地鐵隧道盾構(gòu)施工地表變形影響因素分析

廖利釗　郭　譜　楊　俊

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上?！?00092；2.華中科技大學(xué)　土木學(xué)院工程管理研究所，武漢　430074)

?

地鐵隧道盾構(gòu)施工地表變形影響因素分析

廖利釗1郭譜2楊俊2

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海200092；2.華中科技大學(xué)土木學(xué)院工程管理研究所，武漢430074)

【摘要】地鐵盾構(gòu)由于其高機(jī)械化、高自動化、對周邊建(構(gòu))筑物影響小等優(yōu)點(diǎn)在地鐵隧道中廣泛應(yīng)用。但隧道施工過程中產(chǎn)生的地層沉降易導(dǎo)致地表建構(gòu)筑物傾斜，甚至開裂、倒塌，施工中存在很多風(fēng)險(xiǎn)隱患，事故頻發(fā)。本文以武漢地鐵二號線某區(qū)間隧道為背景，通過現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表沉降的時空效應(yīng)及影響因素，并探討隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、地質(zhì)情況和施工參數(shù)三個因素對地表沉降的影響，總結(jié)地表沉降規(guī)律，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，從而降低和控制工程安全風(fēng)險(xiǎn)，并為類似工程提供有益參考。

【關(guān)鍵詞】隧道工程；盾構(gòu)法施工；地表沉降；現(xiàn)場監(jiān)測；時空效應(yīng)；影響因素

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.13

引言

地鐵盾構(gòu)施工具有高度的機(jī)械化、自動化，不影響地面交通，對周圍建(構(gòu))筑物影響較小，適應(yīng)軟弱地質(zhì)條件，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在城市地鐵工程中得到廣泛應(yīng)用。目前已經(jīng)成為國內(nèi)外城市地鐵隧道的主要施工方法。

由于地層沉降可能導(dǎo)致地表建筑物傾斜，甚至開裂、倒塌，地下管線被破壞；地層水平位移可引起地下樁基偏移及管線與通道錯位等，進(jìn)而導(dǎo)致樁基承載力下降并影響管線與通道的正常使用，甚至毀壞。因此，必須研究盾構(gòu)隧道施工時引起地層移動、造成地面沉降的影響因素，對地面沉降量進(jìn)行預(yù)測，正確估計(jì)可能發(fā)生的地面變形，以選擇最佳的施工技術(shù)，制定一套完善的措施，保證施工對于己有的建筑、設(shè)施所造成的影響危害控制在允許的范圍內(nèi)，確保施工地區(qū)樓房、建筑物與地下管線等重要設(shè)施的安全。

鑒于此，本文以武漢軌道交通二號線某地鐵隧道為依托，系統(tǒng)分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表沉降的時空效應(yīng)及影響因素。在此基礎(chǔ)上，探討隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、地質(zhì)情況和施工參數(shù)三個因素對地表沉降的影響，總結(jié)地表沉降規(guī)律，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，從而降低和控制工程安全風(fēng)險(xiǎn)，并為類似工程提供有益參考。

1工程概況及現(xiàn)場監(jiān)測方案

1.1工程概況

武漢地鐵二號線某區(qū)間隧道為雙線隧道，覆土厚度為10～40m，該盾構(gòu)隧道采用德國海瑞克公司生產(chǎn)的泥水加壓盾構(gòu)機(jī)施工，隧道襯砌采用鋼筋混凝土管片襯砌一次成型，管片拼裝采用“5+1楔形塊”錯縫拼裝，管片接縫采用膨脹膠止水條。

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，本工程盾構(gòu)隧道在靠近盾構(gòu)始發(fā)洞身范圍內(nèi)為第四系全新統(tǒng)沖積層，上部為1～5m的粘土，下部為2～3m的淤泥質(zhì)土。盾構(gòu)隧道洞身主要從粉細(xì)砂層(4-2)和含礫中粗砂層(2-4)中穿過，局部從兩層分界線附近通過，在靠近積玉橋站段局部通過(3-2a)淤泥質(zhì)粘土、(3-2)粉質(zhì)粘土，江底約80m底部切削中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，最大切削厚度為1.2m。具體地質(zhì)統(tǒng)計(jì)表見表1。

1.2隧道監(jiān)測方案

地表沉降測點(diǎn)布置根據(jù)隧道埋深、施工影響范圍來考慮，一般縱向在有條件的地段布置橫斷面，每個斷面10～15個測點(diǎn)，橫向監(jiān)測范圍為隧道中線H+2D；沿隧道縱向每10m布置一個測點(diǎn)；測點(diǎn)埋設(shè)方法采用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入沉降測點(diǎn)，測點(diǎn)一般用Φ20～30mm，長200～300mm，半圓頭鋼筋制成，具體埋設(shè)方法如圖1。

