中鐵十一局集團有限公司中級職稱論文 土壓平衡盾構施工引起的地面沉降規律分析城軌公司 楊小飛 【摘要】 本文對廣州地鐵6號線盾構2標區間盾構隧道施工過程的地面沉降監測數據進行分析，探討了盾構施工過程地表沉降規律及其影響范圍和程度，包括沉降槽分布形式、沉降隨時間發展規律、沉降量概率分布的統計分析等，并用數學函數加以表達。研究結果對今后類似工程施工過程的隧道周邊建（構）筑物的保護，施工參數的優化以及工程的順利實施具有參考價值。【關鍵詞】盾構 沉降 擬合第 4 頁1.引言地鐵交通在我國正處于發展階段，由于盾構施工法的安全性和先進性，盾構技術在城市地鐵隧道施工中得到越來越廣泛的應用。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，施工過程多少都會擾動地層，要完全消除地表沉降是很困難的。盾構施工過程的沉降會對地面建筑物的安全造成威脅甚至引起破壞，國內外已對施工沉降進行了大量研究，提出了許多沉降計算模型1,2，如Peck 模型（1969），Attewell 模型（1981），OReilly-New 模型（1982），藤田模型（1982）等。國內專家也對國內地鐵盾構施工過程的沉降規律進行了總結3 - 5 ，得到了許多具有共性的認識。但由于廣州地區地質條件復雜，對沉降規律的定量研究還比較少。本文對廣州地鐵6號線2標區間盾構隧道施工過程的地表沉降規律及其影響范圍進行研究，以期對今后類似工程建（構）筑物的保護，施工參數的優化提供參考依據。2.工程概況廣州地鐵6號線2標區間隧道采用盾構法施工。區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-如意坊站盾構區間】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。盾構機采用德國HERRENK AG 公司生產的土壓平衡式盾構（EPB），盾構機刀盤直徑6280mm，采用盾尾同步注漿（砂漿）方式。隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，管片環外徑6000mm，內徑5400mm，管片寬度1500mm。【大-如盾構區間】上覆第四系為人工填土層、淤泥層、淤泥質土層、淤泥質粉細砂層、粉質粘土、粉土層、沖積洪積粉細砂層、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、硬塑或密實狀殘積土層。下伏基巖白堊系、石炭系棕紅色、紅褐色巖石，風化程度不均一，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尺儀，銦鋼水準尺、30m 檢定過的鋼卷尺進行沉降觀測。線路沿線一般的多層建筑物和地表沉降，按國家三等水準測量技術要求作業，高程中誤差2.0mm，相鄰點高差中誤差1.0mm。3.2 沉降觀測點的布設正常情況下，沿隧道中線上方地面每隔5m 布設一個沉降觀測點，每隔20m 建立一個監測橫斷面，該斷面垂直于隧道中線，每個斷面上布設5個觀測點，其中隧道中線上方一個點，左右間隔5m各一個點。對于軟弱土層、或埋深較淺的區域，應根據隧道埋深和圍巖地質條件，加密監測斷面和測點。當隧道上方為混凝土路面時，常布設兩種沉降觀測點，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布設一個觀測斷面，觀測點直接布設在路面上，以量測路面沉降量；為了防止路面硬殼層不能及時、準確反映地層實際沉降情況，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觀測點，以便對地層的沉降情況進行監測。3.3 項沉降觀測頻率盾構機機頭前10m和后20m范圍每天早晚各觀測一次，并隨施工進度遞進；范圍之外的監測點每周觀測一次，直至穩定。當沉降或隆起超過規定限差（-30/+10 mm）或變化異常時，則加大監測頻率和監測范圍。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，沿兩側逐漸減小，大部分沉降曲線形狀基本符合Peck的正態分布曲線。但有一部分沉降曲線左右并不對稱，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，這除了與左右地質條件差異有關外，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方向有關。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中線上方，而是出現在左右線隧道之間偏向后行隧道中線附近，當左右線間距較小時，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）關于橫斷面沉降槽分布規律前人已進行過大量研究，提出了很多沉降槽計算模型，如Peck公式（1969），Attewell 公式（1981），OReilly-New 法（1982），藤田法（1982）等。其中應用最廣泛的是Peck 公式，其他公式基本可看作是對Peck公式的修正，仍保留沉降槽形狀服從正態分布的假定。Peck公式對描述均勻地層條件下單線隧道的對稱沉降槽分布較適合，但如前所述，由于地質原因、線路轉彎以及先行隧道的影響，實際沉降槽曲線往往并非對稱，本文采用高斯峰值函數進行擬合。