盾構(gòu)隧道施工地表沉降可視化分析及預測

袁 釗

(上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海 200438)

盾構(gòu)隧道施工地表沉降可視化分析及預測

袁 釗

(上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海 200438)

盾構(gòu)隧道施工是對土層擾動最小的工法之一,但大量工程實踐表明，其引起的地表沉降會對周邊環(huán)境造成較大影響.計算機技術和GIS技術在海量數(shù)據(jù)管理、可視化分析等領域取得了巨大的發(fā)展，以及其在大型工程中的應用也越來越受到重視.工程施工可視化及其相關技術在盾構(gòu)隧道施工中的應用，是目前研究的熱點.根據(jù)工程實測沉降數(shù)據(jù)，結(jié)合盾構(gòu)隧道施工的沉降經(jīng)驗預測公式，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化分析及預測，并將相關技術用于指導施工減小對周邊環(huán)境的影響.

盾構(gòu)隧道；監(jiān)測；地表沉降；預測

城市盾構(gòu)機問世已有180年的歷史，隨著盾構(gòu)機及其相關配套技術的發(fā)展，盾構(gòu)隧道施工已經(jīng)成為對土層擾動最小的工法之一.然而，大量的工程實踐證明，盾構(gòu)法施工仍會引起地層移動，從而導致對周邊環(huán)境不同程度的影響.在城市中修建盾構(gòu)隧道對地層沉降控制的要求越來越嚴格，這主要緣于施工周邊環(huán)境的復雜性.很多情況下要下穿越繁榮的商業(yè)區(qū)、人口密集的居民區(qū)、城市交通生命線的高架橋等；有時要近距離穿越運營地鐵線，以及關乎居民日常生活的各種管線(燃氣、電力、給水、信息、污水管線等)，這些工程往往埋深較淺，較小的擾動也會對其產(chǎn)生很大的影響，甚至破壞其結(jié)構(gòu)功能；另外，在施工過程中，如遇到水流、掘進面大面積超挖等較難控制的情況時，也會給施工本身帶來巨大的風險，造成追加投資、施工延期等.因此對地面沉降量進行動態(tài)預測，以確保施工區(qū)周邊重要設施安全就顯得尤其重要.

計算機技術和GIS技術在海量數(shù)據(jù)管理、可視化分析等領域取得了巨大的發(fā)展，并在大型工程中的應用越來越受到重視[1].空間分析作為GIS區(qū)別與一般的計算機輔助制圖系統(tǒng)主要特征，它是指以地理事物的空間位置和形態(tài)為基礎，以空間數(shù)據(jù)運算為特征，提取與產(chǎn)生新的空間信息的技術和過程，虛擬可視化技術作為空間分析手段之一，其可為工程中提供三維可視化場景，提高工程輔助決策水平.本文根據(jù)上海市某盾構(gòu)區(qū)間的施工進度及地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用地層沉降經(jīng)驗預測公式，得出有關經(jīng)驗參數(shù)，然后擬合地表沉降曲面，通過空間分析技術，對沉降結(jié)果對周邊環(huán)境的影響進行了分析及預測.

1 工程簡介

上海市某盾構(gòu)隧道全長約15 km.隧道外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，裝配式襯砌管片通縫拼裝；襯砌塊寬度1 200 mm，厚350 mm，襯砌管片設計強度為C55.

盾構(gòu)施工主要穿越的地層：④層、⑤—1層、⑤—2層、⑤—31層、⑥層.

④層灰色淤泥質(zhì)粘土，呈流塑狀，高壓縮性土，高靈敏度軟土，土質(zhì)較差，為本場地主要軟弱土層之一.

⑤—1層灰色粉質(zhì)粘土，軟塑，中壓縮性，分布穩(wěn)定，夾薄層粉土.

⑤—2層灰色砂質(zhì)粉土，稍密—中密，中壓縮性，夾薄層粘性土，土質(zhì)不均，僅局部出露.

⑤—31層灰色粉質(zhì)粘土夾粉砂，為古河道沉積，軟塑，中壓縮性，土質(zhì)不均，夾薄層狀粉土、粉砂，局部較多.分布于古河道沉積地段，局部厚度較大，厚度亦有一定變化.

⑥層灰暗綠—草黃色粉質(zhì)粘土，呈可塑～硬塑狀，中壓縮性，層位穩(wěn)定，厚度較大，屬正常沉積.

盾構(gòu)施工期間地表沉降監(jiān)測參照相關規(guī)范要求及工程經(jīng)驗進行布設及施測：布點原則為沿盾構(gòu)中心軸線方向以6 m布置一個監(jiān)測點；為掌握地面周圍環(huán)境變形范圍及規(guī)律性，以50 m的間距布置十字剖面，每個剖面在軸線兩側(cè)按照1 m、4 m、7 m間隔布置6個監(jiān)測點.

