城市環境下TBM施工對周邊環境影響的監測與分析

黃明利，伍志勇，徐 飛

(1.北京交通大學，北京 100044;2.中隧集團股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

目前，在中國越來越多的大城市正在建設和籌建自己的軌道交通。城市地鐵因安全、高效、快捷等特點，在人們的生活中發揮著越來越重要的作用，在人口密集的大城市發展軌道交通已成為解決日益嚴重的交通問題的首選方案。城市地鐵建設受城市特殊環境的限制，要求對環境的影響降到最小，同時還應滿足施工速度、工程質量等要求。

在地鐵工程區間隧道的建設中，鉆爆法和軟巖式盾構機的應用越來越多。鉆爆法［1－4］作為一種傳統的施工方法，占用場地小、適用范圍廣、不受隧道斷面尺寸和形狀的限制，適用于各類圍巖。當地質條件變化時，各種參數和施工工藝可隨之變化，施工設備的組裝、運輸方便，重復利用率高，因此在工程實踐中應用相當廣泛。但是采用鉆爆法施工也有一些缺點，施工造成的地表沉降較難控制，對地面建筑物及地下管線影響較大甚至引起破壞。同時，施工為保證無水作業要在地面施工大量的降水井，不僅提高了工程造價，還造成了對地下水的污染，而且在城區道路狹窄和地面建筑物密集區，沒有施做降水井的條件。鉆爆法由于人工開挖和支護，因此施工進度慢，作業效率低，勞動強度大，安全性差，施工的防水質量不易保證。

盾構法［5－9］作為一種先進的施工方法，具有施工速度快，安全程度高，對地面的干擾小等優點。但是盾構法主要用于城市軟巖的環境中，而利用TBM機在城市硬巖環境中的施工，在國內還沒有先例。近年來，硬巖TBM掘進機先后在鐵路、公路建設、水利水電等領域廣泛采用，比如，桃花鋪隧道、大伙房輸水工程、引洮工程、錦屏水電站等工程就是其中的典型代表。［10－18］相比于鉆爆法施工，TBM施工具有明顯的優勢。鑒于TBM施工的巨大優勢，在重慶地鐵六號線一期中采用了開敞式TBM法施工。本文通過對其中的TBM試驗段(里程K17+300～+600)沿線重點建(構)筑物以及隧道洞內圍巖及支護等的監控量測，對大型硬巖TBM機在城市這種特殊環境中的施工進行重點試驗研究，搞清TBM掘進對周邊環境的影響程度，為TBM在城市環境中的應用積累寶貴的經驗和資料。

1 工程概況

1.1 工程及水文地質條件

重慶市軌道交通六號線300 m TBM試驗段位于六號線五里店—紅土地區間(里程 K17+300～+600)，本段為雙線雙洞隧道，洞跨6 m，洞高6 m，左線與右線相距13.0 m。本段地貌上屬于構造剝蝕丘陵地貌，地面高程262～294 m，地形坡度一般5～10°，局部坡度達40°。地質構造上屬于龍王洞背斜東翼，線路走向與地質構造線走向呈大角度相交。

該段出露的地層由上而下依次為第四系全新統填土層(Qml4)、殘坡積粉質粘土(Qel+dl4)及侏羅系中統砂溪廟組(J2S)層積巖層。隧道巖性主要為泥質砂巖、砂質泥巖、砂巖。該區段泥質砂巖、砂質泥巖巖石飽和抗壓強度12.6～17.2 MPa，砂巖飽和抗壓強度 29.9 ～36.7 MPa。巖體較完整，水文地質條件簡單，基巖裂隙水，大氣降水補給。預測基坑單位涌水量5.5 L/(min·10 m)。隧道濕潤，圍巖級別Ⅳ級，成洞條件好。地質剖面圖見圖1。

圖1 地質剖面圖Fig.1 Geological profile

1.2 TBM試驗段周邊建(構)筑物概況

1.2.1 地表建筑物概況

重慶市軌道交通六號線TBM試驗段右線隧道右側外7～11 m有23F/－2F的龍庭藍天苑，采用樁基礎，樁徑0.90 m，基底標高 277.1 ～278.8 m，樁底距隧道頂中等風化巖石厚度27.2～28.9 m。

