上海大直徑盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降研究

黃 平， 李 林

(1.重慶電力高等專科學(xué)校， 重慶 400053； 2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092)

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上海大直徑盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降研究

黃 平1， 李 林2

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校， 重慶 400053； 2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092)

上海對(duì)于大直徑隧道的需求不斷增長(zhǎng)，如何最大限度降低隧道施工對(duì)環(huán)境造成的影響已成為研究熱點(diǎn)。以外直徑為13.95 m的迎賓三路隧道為例，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究在隧道穿越沉降敏感區(qū)和不良地質(zhì)條件的情況下，由盾構(gòu)隧道引起的地表變形控制。經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)地觀察表明，該區(qū)域體積損失應(yīng)被控制在0.2%以內(nèi)，可保證地表最大沉降量不超過(guò)10 mm；除容積損失在0.81%的情況外，沉降槽寬度系數(shù)預(yù)測(cè)值與測(cè)量值不具有較好的一致性，當(dāng)用i=Z0去擬合隧道開挖過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)，參數(shù)a在0.31～0.37區(qū)間，低于中小隧道建議值0.5，研究成果可供相關(guān)工程參考。

大直徑盾構(gòu)隧道； 地面沉降； 實(shí)地測(cè)試； 容積損失； 槽寬度參數(shù)

1 概述

為了滿足上海人口和經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)的需求，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響，地下交通設(shè)施被廣泛建造，它對(duì)于解決大型城市交通問(wèn)題非常有效。上海已經(jīng)建成世界上第三長(zhǎng)的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)，其中大部分隧道是由盾構(gòu)機(jī)建造。盾構(gòu)法在安全性、方便性和施工速度上有很大的提高[1-3]，且對(duì)城市地區(qū)周圍環(huán)境的影響較小，它被廣泛的用于地下公路隧道施工。然而，由于不同的功能需求，公路隧道的直徑趨于更大，例如，上海打浦路隧道是國(guó)內(nèi)第一條水底公路隧道，也是第一條采用盾構(gòu)法施工的隧道，其外徑10.0 m，全長(zhǎng)2761.0 m。地下隧道開挖不可避免地導(dǎo)致地面不同程度的運(yùn)動(dòng)和地表沉降，盾構(gòu)沉降預(yù)測(cè)在近些年取得了大量的研究。其中大部分集中在小直徑地鐵隧道或大口徑過(guò)江隧道的研究，此類隧道導(dǎo)致環(huán)境的影響相對(duì)較小，當(dāng)大直徑隧道通過(guò)一些重要的已有建筑物或在敏感的基礎(chǔ)設(shè)施緊密推動(dòng)過(guò)程中，勢(shì)必引起地面變形。通常情況下，地面沉降可通過(guò)使用經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)方法，分析方法和數(shù)值方法來(lái)估計(jì)。

本文旨在預(yù)測(cè)和減少使用盾構(gòu)暗挖法大直徑隧道開挖引起的地表沉降，以上海迎賓三路隧道為例，它由國(guó)內(nèi)最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(14.27 m)開挖而成。在施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)將先后通過(guò)幾個(gè)有地面沉降要求的敏感區(qū)域，該區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)條件給這個(gè)工程帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)工程中112 m的試驗(yàn)區(qū)域表面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并與經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值進(jìn)行比較，闡述在隧道穿越沉降敏感區(qū)和不良地質(zhì)條件的情況下盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形控制的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 工程背景

迎賓三路隧道是連接虹橋機(jī)場(chǎng)東西兩側(cè)最便捷的通道，是服務(wù)虹橋交通樞紐的交通網(wǎng)絡(luò)顯著主干道，該項(xiàng)目規(guī)劃為雙四車道，由兩部分組成，連接道路和隧道。隧道全長(zhǎng)2862 m，其中約1000 m明洞，1862 m是雙層單圓盾構(gòu)隧道，隧道直徑14.27 m。該項(xiàng)目使用的盾構(gòu)機(jī)由西軸推進(jìn)，然后經(jīng)過(guò)七莘路高架，在北橫涇水路的樁基下駕車通過(guò)，進(jìn)入虹橋機(jī)場(chǎng)地區(qū)的地下空間(機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道和停機(jī)坪等)和101鐵路，到達(dá)東部在迎賓三路接收軸，隧道襯砌的外徑是13.95 m，襯環(huán)由9段組成，具有2.0 m的寬度和0.6 m的厚度，縱向輪廓和盾構(gòu)隧道的標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 縱向輪廓和盾構(gòu)隧道的標(biāo)準(zhǔn)斷面Figure 1 Longitudinal profile and standard cross-section of shield-driven tunnel

