地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果探討

王 杰，劉雅琴

(武漢港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，湖北 武漢 430014)

1 引言

盾構(gòu)法是我國(guó)地鐵隧道建設(shè)領(lǐng)域的主流方法，實(shí)際應(yīng)用效果受地質(zhì)條件、隧道埋深、截面特性等因素的影響，若缺乏科學(xué)可行的監(jiān)控措施易導(dǎo)致隧道周邊土層發(fā)生松動(dòng)，隨之引發(fā)地表沉陷等質(zhì)量問(wèn)題，造成嚴(yán)重的安全事故[1，2]。對(duì)此，在盾構(gòu)施工期間需加強(qiáng)對(duì)地表沉降的監(jiān)測(cè)，通過(guò)可行的方法掌握實(shí)際情況，以便采取動(dòng)態(tài)化調(diào)整措施。

佛山地鐵2號(hào)線一期工程TJ01標(biāo)主要建設(shè)內(nèi)容包含6座車(chē)站及6個(gè)區(qū)間，總長(zhǎng)度10965.5延米。根據(jù)各區(qū)間實(shí)際狀況適配相適應(yīng)的施工方法，其中南莊-湖涌區(qū)間為泥水平衡盾構(gòu)，湖涌-綠島湖區(qū)間為土壓平衡盾構(gòu)，剩余4個(gè)區(qū)間均為復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)。

2 地表沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)

以《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB5 0911-2013)為基本依據(jù)，結(jié)合區(qū)間實(shí)際狀況將工程監(jiān)測(cè)等級(jí)設(shè)為二級(jí)。于盾構(gòu)區(qū)間布設(shè)適量監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)，具體方案有如下。

(1)縱向上，各測(cè)點(diǎn)依次布設(shè)于隧道軸線上方，以始發(fā)段(50環(huán))和接收段(50環(huán))兩處較為特殊，按間距6 m(5環(huán))的標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)，其它各段均按照12 m(10環(huán))的間距標(biāo)準(zhǔn)依次布設(shè)到位。

(2)橫向上，各監(jiān)測(cè)斷面均沿地表依次布設(shè)，要求其與隧道軸線保持垂直的位置關(guān)系。對(duì)于始發(fā)段和接收段兩處的斷面均按照36 m(30環(huán))的間距依次布設(shè)，始發(fā)100 m外的斷面布設(shè)間距標(biāo)準(zhǔn)為60 m(50環(huán))，各斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)量均保持為10個(gè)。若為次要影響區(qū)，各斷面測(cè)點(diǎn)間距控制在7～10 m；若為主要影響區(qū)，測(cè)點(diǎn)間距需加密至5 m。

(3)從隧道布線形式來(lái)看，將穿越江頭橋蓋板涵附近及地址分界線周邊區(qū)域，其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較特殊，易受到盾構(gòu)的擾動(dòng)性影響，需布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)斷面用于反映該處的實(shí)際情況。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 縱向地表沉降

隧道軸線正上方布設(shè)適量測(cè)點(diǎn)并匯總各測(cè)點(diǎn)的縱向沉降數(shù)據(jù)，基于所得數(shù)據(jù)繪制縱向地表沉降曲線，可知隧道穿越各斷面所產(chǎn)生的地表沉降值存在差異，其中以DBC-07-13斷面～DBC-07-15斷面最為明顯，該階段地表沉降達(dá)到46.6 m。

根據(jù)斷面7、8中隧道軸線上方測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制相應(yīng)曲線，可知斷面7測(cè)點(diǎn)的沉降較明顯，最大為38.2 mm，相較之下斷面8明顯減小，為15 mm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料展開(kāi)分析，可知DBC-07-13斷面～DBC-07-15斷面隧道上覆大量淤泥質(zhì)土層，厚度分布方面斷面7明顯超過(guò)斷面8，由此也說(shuō)明盾構(gòu)期間地表沉降與隧道上覆土層的厚度有密切關(guān)聯(lián)，且此問(wèn)題在性質(zhì)較差的淤泥質(zhì)土層中更明顯，隨土層厚度的增加地層剛度隨之下降，產(chǎn)生的沉降量隨之加大。

根據(jù)斷面6的監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成圖，用于反映該處地表的沉降情況，可知沉降量最大值對(duì)應(yīng)于軸線正上方的測(cè)點(diǎn)，排于次位的是臨近軸線的一排測(cè)點(diǎn)。總體來(lái)看具有如下變化特點(diǎn)：掌子面與監(jiān)測(cè)斷面間距保持在30m左右時(shí)發(fā)生地表隆起現(xiàn)象；隨兩者間距的逐步減小，地表變形轉(zhuǎn)變?yōu)槌两敌问?；若間距縮小至5～10 m可見(jiàn)其沉降變形量愈發(fā)明顯；隨施工的逐步推進(jìn)，盾構(gòu)通過(guò)和盾尾脫出時(shí)的沉降量偏大，此時(shí)兩階段產(chǎn)生的沉降量約占總量的75%～80%。掌子面離開(kāi)斷面約60 m時(shí)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性較好，幾乎不再受到盾構(gòu)推進(jìn)的影響。

