廈門地鐵上軟下硬地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降研究

劉重慶，曾亞武，朱澤奇，李彪

(1．武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；2．中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

隨著我國城市化進程的加快，我國大城市交通問題日益突出。為此，大運量快速軌道交通系統(tǒng)(大部分為地下鐵道)的建設(shè)成為近年來我國大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的熱點。在城市地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)法因其具有安全、快速、經(jīng)濟、對地面影響小等特點而成為地鐵隧道施工的首選。但是，由于盾構(gòu)機在推進過程中易造成地層擾動，導致地表隆起和沉降、建筑物開裂或地下管線損壞[1]，這一問題已引起學術(shù)界及工程界的重點關(guān)注。針對城市地鐵隧道施工引起周圍地層變形的研究始于20世紀60年代，以1969年 Peck[2]提出盾構(gòu)施工引起地表沉降的估算公式為開端，隨后圍繞這一問題國內(nèi)外學者開展了大量的理論研究、工程監(jiān)測和數(shù)值模擬研究，劉建航[3]根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提出以地層損失方法估算盾構(gòu)隧道前隆后沉縱向變形曲線的公式。截至目前，針對這一問題研究所取得的成果絕大多數(shù)只在假設(shè)的理想地層和工況下才能完全成立，而在實際工程中影響地表沉降的因素極為復雜，沉降槽和沉降曲線都會發(fā)生相應(yīng)的變化。我國建設(shè)地鐵的城市多集中在東南沿海及中部地區(qū)，而這些地區(qū)大多分布有典型的上軟下硬地層。在上軟下硬地層中采用盾構(gòu)法進行地鐵隧道施工時，盾構(gòu)機向前掘進非常困難，且很容易發(fā)生軟土地層土體大面積塌陷、盾構(gòu)機推進角度偏離預定值等情況，甚至導致地表大幅度沉降，給地鐵隧道以及周邊建筑設(shè)施帶來極大的安全隱患。因此，研究上軟下硬復合地層盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境的影響具有重要的現(xiàn)實意義。江帆[4]在綜合考慮盾構(gòu)的施工工況、土體分層、掌子面壓力、管片與土體的接觸等因素的前提下，針對合肥地鐵一號線建立三維數(shù)值分析模型，對上軟下硬土層引起的地表沉降規(guī)律進行了分析；劉朕偉[5]結(jié)合廣州等地較普遍存在的巖土復合地層條件，對盾構(gòu)施工引發(fā)地表沉降的機理、地表沉降的變化規(guī)律及其影響范圍等進行深入研究；周純擇[6]針對南昌地鐵1號線泥質(zhì)粉砂巖為主的地層特點和上軟下硬地層的條件，建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對盾構(gòu)施工引起的地表沉降進行預測。這些研究有利于揭示上軟下硬地層對地表沉降影響的作用機制，對指導地鐵隧道施工發(fā)揮了重要作用。但由于地質(zhì)條件及施工參數(shù)的差異性，使得研究成果具有一定的局限性[7]。本文針對廈門地鐵1號線蓮～蓮(蓮坂站～蓮花路口站)盾構(gòu)區(qū)間隧道工程，通過對施工過程中地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并與有限差分模擬結(jié)果進行對比，研究在上軟下硬地層中盾構(gòu)法隧道施工引起地表沉降的規(guī)律，用于指導后續(xù)工程的設(shè)計與施工控制。

圖1 監(jiān)測點布設(shè)平面圖(部分)Fig. 1 Layout plan of monitoring points (part)

1 工程概況與測點布置

1.1 工程概況

蓮~蓮(蓮坂站~蓮花路口站)區(qū)間為廈門市軌道交通工程1號線一期工程部分，區(qū)間從蓮坂站出發(fā)，沿嘉禾路前行至蓮花路口站，區(qū)間以R=300 m曲線出蓮坂站后，以R=350 m曲線進入蓮花路口站，區(qū)間縱剖面采用“V”字坡，最大坡度為 8.44‰，區(qū)間隧道埋深10.06~11.6 m。區(qū)間左、右線均采用盾構(gòu)法施工。本區(qū)段地面高程2.71~10.60 m，設(shè)計軌頂高程-5.10~-11.52 m，隧道頂板埋深多在10 m左右。隧道穿越地層主要為殘積土、全風化、散體狀強風化花崗巖及碎裂狀強風化花崗巖。左線ZDK6+400~K6+460 m、右線YDK6+708 m附近隧道洞身及隧道底部穿越中等風化花崗巖，這一區(qū)段為典型的上軟下硬地層。洞頂以上圍巖以第四系松散土層和全、強風化巖為主。本區(qū)間隧道圍巖級別為Ⅴ~Ⅵ級。

