地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地面沉降規(guī)律分析.doc

中鐵十一局集團(tuán)有限公司中級(jí)職稱論文 土壓平衡盾構(gòu)施工引起的地面沉降規(guī)律分析城軌公司 楊小飛 【摘要】 本文對(duì)廣州地鐵6號(hào)線盾構(gòu)2標(biāo)區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討了盾構(gòu)施工過程地表沉降規(guī)律及其影響范圍和程度，包括沉降槽分布形式、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律、沉降量概率分布的統(tǒng)計(jì)分析等，并用數(shù)學(xué)函數(shù)加以表達(dá)。研究結(jié)果對(duì)今后類似工程施工過程的隧道周邊建（構(gòu)）筑物的保護(hù)，施工參數(shù)的優(yōu)化以及工程的順利實(shí)施具有參考價(jià)值。【關(guān)鍵詞】盾構(gòu) 沉降 擬合第 4 頁1.引言地鐵交通在我國正處于發(fā)展階段，由于盾構(gòu)施工法的安全性和先進(jìn)性，盾構(gòu)技術(shù)在城市地鐵隧道施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于地鐵隧道多位于城市中心繁華地帶，地下管線和地面建筑物眾多，施工過程多少都會(huì)擾動(dòng)地層，要完全消除地表沉降是很困難的。盾構(gòu)施工過程的沉降會(huì)對(duì)地面建筑物的安全造成威脅甚至引起破壞，國內(nèi)外已對(duì)施工沉降進(jìn)行了大量研究，提出了許多沉降計(jì)算模型1,2，如Peck 模型（1969），Attewell 模型（1981），OReilly-New 模型（1982），藤田模型（1982）等。國內(nèi)專家也對(duì)國內(nèi)地鐵盾構(gòu)施工過程的沉降規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)3 - 5 ，得到了許多具有共性的認(rèn)識(shí)。但由于廣州地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)沉降規(guī)律的定量研究還比較少。本文對(duì)廣州地鐵6號(hào)線2標(biāo)區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程的地表沉降規(guī)律及其影響范圍進(jìn)行研究，以期對(duì)今后類似工程建（構(gòu)）筑物的保護(hù)，施工參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。2.工程概況廣州地鐵6號(hào)線2標(biāo)區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間隧道由兩條并行的單線隧道組成，其中已完成施工的【大坦沙站-如意坊站盾構(gòu)區(qū)間】左右線隧道間距8.126m，左右線隧道總長2859.2m，隧道埋深4.727.8m，線路最小水平曲線半徑500m，最大坡度30。盾構(gòu)機(jī)采用德國HERRENK AG 公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)（EPB），盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6280mm，采用盾尾同步注漿（砂漿）方式。隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片環(huán)外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片寬度1500mm?！敬?如盾構(gòu)區(qū)間】上覆第四系為人工填土層、淤泥層、淤泥質(zhì)土層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、粉質(zhì)粘土、粉土層、沖積洪積粉細(xì)砂層、沖積洪積中、粗、礫砂層、沖積洪積土層、可塑或稍密中密殘積土層、硬塑或密實(shí)狀殘積土層。下伏基巖白堊系、石炭系棕紅色、紅褐色巖石，風(fēng)化程度不均一，軟硬夾層較多。3.沉降觀測方法3.1 觀測儀器及要求采用精密水準(zhǔn)尺儀，銦鋼水準(zhǔn)尺、30m 檢定過的鋼卷尺進(jìn)行沉降觀測。線路沿線一般的多層建筑物和地表沉降，按國家三等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求作業(yè)，高程中誤差2.0mm，相鄰點(diǎn)高差中誤差1.0mm。3.2 沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)正常情況下，沿隧道中線上方地面每隔5m 布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，每隔20m 建立一個(gè)監(jiān)測橫斷面，該斷面垂直于隧道中線，每個(gè)斷面上布設(shè)5個(gè)觀測點(diǎn)，其中隧道中線上方一個(gè)點(diǎn)，左右間隔5m各一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于軟弱土層、或埋深較淺的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)隧道埋深和圍巖地質(zhì)條件，加密監(jiān)測斷面和測點(diǎn)。