在距離盾構(gòu)隧道中心軸線兩邊35 m范圍內(nèi)的管線，監(jiān)測點的布設按照每15～20 m的間距布設.監(jiān)測點埋設主要有2種方法：一是直接點法，如在窨井、蓋頭、表計閥門上布點，或者開挖暴露出管線，用抱箍布設直接點；二是模擬點法，在管線上方開挖樣洞，埋入鋼筋，澆搗混凝土至地面.

2 盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降分析

引起地表沉降的因素是極其復雜的，與其中任何一種因素的關系都是非線性的，可以總結(jié)為盾構(gòu)施工引起的地層損失和隧道周邊土體的再固結(jié)，具體的沉降又與各個具體工程的所處的地質(zhì)條件、隧道形狀與埋深、開挖進度、施工和管理水平有關.

地層損失是施工中實際開挖的土體體積與竣工隧道的體積之差.竣工隧道體積包括襯砌外圍包裹的注入漿體體積[2].地層損失率以占理論排土體積的百分比表示：

Vl(%)=VL/V×100

(1)

式中：VL—盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失量/(m3/m)，取決于地質(zhì)條件、隧道埋深、施工水平等多種因素，目前還沒有實用的解析式；

2.1 橫向地表沉降分析

經(jīng)驗公式法主要是根據(jù)隧道開挖的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用一定的曲線形式對數(shù)據(jù)進行擬合，并確定曲線的具體特征參數(shù)，來完成經(jīng)驗公式.根據(jù)大量隧道施工引起的地表沉降實測資料，1969年，Peck通過數(shù)理統(tǒng)計的方法，經(jīng)行系統(tǒng)地總結(jié)出了隧道開挖地表下沉的實用方法，即Peck公式.此后，Peck本人及其它不少學者和工程技術人員作了大量工作，對該公式進行了修正[3-7].

該經(jīng)驗公式認為，隧道開挖引起的地表沉降，在不排水條件下發(fā)生的沉降槽的體積等于地層損失的體積，且地層損失在隧道長度上均勻分布，則地面沉降的橫向分布可以用正態(tài)分布曲線描述[8].

(2)

(3)

W=5i

(4)

圖1及式(2)、式(3)、式(4)中：

S(x)—距離隧道中線處x的地表沉降/m；

Smax—隧道中心處最大的地表沉降/m；

Vs—盾構(gòu)隧道單位長度地層損失量/(m3/m)；

x—距離隧道中心線的距離/m；

i—沉降槽寬度系數(shù)(圖1中隧道中心至沉降曲線反彎點的距離)/m；

W—沉降槽的大體寬度/m；

Z—地面到隧道中線的深度/m；

R—隧道的半徑/m；

β—沉降槽體外緣至隧道外側(cè)起拱點連線與垂線的夾角/°.

圖1 地層沉降橫向分布

利用式(2)、式(3)兩個沉降槽寬度系數(shù)經(jīng)驗公式[9]，計算出的地層損失率在-2.0%～4%之間(見表1)，根據(jù)經(jīng)驗判斷施工處于正常的施工條件下.

表1 實測地表最大沉降及相應經(jīng)驗參數(shù)

由圖2和圖3可以得出，本工程中，施工的影響范圍為軸線兩側(cè)的40 m內(nèi)，20 m內(nèi)的區(qū)域受到的影響較為明顯，可以得出在監(jiān)測方案中，對隧道軸線兩旁35 m的建筑物、管線等進行重點監(jiān)測是合理的、安全的、經(jīng)濟的.

在對經(jīng)驗公式參數(shù)進行取值時，在施工前估計階段，出于安全進行保守考慮，取：

i=0.5Z

(5)

在實際控制階段，為使預測的影響更為精確，在本工程中，可以考慮?。?/p>

(6)

圖2 Z121斷面peck曲線擬合值

圖3 Z106斷面peck曲線擬合值

2.2 縱向地表沉降分析

國內(nèi)外專家學者在盾構(gòu)隧道縱斷面沉降預測方面的研究也取得較大成果.地表縱向沉降變化取決于盾構(gòu)隧道的施工過程.法國學者認為總沉降歸于3個階段，將盾構(gòu)推進引起地表沉降劃分為以下3個階段：隧道工作面前面、盾構(gòu)上方、盾尾通過后空隙閉合階段.國際隧道協(xié)會在將地表沉降劃分為4個階段(見圖4)，包括隧道工作面及其前面、盾構(gòu)機上方、盾尾空隙和后期襯砌管片變形引起的沉降.

圖4 地表沉降縱向分布(國際隧協(xié)2007)

日本學者則認為地表沉降應由5個階段組成：盾構(gòu)到達前的前期沉降，這期間地表基本未受到影響；盾構(gòu)面到達時的實測沉降，為總沉降量的30%左右；盾尾到達時地表沉降，為總沉降量的20%左右；盾尾間隙引起的沉降，占總沉降量的10%左右；后期沉降，占總沉降量的40%左右.