圖1 、2 可見，對稱和非對稱形式沉降槽曲線均可得到很好的擬合，其相關系數R 高達0.94以上，擬合效果高度顯著。根據不同橫斷面沉降槽的統計結果，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。雖然沉降槽寬度較大，由于曲線反彎點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受到嚴重影響。一般地，沉降影響范圍比沉降槽寬度要小，特別是當沉降量較小時，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方面來研究線路中線盾構機機頭前后的縱斷面沉降曲線分布。一方面，考察不同時間同一觀測點沉降量隨機頭位置變化情況。即在盾構機前方20m 的線路中線上方地面處布設一個沉降觀測點，當盾構機向前掘進時，盾構機逐漸臨近并通過該點下方，然后又逐漸離去，根據觀察將整個沉降過程分為五個階段： 先期沉降：指自隧道開挖面距地面觀測點還有相當距離（數十米）的時候開始，直到開挖面到達觀測點之前所產生的沉降，是隨著盾構掘進引起地下水位降低而產生的。因此，這種沉降可以說是由于孔隙水壓降低、土體有效應力增加而產生的固結沉降， 開挖面前部沉降或隆起：指自開挖面距觀測點極近（約幾米）時起直至開挖面位于觀測點正下方之間所產生的沉降或隆起現象。多由于開挖面水土壓力不平衡所致， 盾構通過時沉降或隆起：指從開挖面到達觀測點的正下方之后直到盾構機尾部通過觀測點為止這一期間所產生的沉降，主要是土的擾動所致， 盾尾間隙沉降或隆起：指盾構機的尾部通過觀測點正下方之后所產生的沉降或隆起。是盾尾間隙的土體應力釋放或注漿加壓而引起土體的彈塑性變形， 后續沉降：指固結和蠕變殘余變形沉降，主要是地基擾動和有效應力增大所致在這過程觀測該觀測點沉降量隨機頭位置變化的曲線（圖3）；另一方面，考察同一時間沿機頭前后分布的觀測點沉降量的變化情況。即在線路中線上方地面每隔5m 間距布設一個沉降觀測點，當這些點位于盾構掘進沉降影響范圍時，考察在同一時間這些觀測點沉降量的分布情況（圖4 ）。圖3 不同時間同一測點沉降量隨機頭位置變化曲線圖4 同一時間不同觀測測點沉降量沿機頭前后分布曲線采用玻爾茲曼（Boltzmann）函數對沉降量隨機頭位置變化曲線進行擬合。可以看出，從上述兩方面得到的縱斷面沉降曲線分布規律是基本一致的。在敞開式掘進情況下，在機頭前方約6 m （約1 倍隧道直徑）以外，地面基本無沉降跡象，部分出現輕微隆起趨勢（隆起量小于1mm）;在機頭前方約5m左右開始產生沉降；機頭前方5m 至機頭后約89m（約等于盾構機長度8.35m）是沉降主要發展階段，這個范圍的地層主要受盾構刀盤旋轉及開挖面出土卸載影響（機頭前方5m）以及構機通過時盾殼對圍巖擾動的影響（機頭后約 9m），沉降量約占總沉降量的80%以上；機頭過去1015m 后沉降趨于穩定，在這個范圍，盾構已通過，對地層的擾動消失，同時，盾尾脫出后產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同步填充，對地層產生了很好的支撐作用，有效地抑制了地層沉降的進一步發展。值得注意的是，上述結果是在盾尾同步注漿正常發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，盾構通過后還會產生相當大的的后期沉降。施工實踐表明，只要注漿不正常，往往就會出現比較大的沉降量。在存在軟弱地層且周邊環境對地面沉降控制要求較高時，一般采用土壓平衡模式掘進。如洞身或上覆土層為可塑硬塑狀粘性土及粉土、可塑狀的粉質粘土、稍密狀的粉土以及砂層等情況。在土壓平衡掘進模式情況下，沉降發展規律基本與敞開掘進模式的規律相似，但機頭前方地面（距機頭約6m）往往出現比較明顯的隆起。4.3 沉降隨時間的發展規律 從地面某個觀察點開始產生沉降起，觀測其沉降量隨時間的發展情況。本文采用橫向沉降分布（Peck公式），對沉降隨時間變化曲線進行擬合（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， V為地層損失量根據Peck公式，最大沉降量約為 （2）圖5 Peck公式計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為盾構推進起始點距離坐標原點O的距離(m)； yi為盾構開挖面距離坐標原點O的距離（m） ； L 盾構機的長度（m） ； Vl1為盾構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。圖6 縱向沉降分布計算示意圖5.結語 通過對廣州地鐵6號線2標區間隧道施工過程的地面沉降監測數據進行定量統計分析，基本上掌握了盾構施工過程的地表沉降規律，并用數學函數加以表達，包括：沉降槽分布形式、沉降隨時間發展規律等。經過研究得到了以下認識： 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稱，地表最大沉降量向先行隧道一側偏移，地面沉降槽寬度一般在2030m 范圍。盾構機頭前后的沉降量分布可用縱向分布函數擬合。在敞開式掘進情況下，機頭前方約5m 處開始產生沉降，機頭前方5m 至盾尾是沉降的主要發展區域，沉降量約占總沉降量的80% 以上，機頭過去1015m 后沉降趨于穩定。沉降量隨時間變化規律可采用對數方程擬合。沉降發展過程可分為3 個階段：第12d 沉降緩慢發展，第35d沉降快速增長，第67d沉降變化減緩，并逐