土壓平衡盾構(gòu)隧道地表沉降特性分析

摘要：以某土壓平衡盾構(gòu)隧道施工為研究對(duì)象，對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了施工過(guò)程中地表沉降規(guī)律。研究表明，施工過(guò)程中，盾構(gòu)隧道施工對(duì)前方3D～5D范圍內(nèi)土體有擾動(dòng)影響;盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)處于觀測(cè)點(diǎn)正下方，開(kāi)始發(fā)生地表沉降;盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)3～5天內(nèi)，地表沉降迅速增大，隨后逐漸趨于平緩。盾構(gòu)施工主要引起占比為65%的地層損失沉降和占比為32%的固結(jié)沉降。本工程中，盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)后的地表沉降可用改進(jìn)的雙曲線公式預(yù)測(cè)。地層損失率和沉降槽寬度隨著盾構(gòu)機(jī)的施工持續(xù)變大，固結(jié)沉降的寬度也隨著土體的固結(jié)而持續(xù)變大。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu);現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);地表沉降;Peck公式

0" "引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，其中地鐵隧道被各大城市廣泛應(yīng)用。土壓平衡盾構(gòu)隧道施工因其特有的優(yōu)勢(shì)，得到了空前發(fā)展。同時(shí)針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)隧道施工問(wèn)題的研究越來(lái)越豐富。周佳媚等[1]以某盾構(gòu)施工穿越泥炭質(zhì)地層工程為研究對(duì)象，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降，進(jìn)一步研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊建筑物的影響。蒙國(guó)往等[2]通過(guò)對(duì)某軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了隧道施工過(guò)程中軟土地層沉降規(guī)律?；诖耍u(píng)估了隧道施工過(guò)程的安全性。魏新江等[3]基于某采用盾構(gòu)施工隧道工程，通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)施工引起的土體初始超孔隙水壓力分布規(guī)律。韓煊等[4]以某盾構(gòu)隧道工程為研究對(duì)象，同時(shí)基于雙曲線模型和Peck沉降理論，對(duì)隧道盾構(gòu)施工不均勻收斂引起地層位移進(jìn)行預(yù)測(cè)。張宇亭等[5]通過(guò)數(shù)值模擬手段，對(duì)軟黏土地層隧道盾構(gòu)施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得了因盾構(gòu)施工擾動(dòng)引起的地層位移及工后沉降。本文以某土壓平衡盾構(gòu)隧道施工為研究對(duì)象，對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了施工過(guò)程中地表沉降規(guī)律。

1" "工程工況

萬(wàn)頃沙站至新增盾構(gòu)井區(qū)間位于興隆路至同安東圍路之間，線路呈南北走向布置，區(qū)間左線起終點(diǎn)里程為ZDK1+429.817～ZDK3+225.627，左線長(zhǎng)1796.183m（長(zhǎng)鏈0.373m），右線起終點(diǎn)里程為YDK1+429.817～YDK3+226.000，右線長(zhǎng)1796.183m，區(qū)間從南向北依次下穿六涌、珠江街建筑物群、五涌、興隆路。采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在萬(wàn)頃沙站大里程端始發(fā)，在新增盾構(gòu)井小里程端吊出。萬(wàn)頃沙站至新增盾構(gòu)井區(qū)間穿越的不良地質(zhì)，主要為淤泥及淤泥質(zhì)土的軟弱地層，其結(jié)構(gòu)骨架在動(dòng)力作用下極易被破壞，使土體強(qiáng)度驟然降低，易造成開(kāi)挖面失穩(wěn)，造成地面及建筑物沉降。

2" "監(jiān)測(cè)方案

本工程的盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降監(jiān)測(cè)，包括縱向沉降和橫向沉降兩個(gè)方面，地表沉降限值為30mm，地表隆起限值為10mm。觀測(cè)點(diǎn)的布置原則：縱向觀測(cè)點(diǎn)沿隧道中心線每隔6m（5個(gè)環(huán)）布置。

橫向觀測(cè)點(diǎn)布置于盾構(gòu)始發(fā)起100m區(qū)域內(nèi)，每隔12m（10個(gè)環(huán)）設(shè)一監(jiān)測(cè)橫斷面，其余區(qū)域每隔72m（60個(gè)環(huán)）設(shè)一監(jiān)測(cè)橫斷面。以隧道中心線為軸，每隔一段距離布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

3" "監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

YDC111-YDC131為右線隧道中心線地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，選擇其中5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果，繪制觀測(cè)點(diǎn)地表沉降和沉降速率隨施工時(shí)間曲線（YDC111、YDC116、YDC121、YDC126、YDC131），曲線圖見(jiàn)圖1至圖5。圖1至圖5中的環(huán)號(hào)表示盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的位置。刀盤(pán)通過(guò)表示盾構(gòu)刀盤(pán)剛通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)，盾尾通過(guò)表示盾構(gòu)機(jī)尾部剛通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)。