本文的研究主要集中于上海地區(qū)的工程實例，上面的這些階段的劃分經(jīng)驗可以作為有益的參考，還不能直接應用.以下總結(jié)相關學者對于上海地區(qū)工程的縱向沉降階段劃分經(jīng)驗.上海地區(qū)的大量實際工程表明，地表沉降的發(fā)展階段，與其他地區(qū)不同，在盾構(gòu)機工作面到達前方，會產(chǎn)生一個明顯的隆起階段(見圖5).

圖5 上海地區(qū)地表沉降縱向分布

3 可視化分析

本文選用SkyLine系列軟件作為空間分析的可視化平臺.Skyline系列軟件是集成GIS、RS、GPS和虛擬現(xiàn)實技術于一體的優(yōu)秀三維地理信息系統(tǒng)軟件，包括TerraExplorerPro、TerraGate、TerraBuilder三個主要組件.TerraBuilder能夠利用數(shù)字正射影像、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、矢量數(shù)據(jù)、及其他非空間屬性數(shù)據(jù)等信息源，創(chuàng)建三維可視化地層數(shù)據(jù)庫環(huán)境.桌面GIS系統(tǒng)主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox這3部分組成.利用這3個應用模塊，可以完成各種各樣的GIS任務，從簡單地圖顯示、制作，到復雜的數(shù)據(jù)分析、管理.桌面GIS是集成的、可伸縮性的系統(tǒng)，可以滿足不同用戶的需要.

ArcToolbox組件中的分析擴展模塊提供了豐富、強大的空間建模和分析功能.這個擴展可以創(chuàng)建基于柵格的數(shù)據(jù)，并對其查詢、分析、繪圖.另外，它也可以提供矢量—柵格的一體化分析，用它生成數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)間的關系，選擇最佳地點，計算兩點間距離代價等等.本文中的大量數(shù)據(jù)處理和分析都是采用此分析模塊完成.

3.1 施工階段分析可視化

在施工階段，根據(jù)實測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全評估，如某日盾構(gòu)隧道施工至里程1 840 m處，此時地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)實測值如下表所列，監(jiān)測數(shù)據(jù)是不足的.在盾構(gòu)隧道縱向軸線方向，選擇Z87、Z90、Z95、Z96、Z97、Z98軸線地表沉降測點(見表2)，首先根據(jù)Peck公式進行橫斷面沉降預測，橫斷面的沉降值通過軸線中心點沉降值占最終沉降的百分比估計計算.取i=0.5Z，地層損失率根據(jù)Z87點估計計算為1.6%.根據(jù)上文2.2的縱向沉降趨勢的研究成果進行縱向預測，分5個階段進行預測，預測趨勢(見圖6)，在skyline軟件中利用疊加分析結(jié)果(見圖7).

表2 實測地表縱橫斷面沉降值

圖6 地表沉降縱向預測

圖7 疊加分析結(jié)果

3.2 施工前分析可視化

在施工前進行沉降預測，根據(jù)上文2.1的經(jīng)驗結(jié)果，取i=0.5Z和W=5i，可以計算出里程1 802.8 m和1 850.8 m處的i分別約為7 m和5.5 m；其影響范圍為軸線35 m內(nèi)和27.5 m內(nèi)，在進行預測時本文考慮40 m的影響范圍；地層損失率取Vl=2%.首先根據(jù)預測公式構(gòu)建地表沉降預測柵格數(shù)據(jù)層，然后與skyline數(shù)字化系統(tǒng)中的地形層進行疊加分析.為了使分析結(jié)構(gòu)清晰可見，本文對監(jiān)測數(shù)據(jù)值和地表沉降預測值都做擴大100倍處理，單位為m.

4 結(jié) 論

本文通過可視化方法對盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降，在施工前后監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化預測，取得一些初步研究成果；但如何根據(jù)分析結(jié)果對周邊環(huán)境進行安全評估，如何利用這些已有的分析結(jié)果，再通過其他分析方法如坡度分析，對周邊建筑的傾斜經(jīng)行判定；以及結(jié)合力學知識，實現(xiàn)建筑物的安全健康評估；結(jié)合盾構(gòu)隧道施工微擾動分級分階段控制技術和安全預警技術進行分析，仍需要大量的研究工作.

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VisualAnalysisandPredictionofGroundSettlementinShieldTunnelConstruction

YUAN Zhao

(Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co.,Ltd,Shanghai 200438,China)

Although the shield-driven tunneling method has been quite mature with minimum soil disturbance,a lot of practice shows that the ground settlement caused by it has a greater impact on the surrounding environment. Engineering construction already realizes visualization because of the development and application of computer and GIS. In this paper,combining with the settlement empirical prediction formula of shield-driven tunneling method,the monitoring data is achieved by visualization and prediction based on practical engineering data.

shield tunnel; monitoring; ground settlement; prediction

2016-05-27

袁 釗(1983-)，男，河南許昌人，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與安全分析評估工作.

U456.3

A

1008-536X(2016)10-0059-05