該地區(qū)土層主要為第四紀(jì)，具有靈敏度高，壓縮性強(qiáng)，低強(qiáng)度，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定和超大沉降的特點(diǎn)，地下水位位于地面下方1 m之內(nèi)，從75 m深的鉆孔獲得的巖土參數(shù)剖面圖，如圖2所示。其中： 層①是人工填土，層②～⑤是第四系全新統(tǒng)Q4沉積，層⑥～⑨是第四紀(jì)更新世Q3沉積。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿過(guò)試驗(yàn)段是④T砂質(zhì)粉土和⑤1粉質(zhì)粘土，呈現(xiàn)出水分含量高的特性和強(qiáng)流可塑性，很難控制表層土壤的沉降[4，5]。

圖2 典型的土壤剖面圖Figure 2 Typical soil profile diagram and geotechnical parameters

3 實(shí)證方法和估算

在工程實(shí)踐中使用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)公式是由佩克提出的，它假定在橫向地面沉降槽可以由一個(gè)高斯分布曲線，如圖3所示?？梢酝茖?dǎo)出：

(1)

式中：SX為從隧道中心距離X地面沉降，m；Smax為在垂直隧道軸線上的最大地表沉降，m；i為槽寬度參數(shù)，從隧道中心到拐點(diǎn)的距離，m。

引起隧道沉降的被定義為“體積損失”(Vl)，這種表示為名義上的隧道挖掘量百分比，通過(guò)公式(1)，Smax和Vl之間關(guān)系式可以改寫為：

(2)

式中：D為隧道直徑，m，對(duì)于給定的隧道直徑，沉降曲線的大小和形狀，僅僅依賴于體積損失Vl和槽寬度i。

圖3 佩克的橫向地表沉降槽Figure 3 Transverse ground surface settlement trough in Peck formulation

對(duì)于槽寬度系數(shù)i的許多估計(jì)表達(dá)式被提出了，一般情況下，分為3類：

①i與土壤條件(φ)和隧道深度(Z0)有關(guān)，形成i=f(φ,Z0)，式(3)被克諾特提出，其中，φ是摩擦角的土壤；

②i與隧道半徑和深度相關(guān)聯(lián)，形成i=Ra(Z0/2R)n或i=a(bZ0+cR)，式(4)被克拉夫提出；

③i僅僅與隧道深度有關(guān)聯(lián)，形成i=aZ0+b,式(5)被奧賴?yán)岢觯瑓?shù)a，b，c和n是恒定的。

(3)

i=R(Z0/2R)0.8

(4)

i=aZ0

(5)

諸多學(xué)者研究表明，在上海a=0.5是合理的，假設(shè)體積損失在0.1%～0.5%之間，最大地表沉降量可以用式(2)～式(5)來(lái)估計(jì)，如表1中所示。

表1 不同體積損失下的最大沉降值預(yù)測(cè)Table.1 Predictionofmaximumsurfacesettlementsbydif-ferentvolumelosses槽寬度系數(shù)i/m最大沉降量Smax/mmVl=0.1%Vl=0.2%Vl=0.5%公式(3)12.15.110.225.5公式(4) 9.76.312.431.5公式(5)10.5,a=0.55.911.829.5

由于，機(jī)場(chǎng)滑行道和跑道的區(qū)域可允許的表面沉降不超過(guò)10mm，可以得出結(jié)論，體積損失應(yīng)被控制在0.2%之內(nèi)，來(lái)滿足機(jī)場(chǎng)區(qū)域嚴(yán)格沉降要求，然而，廣泛應(yīng)用于以上3種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的是隧道直徑小于10m，對(duì)于大直徑隧道，這些表達(dá)式的適用性和有效性有待仔細(xì)評(píng)估。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和測(cè)試結(jié)果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

為了降低隧道施工對(duì)環(huán)境的影響，達(dá)到最佳的挖掘參數(shù)，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入進(jìn)場(chǎng)臨界區(qū)之前，進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試。本次研究，只研究地表沉降和施工參數(shù)，例如土壓力、注漿量和壓力之間的關(guān)系[6，7]。圖4為在橫向和縱向方向上的地面表面上的測(cè)量設(shè)置，四橫面H90、H93、H96、H99是監(jiān)測(cè)地表沉降的橫向變形，每一個(gè)橫截面在距離隧道軸線3、7、11、15、19、24、30、36 m各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，H90代表隧道的第90圈，環(huán)寬2 m。

圖4 迎賓三路隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)置Figure 4 Measurement setup in the field test of Yingbin San Road tunnel