從圖1至圖7中可看出，觀測(cè)點(diǎn)地表沉降隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的變化包括4個(gè)主要階段：

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到觀測(cè)點(diǎn)前方3D～5D范圍內(nèi)，觀測(cè)點(diǎn)地表開(kāi)始出現(xiàn)沉降，沉降（隆起）處于1～2mm，該階段地表沉降記為S1。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)處于觀測(cè)點(diǎn)正下方時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)地表沉降較小，約為1.5mm，該階段地表沉降記為S2。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)盾尾處于觀測(cè)點(diǎn)正下方時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)地表沉降迅速增大，該階段產(chǎn)生的地表沉降較大，且記為S3。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)一段距離，觀測(cè)點(diǎn)地表沉降增長(zhǎng)速率變緩，并逐漸趨于穩(wěn)定，該階段地表沉降記為S4。

分析上述4個(gè)階段的地表沉降可知：第一二階段發(fā)生地表沉降的原因，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)破壞土體應(yīng)力平衡狀態(tài);第三階段地表沉降的原因，為盾構(gòu)機(jī)盾尾離開(kāi)觀測(cè)點(diǎn)導(dǎo)致的建筑間隙。定義前三階段地表沉降為地層損失沉降期。第三階段地表沉降為固結(jié)沉降期，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，土體與盾殼間的沉降、注漿等均會(huì)引起周邊土層擾動(dòng)，進(jìn)而引起超孔隙水壓力。隧道施工完畢后，孔隙水壓力消散，土體排水固結(jié)，進(jìn)而發(fā)生固結(jié)沉降。

因軟土具有較大粘聚力，有一定程度的“時(shí)空效應(yīng)”，施工一段時(shí)間后方可充滿建筑空隙，因此直到盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)一段時(shí)間后，地層損失沉降才結(jié)束。沉降速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在第四階段，盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)3～5d。因此，本工程可取該時(shí)間點(diǎn)作為兩種沉降的界限。

YDC111～YDC131的第三階段地表沉降范圍約為9.3～14.6mm，約占施工總沉降量的47%～83%，地表沉降平均占比值為66%。該階段時(shí)長(zhǎng)3～5d，沉降速率平均值為2.65～3.2mm/d?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期內(nèi)，第四階段固結(jié)沉降范圍約為3.0～10.7mm，約占施工總沉降量的14%～55%，地表沉降平均占比值為33%，沉降速率平均值為0.44～1.08mm/d。因固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)還未完成，所以其占比會(huì)更大，實(shí)際沉降速率也會(huì)更小。

對(duì)于盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地表沉降的預(yù)測(cè)，林存剛等基于傳統(tǒng)雙曲線模型，提出改進(jìn)的雙曲線模型，如下式：

S（t）=t/（a+bt）+c （1）

從公式（1）中可以看出，沉降由兩部分組成，t/（a+bt）部分為盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn) t時(shí)間的沉降值，c部分為盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)之前引起的沉降。其中，S（t）為某時(shí)刻的沉降值，t為盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間（d），a、b、c為常數(shù)，參數(shù)a單位為mm/d，參數(shù)b單位為mm^-1，參數(shù)c單位為mm。。

圖6為觀測(cè)點(diǎn)YDC121擬合曲線和觀測(cè)曲線對(duì)比，圖7為觀測(cè)點(diǎn)ZDC961擬合曲線和觀測(cè)曲線對(duì)比。表1為隧道施工引起的地表沉降擬合結(jié)果。

從上述結(jié)果可以看出，所得相關(guān)性系數(shù)都不小于0.95，擬合結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果吻合較好，其中參數(shù)a為-0.15～-0.67mm/d，b為-0.029～-0.043mm^-1，c為-0.90～7.68mm。

4" "結(jié)論

本文以某土壓平衡盾構(gòu)隧道施工為研究對(duì)象，對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了施工過(guò)程中地表沉降規(guī)律。主要獲得以下結(jié)論：

施工過(guò)程中，盾構(gòu)隧道施工對(duì)前方3D～5D范圍內(nèi)土體有擾動(dòng)影響，地表沉降（隆起）約1～2mm;盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)處于觀測(cè)點(diǎn)正下方，開(kāi)始發(fā)生地表沉降;盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)3～5天內(nèi)，地表沉降迅速增大，隨后逐漸趨于平緩。盾構(gòu)施工主要引起占比為65%的地層損失沉降和占比為32%的固結(jié)沉降。

本工程可盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)3～5天作為地層損失沉降和固結(jié)沉降的分界線。在此之前地表沉降主要為地層損失沉降，在此之后主要土體固結(jié)排水導(dǎo)致。本工程中，盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)后的地表沉降可用改進(jìn)的雙曲線公式預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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