1.2 測點布置

根據(jù)蓮~蓮區(qū)間的周邊環(huán)境等級和監(jiān)測實施可操作性綜合考慮，盾構(gòu)法區(qū)間的地表沉降監(jiān)測分為縱向監(jiān)測和橫向監(jiān)測。縱向監(jiān)測沿縱向在每個隧道的軸線上方地表布設(shè)沉降測點，測點間距為10m，左右線各 82個測點；橫向監(jiān)測沿地表布設(shè)垂直于隧道軸線的橫向監(jiān)測斷面，蓮～蓮區(qū)間共布設(shè) 17個地表橫向監(jiān)測斷面，每個橫向監(jiān)測斷面的監(jiān)測點數(shù)量為10~15個，監(jiān)測點間距為5 m。部分測點布設(shè)平面圖如圖1所示。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

廈門市軌道交通工程 1號線一期工程蓮~蓮區(qū)間沿線隧道埋深、上覆地層特性基本相同，所不同的是盾構(gòu)掘進斷面上硬層與軟層的比例。為了研究需要，特別定義“硬層比”α為：在上軟下硬地層中采用盾構(gòu)法進行隧道掘進時，掌子面范圍內(nèi)硬層厚度(H)與盾構(gòu)隧道直徑(外徑D)的比值，即

由于蓮~蓮區(qū)間盾構(gòu)隧道位于軟、硬地層過渡區(qū)，隧道埋深變化不大，上覆地層特性也基本相同，但隧道穿越的地層并非始終一致，其掌子面硬層比隨基巖面的起伏而發(fā)生變化。為研究硬層比與相應(yīng)地面沉降變形的關(guān)系，在盾構(gòu)隧道區(qū)間選取DBC50，DBC42，DBC62，DBC32和 DBC26監(jiān)測斷面，根據(jù)地質(zhì)剖面圖和現(xiàn)場調(diào)研，計算得出其硬層比分別為0%，15%，50%，85%和95%。通過對這些監(jiān)測斷面的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，在盾構(gòu)掘進控制措施相同的條件下得到不同硬層比隧道區(qū)段地表橫向和縱向沉降變形規(guī)律如下。

1) 地表橫向沉降變形規(guī)律

地表橫向沉降曲線如圖2所示，實測結(jié)果表明，在盾構(gòu)隧道掘進過程中，垂直于隧道軸線的橫向監(jiān)測斷面實際監(jiān)測得到的地表沉降均表現(xiàn)為：最大沉降位于隧道軸線正上方的位置，在隧道軸線兩側(cè)隨著與軸線距離增加，地表沉降逐漸減小，且越靠近隧道軸線，地表沉降值變化越快。整體來說橫向地表沉降曲線基本與 Peck法得出的沉降曲線相符，沉降槽特征明顯。

地表橫向沉降受硬層比的影響比較明顯，基本上表現(xiàn)為隨硬層比增大，地表沉降量整體減小，沉降槽變淺的趨勢。其中隧道軸線正上方以及軸線附近監(jiān)測點的沉降量受硬層比的影響更甚，而遠離隧道軸線的監(jiān)測點受硬層比的影響逐漸減小。

圖2 不同硬層比盾構(gòu)隧道區(qū)段地表橫向沉降曲線Fig. 2 Transverse settlement curve of shield tunnel section with different hard layer ratio

2) 地表縱向變形規(guī)律

如圖3所示為不同硬層比區(qū)段盾構(gòu)隧道掘進過程中，地表縱向變形監(jiān)測曲線。從圖3可以看出：在掘進掌子面前方約10~15 m處，地表開始出現(xiàn)明顯的隆起變形；在掌子面前方約5 m處，地表變形由隆起變?yōu)槌两担揖哂屑铀俚内厔?；在掌子面后方，地表變形均為沉降變形，其中在掌子面后?0~15 m范圍內(nèi)，地表沉降速率很大，沉降量達到了總沉降量的 85%左右。在掌子面后方大約 40 m處，地表變形基本不再受盾構(gòu)機掘進的影響。

地表縱向沉降受硬層比的影響也比較明顯，表現(xiàn)為隨硬層比增大，地表沉降量整體減小。此外，比較不同硬層比區(qū)段隧道的地表縱向沉降曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著硬層比的增大，地表開始出現(xiàn)明顯變形的位置從掌子面前方約15 m減小到10 m左右，掌子面后地表沉降速率也具有減小趨勢?？傮w來看，隨著硬層比的變大，盾構(gòu)施工對地表縱向沉降的影響程度和范圍均在縮小。

圖3 實測地表縱向沉降曲線Fig. 3 Measured surface longitudinal settlement curve

3 地表沉降的有限差分計算和分析

3.1 計算模型及計算參數(shù)

采用有限差分軟件 flac3D對廈門市軌道交通工程1號線一期工程蓮～蓮區(qū)間盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降變形進行模擬，隧道埋深與上覆地層巖土特性相同，主要分析上軟下硬地層中盾構(gòu)隧道硬層比對地表沉降變形的影響。計算模型范圍為橫向(寬)40 m，隧道軸線方向(長)48 m，垂直方向(高)29 m，其中隧道上覆地層(厚)10.76 m，如圖4所示。模擬的主要巖土地層和模型結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)見表1。

表1 地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of stratum and structure