1.2.2 周邊橋梁概況

重慶市軌道交通六號線TBM試驗段隧道在里程K17+418～+443穿過五童路接五里店立交橋臺，左線橋臺基底標高265.0～266.2 m，右線橋臺基底標高263.7～264.5 m，橋臺基底距隧道頂中等風化巖石厚度18.5 ～18.9 m，大于3 倍隧道洞跨。

擬建左線隧道左側11.7～13.5 m的距離有2根五里店立交橋墩19 －1、19 －2，橋墩樁徑1.80 m，19 －1樁基底標高258.6 m，19－2樁基底標高257.3 m，橋墩基礎位于隧道開挖后潛在滑面(砂巖巖體破裂角67°)之外。

重慶市軌道交通六號線TBM試驗段隧道在里程K17+530處穿過五里店立交一匝道橋臺，該橋臺尚未施工。根據立交設計方案，橋臺基底預計標高273.6 m，橋臺基底距隧道頂部中等風化巖石厚度27 m左右，大于3倍洞跨。

1.3 隧道結構形式及支護參數

本段區間隧道TBM施工段斷面采用圓形斷面，預備洞采用馬蹄形斷面，區間右線預備洞長120 m，區間左線預備洞長70 m，左、右線始發洞長20 m為圓型洞室。

TBM掘進段，開挖斷面設計為圓形，Ⅳ圍巖占掘進段比例的99%以上，洞室開挖直徑為6.39(最小直徑6.36)m，采用“錨－網－拱架－噴混凝土”支護作為初期支護，支護參數表詳見表1。襯砌混凝土采用C40，P10模筑鋼筋混凝土，厚30 cm。

左右線TBM掘進段斷面形式見圖2。

2 監控量測方案

2.1 監控量測內容

根據設計資料以及現場實際情況，為全面監測TBM施工對周邊環境的影響狀況，在重慶軌道交通六號線TBM300 m試驗段施工過程中需對場區內及周圍環境進行監測，見表2。

2.2 地表及洞內監測斷面選取

斷面選取原則:在該試驗段所選取的斷面，要盡可能的包含不同的埋深、不同的地質情況，地表包含五里店立交的橋臺、橋樁、高層住宅樓以及人行天橋，也有地表比較平坦開闊的斷面。為此，選取以下7中不同情況的斷面，以摸清TBM施工過程中在不同地形、不同地質情況下圍巖的變形規律、振動傳播規律、對地表建筑物等城市環境的影響情況。

表1 TBM掘進段初期支護參數表Table 1 Parameters of primary support at TBM tunneling section

圖2 TBM掘進斷面圖Fig.2 Cross-section of TBM tunneling section

表2 TBM試驗段監控量測必測項目Table 2 Monitoring items of TBM testing section

選取泥巖、砂巖和泥質砂巖3種地質條件進行圍巖壓力、型鋼應力、錨桿軸力、單點位移、混凝土應力、拱頂沉降、水平收斂的監測，并對監測結果分析比較。

各斷面基本情況見表3。

2.3 地表及洞內測點布置

隧道內測點布置見圖3和圖4。

隧道內的布點除在選取的7個斷面布設外，在每個斷面之間要加布一個斷面。

按照設計要求布置地表沉降測點如圖5所示。

表3 工程地質分段評價Table 3 Geological estimations

圖5 地表沉降測點布置圖Fig.5 Layout of ground settlement monitoring points

3 控制標準

3.1 洞周收斂和變形控制標準

洞周收斂和拱頂沉降的變形控制標準以保證圍巖穩定性和保證襯砌施做襯砌限界為準，表4中給出了設計要求不同類別的圍巖的變形控制標準參考值，結合本工程狀況，變形標準建議拱頂沉降不大于20 mm，兩幫收斂不大于30 mm。

