)的調(diào)整有關(guān)(增大了注漿壓力和注漿量)，另外盾構(gòu)埋深的不同也是一個(gè)方面的因素(道路段埋深14 m，鐵路段埋深22 m)，埋深越深對(duì)地表的影響越小。

3)道路段和鐵路段沉降都是在盾構(gòu)通過(guò)約60環(huán)(72 m)后基本完成，盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量占到最終沉降量的80%左右。

4)用Peck公式反演了盾構(gòu)過(guò)道路段的地層損失率，通過(guò)計(jì)算得出，要將沉降控制在30 mm以內(nèi)，必須保證地層損失率＜0.471%。

5)盾構(gòu)過(guò)道路段的總體沉降可控制在 +10 mm至-30 mm范圍內(nèi)。盾構(gòu)過(guò)鐵路段的最大沉降達(dá)到了20 mm，超出了規(guī)定的沉降控制范圍，變化區(qū)域很大，相對(duì)差異沉降不顯著。由于嚴(yán)密監(jiān)測(cè)與列車運(yùn)營(yíng)配合，對(duì)地面軌道進(jìn)行調(diào)整，施工期間仍然保證了列車的安全運(yùn)營(yíng)。但是必須采取一定的補(bǔ)救措施，如后期的地表加固等，以保證列車長(zhǎng)期的順利運(yùn)營(yíng)。

［1］孫玉永，周順華，宮全美.軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的深層位移場(chǎng)分布規(guī)律［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(3):500-506.

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