4.2 施工參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)土壤室的支撐壓力，注漿量和注漿壓力進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)查施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，圖5是土壤室和盾尾注漿管道的傳感器布局，1#土壓力的支撐壓力系數(shù)通過(guò)總應(yīng)力法被估計(jì)。

圖5 土壤室和盾尾注漿管道的傳感器布局Figure 5 Layout of soil pressure cell and grouting pipes

在工程實(shí)踐中，總注漿量實(shí)際是理論注漿量的1.2～1.4倍，此次注漿工程中，理論注漿量應(yīng)為14.2 m3，注漿過(guò)程記錄儀顯示，6個(gè)管道的總注漿量由第74圈的17.5 m3增加到第90圈的21.3 m3，如圖6所示。前3個(gè)管道之間的注漿比例為2.5∶1(1#、5#、6#)，另外的三個(gè)注漿管(2#、3#、4#)被定期封鎖，在正常情況下，注漿泵壓力控制在0.5 MPa以內(nèi)。允許的最大注漿壓力為0.8 MPa，而注漿泵的壓力不與數(shù)值模擬假定的分布式注漿壓力相同。

4.3 測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)開始時(shí)，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)第76圈，并在第123圈結(jié)束，到初始開挖面相應(yīng)的距離分別是152 m和246 m，在隧穿過(guò)程中，支撐壓力系數(shù)被設(shè)定為0.78，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)地91圈之前(第86圈正在組裝)，它增加到0.86之后，若空間是有限的，在橫向方向上選擇橫截面H90和H96的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見圖6)。

圖6 1#測(cè)點(diǎn)支撐壓力系數(shù)和注漿總量以及測(cè)量的最大沉降量Figure 6 Coeifficient of supporting pressure (1#), total grouting volume and the measured Smax

圖7是橫截面H90開挖第14步的地表沉降曲線，可知：H90的表面沉降增加至50.74 mm，之后，表面沉降逐漸趨向于穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)微小反彈，當(dāng)機(jī)器通過(guò)第106圈時(shí)，反彈量大約是4 mm，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)第123圈時(shí)，最大沉降量是53.29 mm，觀察沉降槽實(shí)測(cè)曲線的對(duì)稱性，可看出，它與隧道中心線近似對(duì)稱，隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的沉降右側(cè)比左側(cè)的大，在所有的觀測(cè)截面，這是一種常見現(xiàn)象，可能與盾構(gòu)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，從測(cè)得的數(shù)據(jù)可大致推出，盾構(gòu)刀盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此外，還有明顯的“起伏”現(xiàn)象。

圖7 橫截面H90開挖第14步的地表沉降曲線Figure 7 Monitored surface settlement trough at cross-section H90 for 14 driving steps

圖8是橫截面H96開挖第14步的地表沉降曲線，可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)第123圈時(shí)，最大沉降量?jī)H為26.05 mm，比在H90時(shí)小得多，經(jīng)分析，由于隧穿過(guò)程中，注漿壓力和注漿量在H96處比H90處有所增加，這也導(dǎo)致了H96處明顯的隆起現(xiàn)象。

圖8 橫截面H96開挖第14步的地表沉降曲線Figure 8 Monitored surface settlement trough at cross-section H96 for 14 driving steps

圖9是4個(gè)橫截面最大地表沉降測(cè)量曲線圖，在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到第90圈時(shí)注漿管被堵塞，注漿壓力和注漿量的短缺導(dǎo)致在H90處的最大沉降量與盾構(gòu)機(jī)通過(guò)第123圈時(shí)的沉降量一樣，均為53.29 mm，隨后，注漿管路被修復(fù)，到下一個(gè)圈時(shí)，注漿壓力和注漿量逐漸升高，導(dǎo)致在H93、H96、H99處的最大下沉值減小，在H99處的最大下沉值是11.02 mm。

圖9 4個(gè)橫截面最大地表沉降測(cè)量曲線圖Figure 9 Olution of measured maximum surface settlement at four crosssections