當(dāng)隧道上方為混凝土路面時(shí)，常布設(shè)兩種沉降觀測點(diǎn)，即分混凝土路面及路面以下土層兩種，路面部分沿線路中線每20m布設(shè)一個(gè)觀測斷面，觀測點(diǎn)直接布設(shè)在路面上，以量測路面沉降量；為了防止路面硬殼層不能及時(shí)、準(zhǔn)確反映地層實(shí)際沉降情況，造成路面下方虛空，需鉆穿混凝土路面并在路面以下地層中打入短鋼筋布設(shè)觀測點(diǎn)，以便對(duì)地層的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。3.3 項(xiàng)沉降觀測頻率盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭前10m和后20m范圍每天早晚各觀測一次，并隨施工進(jìn)度遞進(jìn)；范圍之外的監(jiān)測點(diǎn)每周觀測一次，直至穩(wěn)定。當(dāng)沉降或隆起超過規(guī)定限差（-30/+10 mm）或變化異常時(shí)，則加大監(jiān)測頻率和監(jiān)測范圍。4.沉降槽分布形式分析4.1 橫斷面沉降曲線圖1、2 是不同里程處隧道上方地表橫斷面沉降槽分布曲線。一般地，隧道中線上方沉降量最大，沿兩側(cè)逐漸減小，大部分沉降曲線形狀基本符合Peck的正態(tài)分布曲線。但有一部分沉降曲線左右并不對(duì)稱，特別是左線隧道（后行）沉降曲線，大部分向右偏移，即左線隧道右上方地表沉降量較大，這除了與左右地質(zhì)條件差異有關(guān)外，主要是由于受先行隧道（右線隧道）的影響，此外還可能與注漿以及刀盤旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中線上方，而是出現(xiàn)在左右線隧道之間偏向后行隧道中線附近，當(dāng)左右線間距較小時(shí)，這種情況更為明顯。圖1 橫截面沉降槽分布曲線圖（左線隧道后行隧道）圖2 橫截面沉降槽分布曲線圖（右線隧道先行隧道）關(guān)于橫斷面沉降槽分布規(guī)律前人已進(jìn)行過大量研究，提出了很多沉降槽計(jì)算模型，如Peck公式（1969），Attewell 公式（1981），OReilly-New 法（1982），藤田法（1982）等。其中應(yīng)用最廣泛的是Peck 公式，其他公式基本可看作是對(duì)Peck公式的修正，仍保留沉降槽形狀服從正態(tài)分布的假定。Peck公式對(duì)描述均勻地層條件下單線隧道的對(duì)稱沉降槽分布較適合，但如前所述，由于地質(zhì)原因、線路轉(zhuǎn)彎以及先行隧道的影響，實(shí)際沉降槽曲線往往并非對(duì)稱，本文采用高斯峰值函數(shù)進(jìn)行擬合。圖1 、2 可見，對(duì)稱和非對(duì)稱形式沉降槽曲線均可得到很好的擬合，其相關(guān)系數(shù)R 高達(dá)0.94以上，擬合效果高度顯著。根據(jù)不同橫斷面沉降槽的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，盡管最大沉降量變化較大（240mm），但地面沉降槽寬度基本上都在2030m以內(nèi)。雖然沉降槽寬度較大，由于曲線反彎點(diǎn)附近沉降量變化很緩慢，在沉降槽寬度范圍的建筑物并不一定都會(huì)受到嚴(yán)重影響。一般地，沉降影響范圍比沉降槽寬度要小，特別是當(dāng)沉降量較小時(shí)，沉降槽寬度可能仍較大，但沉降影響范圍則很小。4.2 縱斷面沉降曲線分布從兩個(gè)方面來研究線路中線盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭前后的縱斷面沉降曲線分布。一方面，考察不同時(shí)間同一觀測點(diǎn)沉降量隨機(jī)頭位置變化情況。即在盾構(gòu)機(jī)前方20m 的線路中線上方地面處布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)逐漸臨近并通過該點(diǎn)下方，然后又逐漸離去，根據(jù)觀察將整個(gè)沉降過程分為五個(gè)階段： 先期沉降：指自隧道開挖面距地面觀測點(diǎn)還有相當(dāng)距離（數(shù)十米）的時(shí)候開始，直到開挖面到達(dá)觀測點(diǎn)之前所產(chǎn)生的沉降，是隨著盾構(gòu)掘進(jìn)引起地下水位降低而產(chǎn)生的。因此，這種沉降可以說是由于孔隙水壓降低、土體有效應(yīng)力增加而產(chǎn)生的固結(jié)沉降， 開挖面前部沉降或隆起：指自開挖面距觀測點(diǎn)極近（約幾米）時(shí)起直至開挖面位于觀測點(diǎn)正下方之間所產(chǎn)生的沉降或隆起現(xiàn)象。多由于開挖面水土壓力不平衡所致， 盾構(gòu)通過時(shí)沉降或隆起：指從開挖面到達(dá)觀測點(diǎn)的正下方之后直到盾構(gòu)機(jī)尾部通過觀測點(diǎn)為止這一期間所產(chǎn)生的沉降，主要是土的擾動(dòng)所致， 盾尾間隙沉降或隆起：指盾構(gòu)機(jī)的尾部通過觀測點(diǎn)正下方之后所產(chǎn)生的沉降或隆起。是盾尾間隙的土體應(yīng)力釋放或注漿加壓而引起土體的彈塑性變形， 后續(xù)沉降：指固結(jié)和蠕變殘余變形沉降，主要是地基擾動(dòng)和有效應(yīng)力增大所致在這過程觀測該觀測點(diǎn)沉降量隨機(jī)頭位置變化的曲線（圖3）；另一方面，考察同一時(shí)間沿機(jī)頭前后分布的觀測點(diǎn)沉降量的變化情況。