地鐵隧道盾構施工地表變形影響因素分析

廖利釗　郭　譜　楊　俊

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海　200092；2.華中科技大學　土木學院工程管理研究所，武漢　430074)

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地鐵隧道盾構施工地表變形影響因素分析

廖利釗1郭譜2楊俊2

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海200092；2.華中科技大學土木學院工程管理研究所，武漢430074)

【摘要】地鐵盾構由于其高機械化、高自動化、對周邊建(構)筑物影響小等優點在地鐵隧道中廣泛應用。但隧道施工過程中產生的地層沉降易導致地表建構筑物傾斜，甚至開裂、倒塌，施工中存在很多風險隱患，事故頻發。本文以武漢地鐵二號線某區間隧道為背景，通過現場實際監測數據系統分析盾構掘進過程中地表沉降的時空效應及影響因素，并探討隧道設計參數、地質情況和施工參數三個因素對地表沉降的影響，總結地表沉降規律，指導盾構掘進參數的優化調整，從而降低和控制工程安全風險，并為類似工程提供有益參考。

【關鍵詞】隧道工程；盾構法施工；地表沉降；現場監測；時空效應；影響因素

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.13

引言

地鐵盾構施工具有高度的機械化、自動化，不影響地面交通，對周圍建(構)筑物影響較小，適應軟弱地質條件，施工速度快等優點，在城市地鐵工程中得到廣泛應用。目前已經成為國內外城市地鐵隧道的主要施工方法。

由于地層沉降可能導致地表建筑物傾斜，甚至開裂、倒塌，地下管線被破壞；地層水平位移可引起地下樁基偏移及管線與通道錯位等，進而導致樁基承載力下降并影響管線與通道的正常使用，甚至毀壞。因此，必須研究盾構隧道施工時引起地層移動、造成地面沉降的影響因素，對地面沉降量進行預測，正確估計可能發生的地面變形，以選擇最佳的施工技術，制定一套完善的措施，保證施工對于己有的建筑、設施所造成的影響危害控制在允許的范圍內，確保施工地區樓房、建筑物與地下管線等重要設施的安全。

鑒于此，本文以武漢軌道交通二號線某地鐵隧道為依托，系統分析盾構掘進過程中地表沉降的時空效應及影響因素。在此基礎上，探討隧道設計參數、地質情況和施工參數三個因素對地表沉降的影響，總結地表沉降規律，指導盾構掘進參數的優化調整，從而降低和控制工程安全風險，并為類似工程提供有益參考。

1工程概況及現場監測方案

1.1工程概況

武漢地鐵二號線某區間隧道為雙線隧道，覆土厚度為10～40m，該盾構隧道采用德國海瑞克公司生產的泥水加壓盾構機施工，隧道襯砌采用鋼筋混凝土管片襯砌一次成型，管片拼裝采用“5+1楔形塊”錯縫拼裝，管片接縫采用膨脹膠止水條。

根據地質詳勘報告，本工程盾構隧道在靠近盾構始發洞身范圍內為第四系全新統沖積層，上部為1～5m的粘土，下部為2～3m的淤泥質土。盾構隧道洞身主要從粉細砂層(4-2)和含礫中粗砂層(2-4)中穿過，局部從兩層分界線附近通過，在靠近積玉橋站段局部通過(3-2a)淤泥質粘土、(3-2)粉質粘土，江底約80m底部切削中風化泥質粉砂巖，最大切削厚度為1.2m。具體地質統計表見表1。

1.2隧道監測方案

地表沉降測點布置根據隧道埋深、施工影響范圍來考慮，一般縱向在有條件的地段布置橫斷面，每個斷面10～15個測點，橫向監測范圍為隧道中線H+2D；沿隧道縱向每10m布置一個測點；測點埋設方法采用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入沉降測點，測點一般用Φ20～30mm，長200～300mm，半圓頭鋼筋制成，具體埋設方法如圖1。

該區間隧道地表沉降監測點布置圖如圖2所示。

2地表沉降的時空效應分析

2.1地表沉降的時間效應分析

隨著盾構的推進，隧道中心線上方的地表沉降點在某時間段內的沉降值呈現出明顯的時間效應。選取隧道中心線正上方的兩個監測點DK14+782與DK14+772，統計從盾構開始影響該測點到盾構通過后該測點完全穩定這個時間段內的每日地表沉降值，得出沉降時間效應曲線(圖3)。