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，C50混凝土管片的彈性模量E為34.5 GPa，考慮管片接頭的影響，在計算中，襯砌單元的彈性模量取規(guī)范建議值的80%，即27.6 GPa。盾構(gòu)管片外徑3.1 m，內(nèi)徑2.75 m，管片厚度0.35 m，管片的安裝滯后于開挖面6 m。為了模擬計算與實際施工工況盡可能貼近，模型的前9.6 m設(shè)置為盾構(gòu)機的始發(fā)階段，隧道每掘進一環(huán)管片寬度(1.2 m)為一個工況，共需掘進 32環(huán)。注漿層在計算過程中采用水泥土等效層[8]代替，等效層厚度 0.14 m，計算時不考慮等效層硬化的過程[9]。盾尾空隙為0.075 m，盾殼厚度為0.045 m，掌子刀盤開挖半徑為3.24 m，如圖5所示。

圖4 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模型Fig. 4 Numerical model of shield tunnel construction

3.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)不同硬層比分別建立5個計算模型，并模擬實際盾構(gòu)掘進施工過程，從而計算不同硬層比時隧道周圍地層的變形，包括地表變形。為了充分體現(xiàn)整個盾構(gòu)過程對地表沉降的影響，取12環(huán)(y=24 m)時的截面為分析橫斷面，盾構(gòu)隧道軸線所在的縱截面為分析縱斷面。下面列出部分計算過程的地層變形云圖。如圖6所示為硬層比為50%開挖至31環(huán)時分析斷面的地層橫向變形云圖，圖7所示為硬層比50%開挖至31環(huán)時分析斷面(沿隧道軸線)的地層縱向變形云圖。

圖5 盾殼、管片、及注漿層模型(局部放大)Fig. 5 Shield shell, segment, and the grouting layer model (enlarged)

圖6 開挖31環(huán)時分析斷面橫向沉降計算云圖(α=50%)Fig. 6 Calculation nephogram of transverse settlement of the analysis section during excavation of 31 rings (α=50%)

圖7 開挖31環(huán)時分析斷面縱向沉降計算云圖(α=50%)Fig. 7 Calculation nephogram of longitudinal settlement of the analysis section during excavation of 31 rings (α=50%)

如圖8所示，為隧道軸線正上方監(jiān)測點地表最終沉降值與硬層比的關(guān)系曲線，圖中同時給出了實測結(jié)果，用以對比。由圖8可見，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果的最終沉降值雖存在一定的差異，但總的變化趨勢是一致的。結(jié)合圖 8中的沉降值-硬層比關(guān)系曲線形態(tài)，可以認為：在上軟下硬地層中，硬層比在0%~15%之間和85%~100%之間變化時，對地表的最終沉降值影響相對較低，可近似等同為全斷面軟層或硬層；當硬層比在 15%~85%之間變化時，隧道軸線正上方監(jiān)測點的地表最終沉降值受其影響較大?；谝陨戏治觯疚慕ㄗh將硬層比15%~85%視為開展上軟下硬地層地表變形研究的閾值。

圖8 隧道軸線正上方測點地表最終沉降值與硬層比的關(guān)系Fig. 8 Relationship between the final settlement value and the hard layer ratio at the point above the tunnel axis

圖9 模擬地表縱向沉降曲線Fig. 9 Simulated surface longitudinal settlement curves

如圖9所示為不同硬層比的盾構(gòu)隧道掘進過程中地表縱向沉降變形模擬結(jié)果。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著隧道硬層比的增大，地表縱向沉降是逐步減小的。當硬層比在0%~15%之間變化時，盾構(gòu)隧道掘進可對掌子面前方15 m處的地表變形產(chǎn)生影響，至掌子面后約20 m左右沉降量才達到總沉降量的85%；而當硬層比在85%~100%之間變化時，盾構(gòu)隧道掘進只對掌子面前方約10 m處的地表變形產(chǎn)生影響，至掌子面后15 m左右沉降量就達到總沉降量的85%。也就是說，隨著隧道硬層比的增大，盾構(gòu)隧道掘進的影響范圍、地表沉降都是逐步減小的。上述數(shù)值模擬結(jié)果與圖3的實際監(jiān)測結(jié)果基本一致，但數(shù)值模擬中在掌子面前方未出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象，可能與數(shù)值模擬方法和掌子面支護力的選取有關(guān)。

4 結(jié)論

1) 上軟下硬地層地表橫向沉降受硬層比的影響比較明顯，基本上表現(xiàn)為隨硬層比增大，地表沉降量整體減小且沉降槽變淺的趨勢。其中隧道軸線正上方以及軸線附近監(jiān)測點的沉降量受硬層比的影響相對遠離隧道軸線的監(jiān)測點要大。

2) 上軟下硬地層地表縱向沉降受硬層比的影響主要表現(xiàn)在地表縱向沉降量及開始和結(jié)束的位置變化上，隨著硬層比的變大，盾構(gòu)施工引起的地表縱向沉降量及其影響范圍都在縮小。

3) 通過研究隧道軸線正上方監(jiān)測點地表最終沉降值與硬層比的關(guān)系，建議將硬層比 15%~85%視為開展上軟下硬地層地表變形研究的閾值。

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