表4 隧道變形控制參考值Table 4 Parameters of tunnel deformation control mm

3.2 微振動測試與分析依據

根據GB 3096—2008《城市區域環境噪聲標準》，在某規定時間內A聲級的能量平均值又稱等效連續A聲級，用Leq表示，單位為dB。

式中:LA為t時刻的瞬時A聲級;T為規定的測量時間段。

GB 3096—2008《城市區域環境噪聲標準》關于等效聲級的規定見表5。

日本煙中元弘歸納的建筑物振動限值見表6。

4 監測結果及分析

4.1 TBM施工引起地表沉降規律分析

4.1.1 地表沉降歷時曲線

根據現場調查資料，選取具有代表性的斷面進行地表沉降監測。分別為:K17+390斷面、K17+420斷面、K17+473斷面、K17+580斷面。所得各個斷面的地表沉降測點的沉降歷時曲線如圖6所示。

表5 等效聲級LeqTable 5 Equivalent noise levels dB

由圖6可以看出:由于采用TBM掘進區間隧道，掌子面施工時間短支護及時，有效地控制了地表沉降，沉降速率比較小，最大沉降量均未超過4 mm。當掌子面離監測斷面大于5倍洞徑時變形就較為緩慢，相對于本項目預備洞采用礦山法施工引起的20 mm的沉降要小很多。

4.1.2 地表沉降槽曲線

K17+390、K17+420、K17+473、K17+580 斷面的橫向沉降槽隨時間發展曲線以及隧道拱頂正上方地表點縱向沉降曲線相似。見圖7。

由圖7看出:橫向沉降槽的范圍較小，在距隧道中線1倍洞徑處地表沉降是中線處的60%左右。掌子面超前影響范圍約22 m。各個斷面的沉降值差異較小，最大值均未超過4 mm。由圖7可知TBM掘進機對圍巖的擾動較小，而且TBM掘進特點是隨挖隨支護，雖然掘進速度很快，但支護比較也很及時，有效地控制了地表沉降。

表6 建筑物振動限值Table 6 Limits of buildings vibration

4.2 TBM施工圍巖支護結構受力分析

4.2.1 圍巖壓力分布規律

在砂巖地質A斷面K17+390里程、泥巖地質C斷面K17+473里程、泥質砂巖地質D斷面K17+531里程每個斷面的拱頂和拱腰處各布置了1個圍巖壓力計。各點圍巖壓力的時間歷時曲線如圖8所示。

圖8 圍巖應力時態曲線圖Fig.8 Curves of surrounding rock stress

由圖8可看出:在開挖掌子面到初支完成這段時間內圍巖壓力的變化最快，很快即到達峰值，最終趨于平緩。3種不同地質條件下斷面拱頂和邊墻的圍巖壓力基本相等，三者之間的差別非常小。左右側導坑拱頂處(即初支拱腰部位)的土壓力最大，最大土壓力拱頂處的值為0.02～0.07 kPa。由于TBM掘進機對周邊圍巖的擾動很小，又能夠及時的進行支護封閉，使得拱架和周邊圍巖形成完整的支護體系，有效地減緩了周邊圍巖的松動。

4.2.2 混凝土壓力分布規律

在砂巖地質A斷面K17+390里程、泥巖地質C斷面K17+473里程、泥質砂巖地質D斷面K17+531里程處在拱頂、邊墻分別布設1個混凝土應力計，測試噴射混凝土的應力。各點混凝土壓力的應力時態曲線如圖9所示。

圖9 噴射混凝土應力時態曲線Fig.9 Curves of shotcrete

由圖9可以看出:3種圍巖地質條件下混凝土應力的變化有比較大的差別，由A，C曲線可看拱頂以及拱腰基本都是受拉;但由D可以看出，拱頂和拱腰的混凝土都是受壓。(此項的理論分析不做重點研究，提出此現現象，對以后設計提供參考)。

4.2.3 錨桿軸力分布規律

為了了解在施工過程中圍巖的內力變化情況，選取泥巖、砂巖、泥質砂巖條件下來監測錨桿軸力的變化情況。在每個斷面共埋設4組錨桿軸力計，分別布設在拱頂、拱肩、拱腰和拱底處，每組3個軸力計，設在隧道圍巖0.8 m，2.2 m，3.4 m 深度處。各點錨桿軸力的時態歷時曲線圖如圖10所示。