該區(qū)間隧道地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖如圖2所示。

2地表沉降的時空效應(yīng)分析

2.1地表沉降的時間效應(yīng)分析

隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，隧道中心線上方的地表沉降點(diǎn)在某時間段內(nèi)的沉降值呈現(xiàn)出明顯的時間效應(yīng)。選取隧道中心線正上方的兩個監(jiān)測點(diǎn)DK14+782與DK14+772，統(tǒng)計(jì)從盾構(gòu)開始影響該測點(diǎn)到盾構(gòu)通過后該測點(diǎn)完全穩(wěn)定這個時間段內(nèi)的每日地表沉降值，得出沉降時間效應(yīng)曲線(圖3)。

通過表1統(tǒng)計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及對應(yīng)的曲線圖對地表沉降的時間效應(yīng)[2， 3， 9]進(jìn)行分析得出，盾構(gòu)法施工的地表沉降按沉降類型可以明顯地分為五個階段：

(1)先行沉降——盾構(gòu)到達(dá)前

根據(jù)實(shí)際觀測，盾構(gòu)掘進(jìn)面距地面觀測點(diǎn)還有約十米的時候，地面沉降開始表現(xiàn)出來。這部分沉降大約占總沉降的5%左右。

(2)開挖面前的沉降或隆起——盾構(gòu)到達(dá)時

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)面距觀測點(diǎn)較近直至開挖面位于觀測點(diǎn)正下方之間，由于土體的應(yīng)力釋放導(dǎo)致地面沉降。這部分沉降大約占總沉降的5%左右。

(3)推進(jìn)沉降——盾構(gòu)通過時

當(dāng)掘進(jìn)面到達(dá)觀測點(diǎn)的正下方之后直到盾構(gòu)機(jī)尾部通過觀測點(diǎn)為止，由于盾構(gòu)推進(jìn)過程中對土的擾動，使得地面出現(xiàn)第一次急劇沉降。約占總沉降的35%左右。

(4)盾尾空隙沉降——盾構(gòu)通過后

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的尾部通過觀測點(diǎn)的正下方時，地表此時出現(xiàn)第二次急劇沉降。其主要是盾尾空隙出現(xiàn)后土體應(yīng)力釋放所引起的彈塑性變形。約占總沉降的50%左右。

(5)后續(xù)沉降——長期

指固結(jié)和次固結(jié)引起的沉降。地面后期固結(jié)變形多數(shù)只占地面總變形量的較小部分，約占總沉降的5%左右。

2.2地表沉降的空間效應(yīng)分析

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，除隧道中心線上方的地表沉降存在時間效應(yīng)外，其橫斷面的地表沉降還呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)。

選取隧道上方的一個地表橫斷面DK14+552的10個監(jiān)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)從盾構(gòu)開始影響該測點(diǎn)到盾構(gòu)通過后該測點(diǎn)完全穩(wěn)定這個時間段內(nèi)的地表沉降值，得出地表沉降時間效應(yīng)曲線(圖4)。

實(shí)際的理論計(jì)算通常采用Peck法[2， 3， 9]計(jì)算的盾構(gòu)隧道地面沉降量，計(jì)算公式如下式：

式中，V1—地層損失(地表沉降容積)；

i—沉降槽曲線反彎點(diǎn)；

z—隧道中心埋深。

其理論沉陷槽橫向分布見圖5。

實(shí)際監(jiān)測顯示，在隧道中心線正上方的地表沉降最大，達(dá)到30mm左右；其沉降曲線的反彎點(diǎn)位于隧道中線兩側(cè)7m左右。總體來說，根據(jù)施工監(jiān)測值繪出的沉降槽與理論沉降槽十分相近。

3地表沉降地表影響因素分析

地鐵施工引起地表變形的時空演化特性，是非常復(fù)雜的多種因素[5， 6， 8]共同作用的結(jié)果，如工程設(shè)計(jì)參數(shù)、工程地質(zhì)參數(shù)以及施工參數(shù)等。從系統(tǒng)角度上說，所有影響因素構(gòu)成了系統(tǒng)的輸入變量，工程設(shè)計(jì)參數(shù)、工程地質(zhì)參數(shù)是引起地表變形的內(nèi)因，地鐵施工參數(shù)是引起地表變形的外因。因此，本文在歸納總結(jié)已有文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上，從盾構(gòu)施工引起地表變形的三個層面影響因素進(jìn)行定性和定量分析，如圖6所示。