即在線路中線上方地面每隔5m 間距布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，當(dāng)這些點(diǎn)位于盾構(gòu)掘進(jìn)沉降影響范圍時(shí)，考察在同一時(shí)間這些觀測點(diǎn)沉降量的分布情況（圖4 ）。圖3 不同時(shí)間同一測點(diǎn)沉降量隨機(jī)頭位置變化曲線圖4 同一時(shí)間不同觀測測點(diǎn)沉降量沿機(jī)頭前后分布曲線采用玻爾茲曼（Boltzmann）函數(shù)對(duì)沉降量隨機(jī)頭位置變化曲線進(jìn)行擬合。可以看出，從上述兩方面得到的縱斷面沉降曲線分布規(guī)律是基本一致的。在敞開式掘進(jìn)情況下，在機(jī)頭前方約6 m （約1 倍隧道直徑）以外，地面基本無沉降跡象，部分出現(xiàn)輕微隆起趨勢（隆起量小于1mm）;在機(jī)頭前方約5m左右開始產(chǎn)生沉降；機(jī)頭前方5m 至機(jī)頭后約89m（約等于盾構(gòu)機(jī)長度8.35m）是沉降主要發(fā)展階段，這個(gè)范圍的地層主要受盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)及開挖面出土卸載影響（機(jī)頭前方5m）以及構(gòu)機(jī)通過時(shí)盾殼對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響（機(jī)頭后約 9m），沉降量約占總沉降量的80%以上；機(jī)頭過去1015m 后沉降趨于穩(wěn)定，在這個(gè)范圍，盾構(gòu)已通過，對(duì)地層的擾動(dòng)消失，同時(shí)，盾尾脫出后產(chǎn)生的圍巖與管片間的建筑空隙得到了盾尾同步注漿的及時(shí)同步填充，對(duì)地層產(chǎn)生了很好的支撐作用，有效地抑制了地層沉降的進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是，上述結(jié)果是在盾尾同步注漿正常發(fā)揮作用的情況下得出的，如注漿壓力、注漿量不足或注漿不及時(shí)，盾構(gòu)通過后還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的的后期沉降。施工實(shí)踐表明，只要注漿不正常，往往就會(huì)出現(xiàn)比較大的沉降量。在存在軟弱地層且周邊環(huán)境對(duì)地面沉降控制要求較高時(shí)，一般采用土壓平衡模式掘進(jìn)。如洞身或上覆土層為可塑硬塑狀粘性土及粉土、可塑狀的粉質(zhì)粘土、稍密狀的粉土以及砂層等情況。在土壓平衡掘進(jìn)模式情況下，沉降發(fā)展規(guī)律基本與敞開掘進(jìn)模式的規(guī)律相似，但機(jī)頭前方地面（距機(jī)頭約6m）往往出現(xiàn)比較明顯的隆起。4.3 沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律 從地面某個(gè)觀察點(diǎn)開始產(chǎn)生沉降起，觀測其沉降量隨時(shí)間的發(fā)展情況。本文采用橫向沉降分布（Peck公式），對(duì)沉降隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合（見圖5）。 （1）式中：S(x)為沉降量(m)；x為距離隧道中心線的距離(m)；i為沉降槽寬度系數(shù)， V為地層損失量根據(jù)Peck公式，最大沉降量約為 （2）圖5 Peck公式計(jì)算示意圖縱向分布采用公式：式中：S(y)為沿隧道縱軸線分布的沉降量（m）； y為盾構(gòu)推進(jìn)起始點(diǎn)距離坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離(m)； yi為盾構(gòu)開挖面距離坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離（m） ； L 盾構(gòu)機(jī)的長度（m） ； Vl1為盾構(gòu)開挖面引起的地層損失（m3/m）； Vl2為施工因素引起的地層損失（m3/m）； i為沉降槽寬度系數(shù)。圖6 縱向沉降分布計(jì)算示意圖5.結(jié)語 通過對(duì)廣州地鐵6號(hào)線2標(biāo)區(qū)間隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析，基本上掌握了盾構(gòu)施工過程的地表沉降規(guī)律，并用數(shù)學(xué)函數(shù)加以表達(dá)，包括：沉降槽分布形式、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律等。經(jīng)過研究得到了以下認(rèn)識(shí)： 橫斷面沉降槽曲線可用Peck公式擬合。受先行隧道影響，后行隧道沉降曲線左右往往并不對(duì)稱，地表最大沉降量向先行隧道一側(cè)偏移，地面沉降槽寬度一般在2030m 范圍。盾構(gòu)機(jī)頭前后的沉降量分布可用縱向分布函數(shù)擬合。在敞開式掘進(jìn)情況下，機(jī)頭前方約5m 處開始產(chǎn)生沉降，機(jī)頭前方5m 至盾尾是沉降的主要發(fā)展區(qū)域，沉降量約占總沉降量的80% 以上，機(jī)頭過去1015m 后沉降趨于穩(wěn)定。沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律可采用對(duì)數(shù)方程擬合。沉降發(fā)展過程可分為3 個(gè)階段：第12d 沉降緩慢發(fā)展，第35d沉降快速增長，第67d沉降變化減緩，并逐