圖10是在縱向方向上測(cè)量的3個(gè)開挖步驟的表面沉降。可知，各個(gè)曲線具有相似的形狀，不同的是，圖10的最大下沉值比圖7的預(yù)測(cè)值大35.1%，在理論上，每一步的沉降曲線應(yīng)顯著不同，在工程實(shí)踐中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過(guò)程中，施工參數(shù)實(shí)際發(fā)生著變化，最終沉降曲線與預(yù)測(cè)的不同。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)從H100到H119時(shí)，地表沉降基本保持不變。根據(jù)注漿過(guò)程記錄，在H100～H119的施工過(guò)程中，施工過(guò)程非常好，施工速度幾乎達(dá)到每天7圈，施工過(guò)程中的完美控制，或許導(dǎo)致幾乎不變的地表沉降。對(duì)比圖6的H81和H99隧道軸線上的地表沉降測(cè)量曲線可知，當(dāng)k0和注漿參數(shù)處在一個(gè)表較低的水平(#81 — #85)，地表沉降不斷增加，而后k0提高到一個(gè)較高的水平k0=0.86(#86 — #90)，地表沉降值繼續(xù)增加，但速度放緩，最后，當(dāng)注漿量和壓力也上升到一個(gè)更高的水平(#91 — #100)，地表沉降開始逆轉(zhuǎn)，這證實(shí)了注漿對(duì)地表沉降作用影響大于工作面壓力。

圖10 縱向方向上測(cè)量的三個(gè)開挖步驟的表面沉降Figure 10 Measured surface settlement in longitudinal direction at three excavation steps

5 經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比

圖11是盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)第123圈時(shí)橫截面H90、H93、H96、H99的沉降曲線，4個(gè)紅色的實(shí)線代表其相應(yīng)的高斯擬合曲線。根據(jù)方程(2)，圖11中的每條曲線的最大沉降值Smax、槽寬度系數(shù)i和體積損失Vi可以被估計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖11 最后開挖時(shí)的地表沉降槽和高斯擬合曲線Figure 11 Measured ground surface settlement trough at last excavation step and their gaussian Fitting curves

由表2可知: 僅在橫截面H99處的體積損失低于0.2%，修正的最大沉降量被控制在10 mm左右，這與經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值一致，相對(duì)比較高的H90處的體積損失為0.81，表明，較差的施工控制會(huì)產(chǎn)生較高的體積損失[8]。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的體積損失Table.2 Calculationofvolumelossesfromfieldmeasurements槽寬度系數(shù)i/m最大沉降量Smax/mm修正值Smax/mm體積損失VlH909.254.152.30.81H937.844.642.70.57H966.528.424.80.30H996.515.410.20.16

對(duì)比表1和表2可知: 槽寬度的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)測(cè)值的一致性較差，通過(guò)公式(4)，得到最小槽寬度系數(shù)為9.7 m，非常接近H90處獲得的最大的估計(jì)值9.2 m，采用公式(4)來(lái)擬合從H93～H99處獲得的槽寬度系數(shù)，得到參數(shù)a在0.31～0.37范圍內(nèi)，低于中小隧道建議值0.5。

6 結(jié)論

① 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知：開挖面的支撐壓力和注漿壓力在大隧道隧穿過(guò)程中是重要的參數(shù)，并且注漿壓力對(duì)于地表沉降的作用更明顯。

② 經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明：在機(jī)場(chǎng)區(qū)域，體積損失應(yīng)控制在0.2%以內(nèi)，以保證最大表面沉降不超過(guò)10 mm，然而槽寬度的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)測(cè)值的不具有較好的一致性，當(dāng)用i=Z0去擬合隧道開挖過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)，參數(shù)a在0.31～0.37區(qū)間，低于中小隧道建議值0.5。

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Study on Surface Subsidence Caused by the Construction of Large Diameter Shield Tunnel in Shanghai

HUANG Ping1, LI Lin2

(1.Chongqing Electric Power College, Chongqing 400053, China; 2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Shanghai rising demand for large diameter tunnel, how to minimize the tunnel construction the effects on the environment has become a hot research topic. Outside diameter of 13.95 m welcome three road tunnel as an example, by empirical formula, and field measurement, research on tunnel subsidence under the condition of sensitive area and bad geological condition, caused by surface deformation control of shield tunnel. Empirical formula and field observations show that the regional volume loss should be controlled within 0.2%, ensures maximum ground settlement is less than 10mm; Besides volume loss in 0.81% of the time, the settlement trough width coefficient of predicted values and measured values are not have good consistency, whenI=Z0to fitting the data obtained from the tunnel excavation process, the parameters within the range of 0.31 to 0.37, lower than the small and medium-sized tunnel suggest a value of 0.5, research results to provide a reference for the related engineering.

large diameter shield tunnel; land subsidence; field testing; volume loss; groove width parameter

2016 — 06 — 20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272288)

黃 平(1984 — )，男，四川岳池人，碩士，講師，一級(jí)建造師，主要從事工程管理、隧道工程的教學(xué)與研究工作。

U 455.43

A

1674 — 0610(2016)05 — 0156 — 05