富水卵漂石地層盾構隧道地表沉降特征試驗分析

孟慶明+唐黎明+林富志+房師濤

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富水卵漂石地層盾構隧道地表沉降特征試驗分析

孟慶明+唐黎明+林富志+房師濤

摘 要：卵漂石地層周圍巖土介質具有高度非線性的特點，導致盾構施工引起地表沉降規(guī)律與軟土地區(qū)盾構引起的沉降規(guī)律有著明顯不同。文章基于成都地鐵4號線西沿線土壓平衡盾構隧道區(qū)間的地表沉降的實際觀測數(shù)據(jù)，對地表沉降的橫向沉降變形規(guī)律和橫向沉降槽進行分析，對比軟土地區(qū)盾構隧道地表沉降槽特性，分析了卵漂石地層盾構隧道地表沉降曲線，總結了富水卵漂石盾構隧道地表沉降槽窄而深的特點。

關鍵詞：盾構隧道；卵漂石地層；地表沉降；特征分析

孟慶明：中水電成都建設投資有限公司，高級工程師，四川成都610212

0　引言

關于盾構隧道穿越各種地層地表沉降規(guī)律，國內外學者已做了不少有益的探索。如，馮超［2］以黃土地區(qū)某城市地鐵區(qū)間隧道盾構施工工程為依托，通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測的方法，研究了盾構隧道施工時地表沉降的規(guī)律。呂培林［3］基于軟土地區(qū)地鐵隧道地表沉降觀測數(shù)據(jù)，分析了地表沉降發(fā)展的時間歷程、施工各階段沉降量所占比例及地面沉降槽的特征。姜忻良［4］假定由于隧道開挖在地表以下土層所形成的沉降槽的體積等于地層損失，以及各土層沉降槽曲線仍可用正態(tài)分布函數(shù)表示，提出用于計算不同深度土層沉降槽曲線寬度系數(shù)的公式。滕麗［5］、蔡真［6］以成都砂卵石地層土壓平衡盾構掘進施工為研究背景，結合地表觀測數(shù)據(jù)、采用PFC2D 二維顆粒流程序和 Plaxis3D 有限元軟件對盾構施工產生的地表沉降特征進行了數(shù)值模擬，獲得了盾構隧道穿越砂卵石地層的失穩(wěn)機制。王振飛［7］通過對北京富水砂卵石地層泥水盾構隧道施工產生的地表沉降和地下深部土體水平位移的實測值進行分析，得出盾構隧道施工引起地層變形的規(guī)律?？梢?，各位學者研究盾構法施工在軟土中引起的土層移動規(guī)律和地表沉陷的研究較為深入，但針對盾構隧道穿越富水卵漂石地層引起地表的具體沉降特征的研究非常有限。

本文依托成都地鐵4號線西沿線土壓平衡盾構區(qū)間工程，利用地表沉降的實際觀測數(shù)據(jù)，對地表沉降的橫向沉降變形規(guī)律和橫向沉降槽進行分析，通過對比軟土地區(qū)盾構隧道地表沉降槽特性，分析卵漂石地層盾構隧道地表沉降曲線，揭示了富水卵漂石盾構隧道地表沉降槽窄而深的特點，為地表沉降監(jiān)測提供依據(jù)。

1　工程概況

成都地鐵4號線西沿線為連接市區(qū)至西部溫江區(qū)的線路，全長10.8 km，全線共設8站8區(qū)間，盾構區(qū)間6個，盾構隧道長度6.7 km，盾構區(qū)間平面圖如圖1所示。區(qū)間采用海瑞克土壓平衡盾構機施工，螺旋輸送機最大出渣能力400 m3/h，最大通過粒徑340 mm×560 mm，采用正反旋轉，最大扭矩210 kN·m。設置3道閘門以及9個渣土改良注入口，隧道主線最大縱坡25‰，最小曲線半徑為300 m，區(qū)間最小埋深約9.7 m，最大埋深約15.5 m。

根據(jù)地質勘察報告，盾構區(qū)間隧道所穿越的地層以 〈2-9-3〉 卵石土（密實）、〈3-8-3〉 卵石土（密實）為主。區(qū)間地質縱斷面圖見圖2，穿越段由上往下地層的主要物理力學性質指標見表1。地層中漂石含量5%～20%，粒徑一般為20～40 cm，地質勘察探坑所揭露漂石的最大長度為57 cm，最大抗壓強度高達170 MPa，破碎困難。

成都區(qū)間地下水季節(jié)性變化明顯，水位總體規(guī)律是水位西北高、東南低，沿河一帶高，河間階地中部低的特點。地表水以河流為主，地下水主要為第四系孔隙潛水，其補給源主要為大氣降水，測得地下水位埋深一般4.30～15.60 m。

圖1　盾構區(qū)間平面圖

2　地表沉降理論分析

2.1地表沉降因素

結合國內外盾構隧道施工的成功經(jīng)驗，隧道施工應依據(jù)隧道斷面尺寸、隧道埋深和地層特征綜合考慮。研究者們認為造成地表沉降的主要原因是隧道的開挖對地層的擾動，因此，引起的地層損失和受擾動土體重新固結使地層產生移動［9］。其中 Lee 和 Mair 將影響地表沉降原因進行了歸納［10］，總結為如下5個方面：