由圖10可以看出:在這3種圍巖地質條件下錨桿的軸力的變化趨勢都是一樣的，都是離斷面最近的圍巖軸力最大，越遠離斷面圍巖的軸力越小;但這3種圍巖條件下最大圍巖軸力值相近，沒有較大的差別。此外，由圖10可以看出，錨桿軸力按照距離斷面的位置越遠值越小，在達到2.2 m左右時錨桿軸力的值就比較小了，因此在大于2.2 m時就可以不用考慮圍巖之間的壓力。

4.2.4 初支鋼拱架內力的分布規律

分別在K17+390、K17+580和K17+531 3個斷面鋼拱架的拱頂、拱肩、拱腰和拱底處布設測點，每個測點的鋼架內外側各布設1個表面應變計。其中在K17+390和K17+580 2個斷面上每個斷面布設4個測點(只布設一半的斷面)，在K17+531斷面上共布設了7個測點(全斷面布設)。型鋼拱架應力的時間歷時曲線如圖11所示。

由圖11可以看出:初支型鋼拱架的拱頂內外側均受拉，拱腰、拱肩處外側受拉內側受壓，其他部分鋼架內外側均為受壓。拱頂最大應力在22.9 MPa左右，拱肩最大應力達59.17 MPa，拱腰最大應力達25.9 MPa，拱底處的最大應力達44.1 MPa。在拱架安裝的前幾天型鋼應力計就能較快達到最大峰值，隨著掌子面的遠離，型鋼應力逐漸趨于穩定，變化也趨于平緩。

4.3 TBM施工圍巖變形規律分析

4.3.1 洞周表面圍巖變形規律分析

1)隧道拱頂沉降規律

為了了解在施工過程中隧道拱頂沉降的變化情況，分別選取泥巖、砂巖、泥質砂巖條件來監測隧道拱頂沉降的變化規律。

各斷面拱頂沉降歷時曲線見圖12。

圖12 隧道拱頂點沉降曲線Fig.12 Settlement curves of tunnel crown

從圖12可以看出:隧道拱頂變形累計沉降值基本在4 mm以內;拱頂沉降初始前3 d變形較大，占到了整個變形的50%以上，在7 d后沉降基本平穩，不再顯著增加，可能與TBM施工速度較快、支護比較及時有關;在距掌子面6倍洞徑后變形基本平穩;砂巖、泥巖和兩者交互段變形規律基本相同。

2)隧道洞內凈空位移變化規律

為了了解在施工過程中隧道洞內凈空位移的變化情況，分別選取泥巖、砂巖、泥質砂巖條件來監測隧道洞內的凈空位移變化規律。

各斷面洞內凈空位移曲線見圖13。

圖13 隧道拱頂點沉降曲線Fig.13 Settlement curves of tunnel crown

從圖13可以看出:3個典型斷面水平收斂累積量基本在6mm以內;水平收斂也和拱頂沉降表現了類似的變化規律，前3 d變形較大，占到了整個變形的50%以上，在7 d后沉降基本平穩，可能與TBM施工速度較快時支護比較及時有關;在距掌子面6倍洞徑后變形基本平穩;砂巖、泥巖和兩者交互段變形規律基本相同。

4.3.2 深部圍巖變形規律分析

為了了解在施工過程中圍巖的位移變化情況，結合錨桿軸力時態曲線變化來進一步說明周邊圍巖的變化情況，同樣選取了泥巖、砂巖、泥質砂巖地質條件，來監測圍巖的位移變化情況。

在每個斷面的拱頂、拱肩和拱底處分別布設單點位移計，每組單點位移計在圍巖中的埋置深度分0.5，1.5，2.5，3.5 m 4 種情況。各點單點位移的時曲線見圖14。

由圖14可以看出:整體上深部圍巖變形很小，在3.5 m處圍巖基本沒有變形。深部圍巖變形從里向外逐漸增加，距表面0.5 m處變形最大為1.4 mm。這說明圍巖基本處于完好狀態，擾動很小。