3.1工程設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

工程設(shè)計(jì)參數(shù)主要是指與隧道線路設(shè)計(jì)、管片設(shè)計(jì)等有關(guān)的工程幾何參數(shù)。

本工程中盾構(gòu)隧道采用管片拼裝式單層襯砌，管片外徑6 200mm，內(nèi)徑5 500mm，厚350mm，環(huán)寬1.5m，為固定值，研究意義不大。故下面重點(diǎn)對隧道埋深與盾構(gòu)施工地表變形特征之間的關(guān)系[1， 10]進(jìn)行了深入研究。

選取該隧道里程DK14+807～DK14+752段的7個監(jiān)測點(diǎn)，該區(qū)域盾構(gòu)穿越地層均為(3-2a)淤泥質(zhì)粘土層，且盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化不大，統(tǒng)計(jì)這些點(diǎn)的最終累計(jì)沉降。具體數(shù)據(jù)及曲線圖見表2、圖7。

根據(jù)表2及圖7所示：隧道埋深在9～10m范圍內(nèi)，隧道埋深與地表沉降基本呈線形關(guān)系遞增，而當(dāng)隧道埋深超過10m，地表沉降的變化程度明顯變小，并趨向于穩(wěn)定，實(shí)測數(shù)據(jù)表明其穩(wěn)定在18mm左右。

3.2工程地質(zhì)參數(shù)影響分析

工程地質(zhì)條件[6， 7， 8]與沉降大小密不可分，理論上相對軟弱穩(wěn)定性差的地層，地表沉降大；而相對堅(jiān)硬穩(wěn)定性好的地層，地表沉降小。

由于隧道埋深大于10m時，埋深對地表沉降影響較小，故選取埋深大于10m及施工參數(shù)接近的5個沉降監(jiān)測點(diǎn)，通過加權(quán)平均取該處隧道土層的平均粘聚力及平均內(nèi)摩擦角，統(tǒng)計(jì)這些點(diǎn)的最終累計(jì)沉降。具體數(shù)據(jù)及曲線圖見表3、圖8。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)及關(guān)系曲線，從土層粘聚力C及內(nèi)摩擦角φ兩方面可以看出：隨著土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大，最大地表沉降也隨著增加。

3.3施工參數(shù)影響分析

盾構(gòu)施工參數(shù)主要是指盾構(gòu)開挖面壓力參數(shù)、盾構(gòu)排土參數(shù)、盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)和盾構(gòu)注漿參數(shù)等。對于武漢地鐵某盾構(gòu)隧道工程，采用泥水加壓平衡盾構(gòu)，施工參數(shù)包括切口水壓、送泥流量、排泥流量、送泥相對密度、排泥相對密度、盾構(gòu)推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤每轉(zhuǎn)切深、刀盤扭矩、盾構(gòu)千斤頂分組推力、盾構(gòu)頭尾的中心偏差、轉(zhuǎn)角和坡度、同步注漿量、同步注漿壓力等。其中，我們對泥水盾構(gòu)施工的盾構(gòu)掘進(jìn)速度[4]、盾構(gòu)注漿填充率[9]與盾構(gòu)施工地表變形特征之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究：

(1)盾構(gòu)推進(jìn)速度v

由于隧道埋深大于10m時，埋深對地表沉降影響較小，故選取埋深大于10m及同一地層條件下的7個沉降監(jiān)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)到達(dá)該監(jiān)測點(diǎn)前一天到盾構(gòu)掘進(jìn)面通過該監(jiān)測點(diǎn)后一天時間段內(nèi)的地表沉降值，并對掘進(jìn)速度和地表沉降進(jìn)行對比分析，其關(guān)系曲線見圖9。

由上圖可知，盾構(gòu)推進(jìn)速度對地表沉降的影響非常顯著。推進(jìn)速度由15mm/min加快到20mm/min時，地表沉降隨著推進(jìn)速度的增快而減??；而當(dāng)掘進(jìn)速度從20mm/min增加到24mm/min時，地表沉降從2mm左右不到急劇增加到8mm左右；但推進(jìn)速度達(dá)到24mm/min以后，地表沉降量基本在8mm左右波動而不再增加。由此可見，適當(dāng)?shù)募涌焱七M(jìn)速度能減小對土體的擾動；而當(dāng)推進(jìn)速度過快，地表變形隨之變大；但達(dá)到一定的推進(jìn)速度以后，地表沉降量趨于定值而不再增加。

