地鐵盾構掘進地層沉降遮攔疊交效應探析

曹勇

（中國鐵建十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

地鐵盾構掘進地層沉降遮攔疊交效應探析

曹勇

（中國鐵建十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

隨著時代的發展和社會經濟的進步，我國的地鐵數量越來越多。在地鐵隧道的施工中，非常重要的一種施工方法就是盾構法，城市地鐵盾構隧道近接施工會引起復雜的地層效應，盾構隧道施工時，中間土體的變化規律是地層效應的研究重點，對于地面沉降的控制具有重要意義。本文主要探析地鐵盾構掘進地層沉降遮攔疊交效應，為合理制定施工場地存在復雜建（構）筑物工況條件的地鐵隧道開挖對周圍環境保護措施提供一定的理論依據。

地鐵；盾構掘進；地層沉降；遮攔疊交效應

1 引言

隨著我國社會經濟的高速發展，城市化進程不斷加劇，城市發展與土地資源短缺之間的矛盾日益突出，城市地下空間資源的開發和利用成為社會可持續發展的重要方向之一。地鐵隧道施工誘發的土體沉降以及臨近地下構筑物變形是我國城市軌道交通施工安全控制和風險評估中較為關心的一類施工問題，對此國內目前尚沒有明確的獨立學科歸屬，一般將其歸于地下工程施工力學的研究范疇，本文采用簡化理論方法、三維有限元數值模擬方法以及現場監測方法。我國在近些年內，對此做了深入的研究，但是因為地質條件總是特別的復雜，并且施工參數也是不斷的變化，所以在一定程度上制約了研究的成效。加之，目前在多數城市地鐵隧道施工中，施工場地地下環境較為復雜，施工盾構往往不可避免地疊交穿越或繞行既有地下構筑物。因此，較為準確地預測復雜遮攔疊交效應下地鐵盾構掘進引起的地層沉降并制定相應的工程保護措施是當前亟待解決的一大問題。目前，針對該領域地層沉降的簡化理論研究還僅僅針對自由位移場，沒有考慮臨近既有構筑物的遮攔效應影響。

2 工程簡介

廣州地鐵六號線某區間遂道是雙線隧道，覆土厚度在10～25m之間；地面以下3.0m左右含有地下水，施工采用的盾構機是德國生產的。盾構區間屬珠江三角洲平原，沿線道路交通繁忙，為密集的建筑物、高架橋樁基區，地下管線密布。為確保工程本身及周邊環境的安全，設計采用土壓平衡盾構機進行施工，利用鋼筋混凝土管片襯砌隧道內襯，保證一次成型，按照一定的原則來進行管片的拼接，將膨脹膠止水條應用到管片接縫。盾構隧道區間起止里程：Y（Z）DK12+811.839～YDK13+792.069（ZDK13+793.027）。右線長度為980.230m，左線長度為981.188m，隧道全長1961.418m。

該設計區間合設一座聯絡通道及崩間，區間隧道配備兩臺國產“863”?6340mm土壓平衡盾構（如圖1所示）進行同向掘進，該盾構平衡機為加泥土壓平衡式，平衡壓力的設定更加符合實際工程的情況。盾構隧道襯砌外徑6000mm，內徑5400mm，管片寬度1200mm，厚度300mm，每環6片錯縫拼裝，襯砌環采用通用環的組合形式。盾構區間主要穿越紅層中等風化帶和紅層微風化帶，計算范圍地層相關參數見表1。

圖1 土壓盾構機平衡圖

表1 九三范圍底層相關參數

3 現場監測的結果與分析

對于大多集中于施工盾構平行或同時下穿臨近隧道的施工工況，主要采用了有限元數值模擬方法進行了計算理論研究，而針對多線盾構復雜疊交穿越運營地鐵隧道的變形規律及其施工對策的研究成果還不多見。在施工過程中，需要將地表測點合理地布設于左右線隧道上方地表中，一般來說，隨著上線隧道的開挖，巖柱在豎直方向不斷向上移動，同時所取點也沿隧道前進方向移動。同時，隨著上線隧道的開挖，該點在水平方向的位移增大（土體向右移動），可以將橫斷面布設于左右線的地面環境中，要選擇合適的位置，兩個橫斷面之間的距離一般保持在30m左右，對盾構機掘進所導致的沉降坡度以及其他的影響等進行觀測和調查，在5m范圍內變化較快，當上線隧道開挖過該點后，位移減小（土體向左移動），最終趨于穩定。