（1）在降水過程中，地下水位下降，土體有效應力增加，引起土層壓縮變形；

（2）開挖面土體移動，破壞了原來的地層應力平衡狀態(tài)；

（3）注漿不充分或不夠、盾構機殼移動與地層的摩擦和剪切作用、盾構推進方向的改變等造成地層損失；

（4）盾體本身變形或盾構機自身振動導致土體壓密；

（5）隧道襯砌變形，以及長期次固結沉降。

2.2地表沉降變形機理

2.2.1地表沉降橫向變化規(guī)律

隧道開挖引起的地表沉降曲線一般被稱為“沉降槽”，表征了隧道開挖過程中地表位移的形態(tài)。1969年Peck 第一次提出了地層損失的概念，并建議用 Gauss 分布函數(shù)，即 Peck 公式來描述盾構法施工引起的地表沉降［11］。Peck 認為隧道開挖后引起的地面沉降是在不排水條件下發(fā)生的，沉降槽體積等于地層損失的體積，地面沉降橫向分布可采用正態(tài)分布曲線來描述，由式（1）～（4）和圖3表示（圖中 W 沉降槽寬度）：

式（1）、（2）中，x 為距隧道中線的距離，m；Smax為隧道中線處最大地面沉降，m；Vs為盾構隧道單位長度地層損失，m3/m；Sx為距離隧道中線處的地表沉降，m；i 為沉降槽的半寬度，m；r0為盾構機外徑，m；Vl為地層體積損失率；R 為計算半徑，m；φ 為土的內摩擦角，°；Z 為地面距離隧道中心深度，m。

圖2　盾構區(qū)間地質縱斷面圖

表1　地層參數(shù)表

圖3　沉降槽橫向分布圖

2.2.2地表沉降縱向變化規(guī)律

地表沉降縱向規(guī)律既能夠體現(xiàn)開挖區(qū)間的地層情況，也能顯示出對盾構施工的控制水平。大量學者研究表明，地表縱向變形分為5個階段［13］，如圖4所示。有學者認為式（5）的指數(shù)曲線函數(shù)可以模擬隧道軸線地表沉降的歷時關系：

圖4　地表沉降縱向變化歷時曲線

式（5）中，Sy為隧道軸線上的最大沉降值，mm；A、B、y0、S0為回歸參數(shù)；y 為距開挖面的距離，m。

3　卵漂石地層地表沉降特征試驗分析

3.1地表沉降監(jiān)測點布設

土壓平衡盾構穿越成都地區(qū)富水卵漂石地層的地質條件變化多樣，地層巖土的物理力學性質也異常復雜，而前期的地質勘察數(shù)量少、局限性大，因而對地質條件和巖土介質的物理力學性質的認識存在許多不確定性和不完善性。針對本區(qū)間的特殊地段，進行必要的施工監(jiān)測是保障施工順利開展，避免重大安全事故的前提，監(jiān)測內容主要包括：地表沉降、鄰近建筑物、構筑物的沉降與傾斜、外表觀測、各聯(lián)絡橫通道施工監(jiān)測。而隧道軸線地表沉降量可以反映盾構施工參數(shù)配置是否合理，隧道軸線的地表沉降監(jiān)測顯得尤其重要。本工程根據(jù)國家相關的地下鐵道、軌道交通工程測量規(guī)范開展監(jiān)測工作，考慮盾構始發(fā)區(qū)段的特殊性，橫向沉降監(jiān)測斷面在盾構始發(fā)100 m 內均勻設10個，間隔為10 m，隧道軸線上方其他地區(qū)隔30 m 設1處橫向監(jiān)測斷面；每個橫斷面7點，隧道軸線上方設1監(jiān)測點4，監(jiān)測點4左右各設置間距為3 m 的監(jiān)測點3和5，監(jiān)測點3的右方設置間距為3.5 m 的監(jiān)測點1和2，監(jiān)測點5的左方設置間距為3.5 m 的監(jiān)測點6和7，監(jiān)測點布設如圖5所示。

圖5　隧道斷面地表變形監(jiān)測點布置圖（單位：m）

3.2地表沉降橫向變化特征分析

橫向地表沉降因離隧道掘進軸線遠近不同而存在較大差異，當盾構未掘進至監(jiān)測斷面下方的開挖面時，地表存在略微隆起現(xiàn)象，原因是后方盾構機向開挖面掘進時，盾構機產生的頂推力使得前方地表出現(xiàn)隆起；當盾構抵達開挖面時，地表沉降開始逐漸發(fā)展，待盾構通過開挖面后，土體之間的黏聚力和相互作用力減小，隧道掘進引起的滯后沉降明顯，沉降值有較大變化；之后沉降值仍舊持續(xù)變化，但變化幅度較小，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本工程選取了 DB19988監(jiān)測斷面作為代表，土壓平衡盾構隧道穿越富水卵漂石地層隧道軸線上方橫向地表沉降歷程如圖6所示。