圍繞DBC-07-04測(cè)點(diǎn)14d的監(jiān)測(cè)信息展開(kāi)分析：在整個(gè)監(jiān)測(cè)階段中，以13 d、14 d的沉降變形量最為明顯，均達(dá)到15 mm以上。究其原因，與盾構(gòu)推進(jìn)期間未及時(shí)組織同步注漿作業(yè)有關(guān)。鑒于此，施工方隨即暫停盾構(gòu)推進(jìn)作業(yè)，針對(duì)盾尾及管片后部?jī)蓚€(gè)區(qū)域采取針對(duì)性的注漿加強(qiáng)措施，最終沉降量明顯減小?？梢?jiàn)，同步注漿和二次注漿為重點(diǎn)手段，其在控制地表沉降方面具有較好的應(yīng)用效果[3]。

3.2 橫向地表沉降

根據(jù)斷面5的監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制橫向沉降槽曲線，可知在盾構(gòu)逐步推進(jìn)之下，地表沉降變形愈發(fā)明顯，將隨之產(chǎn)生沉降槽；各處沉降量具有差異性，以隧道軸線正上方的測(cè)點(diǎn)最為明顯，向兩邊逐步減弱。

左線開(kāi)挖雖然會(huì)對(duì)右線上方測(cè)點(diǎn)造成影響，但幅度較微弱；同時(shí)，右線開(kāi)挖過(guò)程中的擾動(dòng)性影響也較小，此時(shí)左線上方測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯沉降現(xiàn)象。此現(xiàn)象的出現(xiàn)與兩隧道間距較遠(yuǎn)有密切關(guān)聯(lián)。

盾構(gòu)推進(jìn)至斷面9時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)隧道軸線正上方測(cè)點(diǎn)受到影響，伴有較大幅度的隆起變形現(xiàn)象。從成因來(lái)看，與該處地層條件發(fā)生顯著變化有直接的關(guān)聯(lián)，此時(shí)推進(jìn)力超過(guò)平衡土壓力所需，因此可見(jiàn)隆起變形。對(duì)此，施工方根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，隆起變形問(wèn)題得到有效的緩解。

4 有限元計(jì)算及分析

4.1 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

通過(guò)MIDAS/GTS軟件建模分析，重點(diǎn)考慮的是開(kāi)挖和注漿兩環(huán)節(jié)施工對(duì)地表沉降帶來(lái)的影響[4，5]。C50管片彈性模量E取35.5GPa，襯砌單元的彈性模型用實(shí)際彈性量的85%。模型軸線方向24 m，橫向60 m。每開(kāi)挖管片環(huán)寬(1.2 m)視為一個(gè)施工步，注漿前期用注漿壓力等效，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，待漿液發(fā)生凝固后利用水泥土等代層代替。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)根據(jù)左隧道正上方地表點(diǎn)A的監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制曲線，具體內(nèi)容如圖1所示。根據(jù)圖中內(nèi)容可知，地表隆起變形現(xiàn)象較為明顯，若掌子面與斷面位置減小，此時(shí)該狀態(tài)發(fā)生變化，以沉降為主要形式且集中在盾構(gòu)通過(guò)和盾尾脫出階段。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中易對(duì)前方土體造成影響，所產(chǎn)生的影響距離約20 m，與此同時(shí)土層初期以沉降變形狀態(tài)為主。根據(jù)此規(guī)律可以推測(cè)土體的變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為沉降→隆起→沉降。

圖1 地表點(diǎn)A縱向沉降曲線

(2)地表點(diǎn)橫向變形。重點(diǎn)考慮的是左隧道開(kāi)挖施工階段，分析此過(guò)程中斷面橫向各點(diǎn)沉降的變形狀況，得知其表現(xiàn)出凹槽型且在軸線處存在最明顯的沉降，主要影響范圍集中在洞軸線兩側(cè)15 m以內(nèi)。雖然左線施工伴有擾動(dòng)性影響，但右線上方的土體可維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3)注漿對(duì)沉降的影響。根據(jù)既有信息繪制地表點(diǎn)的沉降變化曲線，具體如圖2所示。根據(jù)圖中內(nèi)容可知，相比于實(shí)際狀況而言，虛線的最終沉降相對(duì)偏大，主要與管片安裝滯后于掌子面7.2 m有關(guān)，隨著掌子面與地表點(diǎn)斷面間距的逐步加大，當(dāng)該值達(dá)到8 m左右時(shí)可見(jiàn)盾尾完全脫出，缺少注漿壓力的支撐，從而發(fā)生更為明顯的沉降現(xiàn)象。

圖2 注漿壓力對(duì)沉降影響曲線

5 結(jié)語(yǔ)

(1)盾構(gòu)隧道推進(jìn)施工對(duì)周邊環(huán)境具有不同程度的影響，縱向影響范圍集中在距斷面30 m至離開(kāi)斷面60 m，地表點(diǎn)具有沉降→隆起→沉降的變化特點(diǎn)；斷面橫向呈凹槽型，影響范圍集中在軸線兩側(cè)15 m內(nèi)。

(2)盾尾脫出過(guò)程中，需通過(guò)注漿的方式維持地層的穩(wěn)定性。

(3)所得的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有高度的相似性，因此有限元數(shù)值模擬的方式較為可行，可用于研究地層及結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的問(wèn)題。此外，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖難度較大，其涉及到的因素較多，掌子面的受力狀態(tài)為重點(diǎn)影響因素，需通過(guò)三維模型的方式展開(kāi)分析，以便直觀地反應(yīng)地表沉降變形情況。