與砂巖地段相比，圍巖松動范圍稍大，松動圈在0.5 m以內，整體上深部圍巖變形很小，距表面0.5 m處變形最大為3.5 mm。這說明圍巖基本處于完好，擾動很小。

與砂巖地段和泥巖地段相比，泥巖砂巖過渡地段的松動圈介于兩者之間，3種地質的深部圍巖變形規律相似。

4.4 微振動測試分析

4.4.1 TBM掘進時橋臺振動測試情況

TBM推進施工參數(刀盤轉速、貫入度、總推力、扭矩、地質與巖土情況)與振動對應關系記錄見表7，初步分析認為刀盤轉速、地質與巖土情況對振動影響最大，但振動問題相對較為復雜，隨時空、介質等變化大，難以給出具體的影響關系。

從表7可以看出:垂直振動速度幅值一般在4 mm/s以下，主頻12～48 Hz;水平振動速度幅值一般在3 mm/s以下，主頻2～48 Hz。

在2009年12月19日—2010年1月15日測試期間監測到2次來自TBM掘進引起的橋臺振動水平振動速度幅值達20 mm/s，主頻19～29 Hz;22.6 mm/s(2010－01－07—08)，主頻12～26 Hz;持續時間不足30 s。可能主要由于隧道在橋臺正上方有關，也可能與特定圍巖介質、施工參數耦合而成。

4.4.2 TBM掘進時建筑物(龍庭藍天苑房屋)振動測試情況

為了監測TBM掘進時建筑物(龍庭藍天苑)振動情況，進行多次測試，得出當時的振動情況見表8。

表7 TBM掘進時橋臺振動測試情況Table 7 Vibration tests on abutment when TBM tunneling

表8 TBM掘進時建筑物(龍庭藍天苑)振動測試情況Table 8 Vibration tests on the buildings(Longtinglantian village)when TBM tunneling

從表8可以看出，TBM施工引起的龍庭藍天苑3層結構振動大部分情況下:

垂直振動速度幅值一般在0.5 mm/s以下，主頻15～35 Hz;水平振動速度幅值一般在0.4 mm/s以下，主頻15～21 Hz。

但測試中，測得垂直振動速度幅值一般在2.149 mm/s，主頻16～30 Hz;持續時間20 s。水平振動速度幅值一般在1.267 mm/s，主頻21～22 Hz;持續時間20 s。根據結構動力學基本原理，在本建筑高層存在低頻震動為5 mm/s的水平振動。

4.4.3 不同轉速下橋臺與圍巖巖石振動情況測試

2010年1月2 日進行了不同轉速下橋臺與圍巖巖石振動情況測試，測試結果與分析見表9和圖15。

4.4.4 振動傳播規律測試分析

主要在巖石和地面場地兩點，研究TBM掘進圍巖和地表的傳播規律及測試方法。測點不動，監測TBM掘進不同的里程(記錄刀盤到測點的距離)測點的振動情況。記錄了TBM掘進時振動在圍巖傳播特性以及TBM掘進時振動在地面傳播特性，分別見表10—表11及圖16。

表9 TBM掘進時不同轉速下橋臺與圍巖巖石振動情況測試Table 9 Vibration testing results of abutment and surrounding rocks under different speeds when TBM tunneling

通過監測，初步發現TBM施工引起的巖層振動在近20 m內無明顯衰減，其影響范圍大致在120 m以內。

通過上述現象及分析，初步得出如下結論:

1)TBM掘進過程中絕大部分時間給地層的振動很小，垂直方向振速小于5 mm/s，水平振動頻率12～18 Hz，振速小于 4 mm/s。

2)對建筑物的影響(在龍庭藍天苑3層處，刀盤距測點小于20 m時測得):垂直振速小于4 mm/s，水平振速小于3 mm/s。TBM在掘進過程中的振動對建筑物基本沒有影響。

表10 TBM掘進時振動在圍巖傳播和衰減測試研究Table 10 Vibration test on surrounding rocks spread and attenuation when TBM tunneling

表11 TBM掘進時振動在地面傳播和衰減測試研究Table 11 Vibration test on spread and attenuation on the ground when TBM tunneling