(2)盾尾空隙填充率

由于隧道埋深大于10m時，埋深對地表沉降影響較小，故選取埋深大于10m及同一地層條件下的7個沉降監(jiān)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)刀盤到達(dá)該監(jiān)測點(diǎn)前一天到盾尾通過該監(jiān)測點(diǎn)后一天(即從盾構(gòu)通過到注漿結(jié)束)時間段內(nèi)的地表沉降值，并對盾尾空隙填充率和地表沉降進(jìn)行進(jìn)行對比分析，其關(guān)系曲線見圖10。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可見，地面最大沉降隨注漿填充率的增加而減小，幾乎呈線性關(guān)系。這說明盾尾注漿填充率對地面沉降的影響很大。

4結(jié)論

本文通過對武漢地鐵二號線某區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工過程中的地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測及分析，得出以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

(1)盾構(gòu)施工引起的地表沉降符合時空效應(yīng)的規(guī)律。且地表沉降由多種因素產(chǎn)生，它既與設(shè)計(jì)參數(shù)(隧道埋深等)、地質(zhì)情況等客觀因素有關(guān)，也與施工參數(shù)(掘進(jìn)速度、盾尾注漿填充率)等主觀因素密切相關(guān)。

(2)在各項(xiàng)影響地表沉降大小的因素中，影響較大的因素主要有隧道埋深、地質(zhì)情況、盾構(gòu)掘進(jìn)速度和盾尾注漿填充率。各因素對地表沉降的影響不同，基本呈線性或非線性關(guān)系，在具體工程中需要進(jìn)一步深入分析。

(3)監(jiān)測結(jié)果表明，即便地質(zhì)及設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)相同，但采用的施工參數(shù)不同，相應(yīng)的地表沉降也會有差異。因此施工過程中盾構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整顯得尤為重要，故在盾構(gòu)法施工時，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和信息的反饋，及時調(diào)整施工的各項(xiàng)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳中,焦蒼. 埋深和盾構(gòu)推力對盾構(gòu)隧道的地表變形影響分析[J].隧道建設(shè)， 2005(05).

[2]李大勇,陳福全,王暉. 盾構(gòu)掘進(jìn)中深層土體變形實(shí)測分析與研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2004.

[3]李小青,朱傳成. 盾構(gòu)隧道施工地表沉降數(shù)值分析研究[J].公路交通科技， 2007(06).

[4]付磊. 盾構(gòu)隧道施工中的注漿材料特性研究及其引起的地層變形規(guī)律分析[D].河海大學(xué)， 2007.

[5]劉昌. 盾構(gòu)施工引起地表沉降的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)， 2007.

[6]卿偉宸,廖紅建,錢春宇. 盾構(gòu)法施工影響地面最大沉降的若干因素分析.上海：中國土木工程學(xué)會第十二屆年會暨隧道及地下工程分會第十四屆年會， 2006.

[7]李澤榮. 地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的數(shù)值模擬研究[D].西安：西安科技大學(xué)， 2009.

[8]張海波,殷宗澤,朱俊高. 隧道盾構(gòu)法施工地面沉降影響因素分析[J].巖土工程界， 2005(02).

[9]Maeda，M.and K.Kushiyama(2005)“Use of compact shield tunneling method in urban underground construction.”Tunnelling and Underground Space Technology 20(2)： 159-166.

[10]Tajima，H.and M.Kishida，et al.“Study on construction loads during shield tunneling using a three-dimensional FEM model.”Tunnelling and Underground Space TechnologySafety in the Underground Space-Proceedings of the ITA-AITES 2006 World Tunnel Congress and 32nd ITA General Assembly 21(3-4)： 250-250.

Influence Factors of Ground Surface Subsidence Induced by Shield Tunneling in Subway Construction

Liao Lizhao1，Guo Pu2，Yang Jun2

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200092，China;2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Key Words：Shield Tunneling；Subway Construction；Ground Surface Subsidence；Monitoring；Factor

Abstract:Because of its high mechanization，high automation and low-impact to the surrounding buildings and structures，shield tunneling has been widely used in the subway tunnel construction.However，deformation of stratum induced by shield tunneling is prone to cause inclination and even cracking or collapse of surrounding buildings.So there are so many safety risks in the subway tunnel construction that lead to frequent accidents.Based on the site measurement results，this article chooses a certain subway tunnel section of Line No.2 of Wuhan Metro to systematically analyze and summarize the spatial and temporal effects and influence factors of the surface subsidence including the tunnel design parameters，geological conditions and the construction parameters.The research results are helpful to the shield operation parameter optimization and adjustments，controlling and reduction of the safety risks in the construction，and provide a useful reference for similar constructions in the future.

【基金項(xiàng)目】國家自然科學(xué)基金“網(wǎng)絡(luò)理論的地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的時空演化機(jī)理與規(guī)律研究”(編號：51408245)

【作者簡介】廖利釗(1962-)，男，高級工程師。主要研究方向：地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)控制。

【中圖分類號】U455.43;U456.3

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)02-0084-06