4 地鐵盾構掘進地層沉降遮攔疊交效應探析

4.1 遣攔效應下隧道施工引起土體沉降分析

結合廣州地鐵5號線隧道工程，采用MIDAS（GTS）有限元軟件開展數值分析，對近接施工的三種形態，即水平、斜45°平行和重疊進行了有限元模擬。在本文研究中，采用隨機介質理論針對遮攔效應條件下的隧道施工引起的周圍土體沉降進行研究。以廣州地鐵6號線下行線盾構施工為例，假定坐標原點在地表，盾構開挖斷面區域為，隧道管片拼裝完成后，開挖斷面收縮，此時區域變化為ù。模型邊界條件嚴格按照隧道力學分析結果，其橫向邊界到隧道邊界的距離約3～5倍洞徑，垂直方向上，模型下邊界到隧道底部邊界的距離大于3倍洞徑，向上取至地表。在具體分析時，選定一組初始參數值，應用Powell優化方法，迅速自動搜索一組參數，使得目標函數滿足精度要求。

4.2 地表沉降監測

針對本文涉及的軌道交通項目，為進行參數優化反分析，選取廣州地鐵6號線上行線盾構正式疊交穿越既有構筑物工況之前進行地表沉降監測。通過調查發現，隧道上覆地層有著很多的地質種類，比如人工填土層、淤泥及淤泥質土層、殘積土層以及巖石全風化帶等等，通過一段時期的觀測，地表沉降監測的結果主要有以下幾點：①上下重疊段隨著上線隧道的開挖，巖柱在豎直方向不斷向上移動，同時所取點也沿隧道前進方向移動。當掌子面開挖過該點后，該點向上移動，同時沿隧道前進方向反向移動；②地質條件會在很大程度上影響到沉降的大小，如果地層相對比較軟弱，并且沒有較好的穩定性，那么就會有較大的地表沉降；③由于優化算法中選取了現場監測值，使得主要影響角參數a體現了臨近既有構筑物對土體位移場的遮攔效應影響；④盾構施工完成后，地表沉降曲線圖與Peck提出的盾構施工引起地面橫向沉降槽公式計算出的結果基本一致，最大沉降量出現在盾構施工隧道的正上方，且隧道完工后地表沉降基本上是兩次盾構施工引起的地表沉降之和；⑤隨著隧道結構剛度的增大，遮攔效應影響程度隨之增大，而盾構施工誘發的地層沉降值則顯著減小；⑥對于橫向地表沉降，地層條件對盾構掘進對地層影響程度起決定性作用，如果地層有著良好的自穩性，那么地表就不會受到盾構掘進十分大的影響。

4.3 地鐵盾構掘進地層沉降遮攔疊交效應探析總結

近距離交疊隧道施工會引起變化復雜的地層效應，相互影響顯著。交疊隧道多作為城市軌道交通設施出現在人口稠密的城市，埋深一般在10～20m，屬淺理隧道，研究的首要問題便是如何正確理解和評估兩隧道的相互作用，同時充分考慮既有構筑物帶來的遮攔效應。本文通過對地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降的分析，可以得出這些結論：①通過分析我們可以發現造成地表沉降的主要因素是初始應力狀態改變造成的土層變形、地層損失等等；②漿液質量也是影響地表變形的重要因素之一，為了更好地控制地面沉降以及既有運營隧道變形，采用壓注大比重單液漿的同步注漿系統；③采用Powell優化方法進行施工場地位移反分析來確定隧道開挖變形主要影響角a，可以充分體現臨近既有構筑物遮攔效應對盾構施工的影響。

5 結語

綜上所述，盾構法施工會影響到環境，并且還會引起地表的沉降，那么就需要加強監測，依據反饋的信息來對施工方案進行及時的調整。本文依托廣州軌道交通6號線北段二期施工工程，提出了復雜遮攔疊交效應下地鐵盾構掘進引起地層位移以及既有構筑物影響的簡化理論分析方法。

[1]張治國.遮攔疊交效應下地鐵盾構掘進引起地層沉降分析[J].巖石力學與工程學報，2013（9）：58～64.

[2]吳張中.地鐵隧道盾構施工地表沉降的預測分析[J].路基工程，2012（4）：23～24.

U455.43

A

1004-7344（2016）03-0125-02

2016-1-11

曹勇（1979-），男，工程師，本科，2002年畢業于西南交通大學，機械工程及自動化專業，主要從事地鐵車站及盾構隧道施工管理工作。