3)TBM掘進引起的地層振動和刀盤的轉速有明顯的關系。從不同的刀盤轉速測得的數據顯示，刀盤轉速為3.5 r/min左右，引起的橋臺振動的水平向速度幅值最大達到22.6 mm/s(持續時間約30 s)，建筑物一層窗臺位置振動的水平向速度幅值達到1.26 mm/s。

4)TBM掘進過程中，刀盤附近圍巖振動的水平向速度幅值為20.7 mm/s，豎直向速度幅值為16.9 mm/s。刀盤周邊TBM設備支架振動加速度幅值約為2 g，動力部分設備支架振動加速度幅值約為0.06 g，尾部軌道振動的水平加速度幅值達到70 mm/s2，豎直加速度幅值達到30 mm/s2。

5 結論

通過對TBM 300 m試驗段的現場監測和數據對比分析，得到以下幾點結論:

1)總體來看，TBM隧道施工的變形和受力都在控制范圍之內，隧道圍巖穩定、結構安全，施工沉降對周邊環境影響很小。

①從地表變形來看:最大沉降變形不超過4 mm，主要發生在拱頂上方，且與隧道施工掌子面位置變化存在明顯依存關系。

②根據錨桿軸力和單點位移計的監測結果和分析可知:TBM掘進機對周邊圍巖的擾動較小。通過錨桿軸力時態曲線可以看到在開挖斷面往圍巖方向0.8 m處所測的錨桿軸力最大，2.2 m處的軸力就已經減小，而且隨著時間的推移逐漸趨于穩定，3.5 m處的錨桿軸力從初測開始就非常小，而且根據其錨桿軸力時態曲線可以清楚的看到其軸力變化非常小，變化很平緩。

③由TBM試驗段拱頂沉降歷時曲線、洞徑收斂歷時曲線以及型鋼應力的歷時曲線與預留洞(采用礦山法施工)內拱頂沉降和洞徑收斂歷史曲線相比較可知，TBM掘進機開挖導致的圍巖拱頂沉降和水平收斂較小而且一般在3 d之內就達到峰值，相比較礦山法施工的預留洞監測的拱頂沉降和收斂值到達峰值的時間歷程較長而且跟它的施工工法有關，其最大沉降值和收斂值也大，大約是TBM掘進機施工所導致的拱頂沉降峰值和水平收斂峰值的1.5～2.0倍。并且根據TBM試驗段初支拱架內力的監測結果可知，監測所得的初支拱架拱頂處的內力最大值為56.7 MPa，比鋼筋應力規范的警戒值和標準值小，有較大的安全儲備。

2)根據與TBM預備洞鉆爆法施工支護參數和變形結果比較，TBM在試驗段支護參數存在較大優化空間。

采用鉆爆法施工的TBM預備洞洞頂變形最大8 mm，洞周收斂最大為10 mm以內，而TBM試驗段拱頂最大僅為4.36 mm，水平收斂為5.04 mm。而兩者巖性基本相同。TBM段的錨桿受力和鋼拱架受力都很小，存在較大安全儲備。

分析發現:TBM施工與鉆爆法相比存在以下優點:①洞周表面光滑，減少了應力集中;②隧道為圓形隧道，受力很好;③支護及時。

3)TBM穿越不同巖性段隧道變形和結構受力有所差異，但不是很顯著。通過對泥巖、砂巖和泥質砂巖這3種不同地質條件下各斷面的拱頂沉降、水平收斂、錨桿軸力、圍巖位移、圍巖土壓力、混凝土應力、初支拱架內力監測數據分析，發現其變化差異很小，基本上沒有什么較大變化。

4)TBM施工引起的巖層振動在近20 m內無明顯衰減，其影響范圍大致在120 m，其振動影響不會直接造成試驗段內橋臺及建筑物的破壞;試驗段內TBM施工造成的地表噪聲一般不會引起地表顯著噪聲污染;當刀盤轉速為3～4 r/min時，對橋臺及周邊地表的震幅較大，當大于4 r/min時，震幅有逐漸減小的趨勢，因此TBM正常掘進時的轉速應不低于4 r/min。

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