北京地區典型地層條件下盾構始發對地表沉降的影響分析

岳楹沁 李輝

摘要：本文以北京地鐵7號線工程某盾構區間為依托，運用理論分析并結合工程實測數據對盾構始發出洞后，即刻下穿鐵路專用線、廠房所引起的地表沉降進行綜合分析，總結出盾構整體始發、分體始發并下穿地面復雜環境對地表變形的影響規律。

關鍵詞：盾構始發；復雜環境；地表沉降

1前言

隨各城市地鐵網絡初具規模，越來越多新建地鐵車站不得不選在周邊環境復雜，地面建構筑物密集區域，為避免車站暗挖大跨斷面施工的風險，仍采用明挖施工，而連接站點的區間常采用暗挖法施工，由于盾構施工對周邊環境影響較小而廣泛采用，因此復雜地面環境下，盾構始發出洞就須下穿重要建構筑物，極易引起地面沉降[1][3]，帶來風險隱患。

2地面沉降實測分析

2.1區間概況

北京地鐵7號線工程某盾構區間位于朝陽區東四環外，區間全長955m。采用一臺海瑞克土壓平衡盾構機施工，盾構管片外徑6m，內徑5.4m，每環管片長1.2m，厚0.3m，先推進右線，轉場后繼續推進左線，左右線分別從車站西端盾構井始發，右線受盾構井東側結構施工的影響，采用分體始發，左線施工時盾構井東側結構施工已完成，故采用整體始發。盾構始發段100m范圍內，需下穿鐵路專用線（距離始發端5.9m）、兆豐陶瓷廠（距離始發端20m），隧道拱頂埋深11m～12m，線路縱坡10.9‰，盾構推進方向為下坡，在平面上位于直線段，盾構始發段與鐵路及廠房關系如圖1

圖1 下穿段平面示意圖

隧道穿越段自上而下土層分別為①粉土素填土；③粉土； ③3粉細砂；③粉土； ③1粉質粘土；④3粉細砂；⑥2粉土，洞身均位于④3粉細砂層中，如圖2

圖2下穿段縱斷面圖

2.2線路加固方案

盾構始發前采用旋噴樁、袖閥管對周邊地層進行加固，加固區分兩部分，一為起限制隔離作用（旋噴加固區），一為增加線路上方土體承載力及抵抗變形能力（斜孔注漿加固區）。

圖3線路加固剖面圖

2.3現場實測方案

本次監測點布置如下：

鐵路路基沉降測點：垂直盾構掘進方向設置兩個監測斷面，每個斷面設16個監測點，共32個測點。

地表沉降點：沿盾構推進方向每30m設一個監測點。

廠房基礎沉降測點：沿廠房每20m設一個監測點。（圖4）

圖4 測點平面圖

2.4盾構始發地面沉降變形分析

（1）盾構右線分體始發沉降分析

本工程右線施工受場地影響，盾構采用分體始發，于2012年11月26日開始掘進，分體始發掘進共85m，先后下穿鐵路專用線、廠房，于廠房西側空地內盾構后配套全部下井開始整體始發（12月10日），分體始發到整體始發共歷時15天。

A11點為土體加固區地表沉降測點，盾構施工前該部分土體已完成加固，受土體改良影響地表沉降明顯得到抑制，最大沉降值約4.39mm，并于12月10日盾構整體始發后趨于穩定。J14、J11、J08、J05為沿線地表測點，11月26日至12月8日，沉降發展較快，12月9日出現地表最大沉降值14.23mm（J05點），之后沉降基本穩定，見圖5

圖5右線地表沉降

（2）盾構左線整體始發沉降分析

本工程左線施工時已具備盾構下井條件，故采用整體始發于2013年4月2日開始掘進，穿越鐵路專用線、廠房段共歷時10天于4月12日到達右線整體始發位置。

A06點為土體加固區地表沉降測點，盾構施工前該部分土體已完成加固，受土體改良影響地表沉降明顯得到抑制，最大沉降值約3.11mm。J16、J10、J07、J03為沿線地表測點，4月2日至4月12日沉降發展較快，4月14日出現地表最大沉降值17.9mm（J03點），之后各點沉降基本穩定，見圖6

圖6左線地表沉降

3地面沉降模擬計算分析

模擬中建立隧道實體模型。開挖中通過對各單元網格鈍化，來模擬盾構機掘進。在每個掌子面開挖前施加均勻壓力，來模擬盾構機掘進壓力。對注漿模擬，計算中引入等代層概念[2]，模擬盾尾注漿。通過對等代層實體進行網格劃分，定義等代層注漿材料特性。計算中激活全部土體，添加自重荷載，作為計算模型初始狀態。隨后盾構隧道開挖面施加掘進壓力，模擬盾構機頂推力，鈍化開挖范圍內土單元及注漿單元，同時激活同一位置襯砌單元。對盾構整體始發與分體始發模擬，主要通過調整單位時間內開挖進尺長度的辦法，實現對不同始發狀態下盾構掘進所引起圍巖變形趨勢的預測。

圍巖變形分豎向變形與橫向變形兩種，豎向變形主要考慮拱頂變形和地表變形兩種情況，拱頂變形過大會使支護結構變形過大和影響圍巖穩定性，而地表沉降則是對地表環境產生影響。

4結論與建議

通過施工實測數據及數值模擬，分析盾構始發段地表沉降規律及圍巖位移分布變化情況，得結論及建議如下：

（1）始發段地基加固至關重要，盾構洞門打開后能防止洞口掌子面坍塌以及掘進過程中的水土流失，從而有效的抑制地表沉降；（2）始發段臨近建構筑物，合理的土層加固措施，對于變形控制具有較明顯的效果；（3）盾構整體始發與分體始發對于地表沉降的影響主要在于施工中的過程控制，實測數據顯示分體始發時的地表沉降略大于整體始發階段；（4）從地表沉降的發展趨勢看，砂質粉土地層沉降主要產生于施工過程中，地面沉降從產生到穩定的時間較短（10～15d），盾尾脫出后6～8天沉降基本呈穩定趨勢，后期沉降變化非常小。結果表明在砂質粉土地層中施工引起的短期沉降量較大，長期固結沉降量較小。

參考文獻

[1]吳韜，韋良文，張慶賀.大型盾構出洞區加固土體穩定性研究[J].地下空間與工程學報，2008，4（3）：85～90，193.

[2]王麗霞；凌賢長；張云龍.哈爾濱市松花江隧道頂部覆土安全厚度預測模型[J].巖石力學與工程學報，2003，22（5）：163-168.

[3]吳波，高波，索曉明.地鐵隧道開挖與失水引起地表沉降的數值分析[J].中國鐵道科學，2014，25（4）：59-63.