由圖6可見，盾構掘進后15天地表沉降最大值為21.32mm，出現(xiàn)在隧道軸線上方，沉降主要分布在隧道軸線2D（D 為隧道直徑）范圍內，沉降槽曲線非對稱，與地層分布的不均勻性有關。

利用 Peck 公式擬合盾構掘進后15天的數(shù)據(jù)，地層損失率為0.5%，沉降槽寬度參數(shù)0.2，擬合的結果顯示在距離隧道軸線1D 左右的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本相符，沉降槽具有窄而深的特點，距離隧道軸線1D～2D 之間的擬合沉降值小于實際監(jiān)測值，如圖7所示。

3.3地表沉降縱向變化特征分析

縱向地表沉降可以明顯反應出土壓平衡盾構隧道穿越富水卵漂石地層地表沉降的變化特征，對本工程DB19988斷面沉降點的縱向沉降歷程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)位于隧道軸線上方的測點4的累計沉降值最大，離隧道軸線越遠測點的累計沉降值依次呈減小的趨勢，與地表橫向沉降槽特征相符。距離開挖面距離為0 m 時，累計沉降陡增，在距離開挖面0～10 m 之間累計沉降增加最為明顯。DB19988斷面測點縱向沉降歷程如圖8所示。

同時，對 DB19988斷面正上方地面縱向沉降曲線進行了擬合，如圖9所示，結合式（5），利用非線性最小二乘法進行回歸分析，可得到適應本工程及成都地區(qū)富水卵漂石地層條件下的盾構隧道施工工藝參數(shù)的具體取值范圍：A = -13～-21 mm，B =0.04～0.08，S0= -2～-7 mm，y0=0～10 m。

圖6　DB19988斷面處地表橫向沉降槽發(fā)展歷程

圖7　盾構通過后DB19988地表沉降變形槽

圖8　DB19988斷面測點縱向沉降歷程

圖9　DB19988斷面正上方地面縱向沉降歷程擬合曲線

3.4地表沉降歷程

根據(jù)一般的盾構隧道施工經(jīng)驗，盾構掘進后的滯后沉降將占地表總沉降的25%～40%［14］，而通過對本工程地表沉降觀測數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)其滯后沉降量所占比例較其他地層隧道掘進產生的地表沉降大，其中滯后沉降的沉降量占到了69.75%。由于滯后沉降至今仍然沒有結束，本工程中滯后沉降占最終總沉降量的比例應該更大。盾構推進各階段地表沉降占目前總沉降比例如表2所示。

4　結論

本文通過對富水卵漂石地層土壓平衡盾構地表沉降數(shù)據(jù)進行對比分析，結合地表沉降理論，從橫向、縱向地表沉降特征入手，研究了地表沉降歷程，并探討了縱向沉降理論曲線的范圍取值。研究表明：

（1）盾構隧道掘進過程中，富水卵漂石地層的地表沉降仍可分為5個階段，盾構通過后的滯后沉降最大；

表2　各階段地表沉降占總沉降比例

（2）隧道橫斷面影響范圍為2D；

（3）盾構穿越富水卵漂石地層時地表沉降槽呈現(xiàn)窄而深的特點，Peck 公式可以擬合富水卵漂石地層盾構隧道施工引起的地表沉降槽曲線；

（4）盾構掘進引起的地表縱向變化經(jīng)歷4個階段：微小變形—變形急劇增大—緩慢變形—變形基本趨于穩(wěn)定，建議在施工期間加強監(jiān)測；

（5）富水卵漂石地層地表監(jiān)測預警值、報警值的上限應當根據(jù)工程性質確定，避免使用常規(guī)軟土地區(qū)沉降規(guī)范標準致使施工過程中經(jīng)常暫停施工，減少因為停機造成地表坍塌影響施工過程。

參考文獻

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責任編輯 朱開明

Test and Analysis of Ground Surface Settlement Characteristics under Shield Tunneling of Rich Water Content Cobble Stratum

Meng Qingming, Tang Liming, Lin Fuzhi, et al.

Abstract:The cobble stratum surrounding rock and soil has highly nonlinear characteristics, leading to a markedly difference of surface subsidence patterns in shield tunneling and settlement patterns caused by shield excavation in soft soil area. Based on the actual observation data of ground surface settlement along the line in the west of the earth pressure balance shield tunneling of Chengdu metro line4, the paper makes analysis on the surface settlement of transverse settlement deformation pattern and transverse settlement trough and comparison of ground surface settlement slot characteristics by shield tunneling in soft soil area, ground surface settlement curve by shield tunneling in cobble stratum, and it summarizes the characteristics of ground surface settlement with narrow and deep trough in rich water content cobble by shield tunneling.

Keywords:shield tunnel, cobble stratum, surface settlement, analysis on characteristics

中圖分類號：U231.3

收稿日期2016-01-20