通過表1統計的監測數據及對應的曲線圖對地表沉降的時間效應[2， 3， 9]進行分析得出，盾構法施工的地表沉降按沉降類型可以明顯地分為五個階段：

(1)先行沉降——盾構到達前

根據實際觀測，盾構掘進面距地面觀測點還有約十米的時候，地面沉降開始表現出來。這部分沉降大約占總沉降的5%左右。

(2)開挖面前的沉降或隆起——盾構到達時

當盾構機掘進面距觀測點較近直至開挖面位于觀測點正下方之間，由于土體的應力釋放導致地面沉降。這部分沉降大約占總沉降的5%左右。

(3)推進沉降——盾構通過時

當掘進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，由于盾構推進過程中對土的擾動，使得地面出現第一次急劇沉降。約占總沉降的35%左右。

(4)盾尾空隙沉降——盾構通過后

當盾構機的尾部通過觀測點的正下方時，地表此時出現第二次急劇沉降。其主要是盾尾空隙出現后土體應力釋放所引起的彈塑性變形。約占總沉降的50%左右。

(5)后續沉降——長期

指固結和次固結引起的沉降。地面后期固結變形多數只占地面總變形量的較小部分，約占總沉降的5%左右。

2.2地表沉降的空間效應分析

盾構推進過程中，除隧道中心線上方的地表沉降存在時間效應外，其橫斷面的地表沉降還呈現明顯的空間效應。

選取隧道上方的一個地表橫斷面DK14+552的10個監測點，統計從盾構開始影響該測點到盾構通過后該測點完全穩定這個時間段內的地表沉降值，得出地表沉降時間效應曲線(圖4)。

實際的理論計算通常采用Peck法[2， 3， 9]計算的盾構隧道地面沉降量，計算公式如下式：

式中，V1—地層損失(地表沉降容積)；

i—沉降槽曲線反彎點；

z—隧道中心埋深。

其理論沉陷槽橫向分布見圖5。

實際監測顯示，在隧道中心線正上方的地表沉降最大，達到30mm左右；其沉降曲線的反彎點位于隧道中線兩側7m左右?？傮w來說，根據施工監測值繪出的沉降槽與理論沉降槽十分相近。

3地表沉降地表影響因素分析

地鐵施工引起地表變形的時空演化特性，是非常復雜的多種因素[5， 6， 8]共同作用的結果，如工程設計參數、工程地質參數以及施工參數等。從系統角度上說，所有影響因素構成了系統的輸入變量，工程設計參數、工程地質參數是引起地表變形的內因，地鐵施工參數是引起地表變形的外因。因此，本文在歸納總結已有文獻研究成果的基礎上，從盾構施工引起地表變形的三個層面影響因素進行定性和定量分析，如圖6所示。

3.1工程設計參數影響分析

工程設計參數主要是指與隧道線路設計、管片設計等有關的工程幾何參數。

本工程中盾構隧道采用管片拼裝式單層襯砌，管片外徑6 200mm，內徑5 500mm，厚350mm，環寬1.5m，為固定值，研究意義不大。故下面重點對隧道埋深與盾構施工地表變形特征之間的關系[1， 10]進行了深入研究。

選取該隧道里程DK14+807～DK14+752段的7個監測點，該區域盾構穿越地層均為(3-2a)淤泥質粘土層，且盾構掘進參數變化不大，統計這些點的最終累計沉降。具體數據及曲線圖見表2、圖7。

根據表2及圖7所示：隧道埋深在9～10m范圍內，隧道埋深與地表沉降基本呈線形關系遞增，而當隧道埋深超過10m，地表沉降的變化程度明顯變小，并趨向于穩定，實測數據表明其穩定在18mm左右。

3.2工程地質參數影響分析

工程地質條件[6， 7， 8]與沉降大小密不可分，理論上相對軟弱穩定性差的地層，地表沉降大；而相對堅硬穩定性好的地層，地表沉降小。

由于隧道埋深大于10m時，埋深對地表沉降影響較小，故選取埋深大于10m及施工參數接近的5個沉降監測點，通過加權平均取該處隧道土層的平均粘聚力及平均內摩擦角，統計這些點的最終累計沉降。具體數據及曲線圖見表3、圖8。

根據表3中的數據及關系曲線，從土層粘聚力C及內摩擦角φ兩方面可以看出：隨著土體粘聚力和內摩擦角的增大，最大地表沉降也隨著增加。

3.3施工參數影響分析

盾構施工參數主要是指盾構開挖面壓力參數、盾構排土參數、盾構推進參數、盾構姿態參數和盾構注漿參數等。對于武漢地鐵某盾構隧道工程，采用泥水加壓平衡盾構，施工參數包括切口水壓、送泥流量、排泥流量、送泥相對密度、排泥相對密度、盾構推進速度、刀盤轉速、刀盤每轉切深、刀盤扭矩、盾構千斤頂分組推力、盾構頭尾的中心偏差、轉角和坡度、同步注漿量、同步注漿壓力等。其中，我們對泥水盾構施工的盾構掘進速度[4]、盾構注漿填充率[9]與盾構施工地表變形特征之間的關系進行了深入研究：

(1)盾構推進速度v

由于隧道埋深大于10m時，埋深對地表沉降影響較小，故選取埋深大于10m及同一地層條件下的7個沉降監測點，統計盾構到達該監測點前一天到盾構掘進面通過該監測點后一天時間段內的地表沉降值，并對掘進速度和地表沉降進行對比分析，其關系曲線見圖9。

由上圖可知，盾構推進速度對地表沉降的影響非常顯著。推進速度由15mm/min加快到20mm/min時，地表沉降隨著推進速度的增快而減小；而當掘進速度從20mm/min增加到24mm/min時，地表沉降從2mm左右不到急劇增加到8mm左右；但推進速度達到24mm/min以后，地表沉降量基本在8mm左右波動而不再增加。由此可見，適當的加快推進速度能減小對土體的擾動；而當推進速度過快，地表變形隨之變大；但達到一定的推進速度以后，地表沉降量趨于定值而不再增加。

(2)盾尾空隙填充率

由于隧道埋深大于10m時，埋深對地表沉降影響較小，故選取埋深大于10m及同一地層條件下的7個沉降監測點，統計盾構刀盤到達該監測點前一天到盾尾通過該監測點后一天(即從盾構通過到注漿結束)時間段內的地表沉降值，并對盾尾空隙填充率和地表沉降進行進行對比分析，其關系曲線見圖10。

通過監測數據統計分析可見，地面最大沉降隨注漿填充率的增加而減小，幾乎呈線性關系。這說明盾尾注漿填充率對地面沉降的影響很大。

4結論

本文通過對武漢地鐵二號線某區間隧道盾構法施工過程中的地表沉降的現場監測及分析，得出以下幾點主要結論：

(1)盾構施工引起的地表沉降符合時空效應的規律。且地表沉降由多種因素產生，它既與設計參數(隧道埋深等)、地質情況等客觀因素有關，也與施工參數(掘進速度、盾尾注漿填充率)等主觀因素密切相關。

(2)在各項影響地表沉降大小的因素中，影響較大的因素主要有隧道埋深、地質情況、盾構掘進速度和盾尾注漿填充率。各因素對地表沉降的影響不同，基本呈線性或非線性關系，在具體工程中需要進一步深入分析。

(3)監測結果表明，即便地質及設計各項參數相同，但采用的施工參數不同，相應的地表沉降也會有差異。因此施工過程中盾構參數的優化和調整顯得尤為重要，故在盾構法施工時，應加強監測和信息的反饋，及時調整施工的各項參數。

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Influence Factors of Ground Surface Subsidence Induced by Shield Tunneling in Subway Construction

Liao Lizhao1，Guo Pu2，Yang Jun2

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200092，China;2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Key Words：Shield Tunneling；Subway Construction；Ground Surface Subsidence；Monitoring；Factor

Abstract:Because of its high mechanization，high automation and low-impact to the surrounding buildings and structures，shield tunneling has been widely used in the subway tunnel construction.However，deformation of stratum induced by shield tunneling is prone to cause inclination and even cracking or collapse of surrounding buildings.So there are so many safety risks in the subway tunnel construction that lead to frequent accidents.Based on the site measurement results，this article chooses a certain subway tunnel section of Line No.2 of Wuhan Metro to systematically analyze and summarize the spatial and temporal effects and influence factors of the surface subsidence including the tunnel design parameters，geological conditions and the construction parameters.The research results are helpful to the shield operation parameter optimization and adjustments，controlling and reduction of the safety risks in the construction，and provide a useful reference for similar constructions in the future.

【基金項目】國家自然科學基金“網絡理論的地鐵盾構施工誘發環境風險的時空演化機理與規律研究”(編號：51408245)

【作者簡介】廖利釗(1962-)，男，高級工程師。主要研究方向：地鐵工程風險控制。

【中圖分類號】U455.43;U456.3

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)02-0084-06