砂卵石地層地鐵盾構隧道施工地表沉降變化規(guī)律及影響因素

潘 勇，劉玉勇(.中鐵一局集團有限公司，陜西西安 70054；.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 673)

砂卵石地層地鐵盾構隧道施工地表沉降變化規(guī)律及影響因素

潘 勇1，劉玉勇2
(1.中鐵一局集團有限公司，陜西西安 710054；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731)

文章通過分析成都地鐵3號線、7號線區(qū)間盾構隧道的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬計算，研究在砂卵石地層中盾構隧道地表沉降值的分布規(guī)律、盾構隧道掘進的主要影響范圍及盾構掘進參數(shù)總推力、刀盤扭矩、出土量對地表沉降的影響規(guī)律，為盾構隧道施工和監(jiān)測提出建議。

砂卵石地層；地鐵；盾構隧道；地表沉降；監(jiān)測

成都地鐵區(qū)間隧道以盾構法施工為主，而盾構施工所引起的地表沉降會破壞隧道周邊基礎設施的基礎以及地下管線和道路，影響公共設施，造成較大的經(jīng)濟損失，所以研究盾構施工引起的地表沉降變化規(guī)律具有十分重要的意義[1]，而在當前很多學者對地表沉降的規(guī)律也有一定的研究[2-7]。本文主要是分析成都地鐵3號線、7號線的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬來研究在成都砂卵石地層中盾構施工在不同的盾構掘進參數(shù)條件下地表沉降的變化規(guī)律，以期為成都地鐵盾構施工提供參考。

1 工程概況

成都地鐵3號線一期工程土建工程起點為紅牌樓南站，在成都軍區(qū)總醫(yī)院對面設一期工程終點站，共17站16區(qū)間；成都地鐵7號線是一條環(huán)形線路，換乘站點多，位于成都市二、三環(huán)之間居住用地最密集地帶，串聯(lián)了火車北站、成都東客站(沙河堡)、火車南站三大交通樞紐，并與市區(qū)內幾乎所有的軌道交通線有兩次交匯，還將與多條市區(qū)外圍放射狀市域軌道交通線有一次交匯，共25站24區(qū)間，隧道埋深為11～25 m。

盾構區(qū)間穿過地層為砂卵石土地層，其特征為灰褐、黃褐等雜色，潮濕～飽和，松散，卵石約占50%～55 %，粒徑約20～200 mm，夾少量圓礫，余為中、細砂充填。

盾構隧道施工監(jiān)測的地表沉降監(jiān)測測點布設原則：沿隧道走向每5 m布設一個測點，每30 m布設一個橫向監(jiān)測斷面，橫向監(jiān)測斷面內從隧道中線向外每3 m布設一個測點(圖1)。

圖1 地表沉降監(jiān)測點

2 地表沉降累計值的分布規(guī)律

將成都地鐵3號線、7號線的共12 289個測點的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采用兩種方式進行統(tǒng)計：第一種按不同沉降值大小的分布區(qū)間進行分類統(tǒng)計(表1)；第二種按發(fā)生沉降的監(jiān)測測點到隧道中線的距離進行分類統(tǒng)計(表2)。

表1 按地表沉降累計值大小分段統(tǒng)計

表2 按監(jiān)測測點到隧道中線的距離對地表沉降累計值分類統(tǒng)計

備注：距離為12 m、15 m、18 m的測點包括左右線盾構掘進時，先掘進隧道受后掘進隧道的影響。

從表1可以看出，96.5 %的測點地表沉降累計值小于18 mm，在地質情況較差、特殊地段、盾構出渣量超方較大時，地表的沉降將會高于18 mm，此時對周邊環(huán)境會產(chǎn)生一定影響，通過及時預警提醒，施工單位及時加固處理，消除安全隱患，確保周邊環(huán)境安全。

從表2可以看出，扣除左右線隧道距離較近先掘進隧道受后掘進隧道影響的測點，在盾構隧道掘進過程中，地表產(chǎn)生沉降的測點主要分布在距離隧道中線9 m的范圍內，即在砂卵石地層中盾構隧道施工的主要影響區(qū)分布在隧道中線兩側9 m寬的范圍。

3 盾構掘進參數(shù)對地表沉降的影響

3.1 總推力和地表沉降的關系

從圖2可知盾構機總推力增大，地表沉降減小，但總推力也不能太大，否則土體在盾構機擠壓下導致地面隆起產(chǎn)生安全問題。

圖2 總推力與地表沉降的關系曲線

3.2 刀盤扭矩和地表沉降的關系

由圖3可知，刀盤扭矩對于地表沉降有很明顯的影響，刀盤扭矩增大時，地表沉降增大。

圖3 刀盤扭矩與地表沉降的關系曲線

3.3 出土量與隧道中線地表沉降的關系

由圖4可知，盾構機直徑為6 m，不計算松方系數(shù)時每環(huán)進尺1.5 m，體積為42.4 m3，出土量越大超方越多，地層損失也就越大，地表沉降值也越大，嚴重時將出現(xiàn)地表塌陷的險情。

圖4 出土量與隧道中線地表沉降的關系曲線

綜上所述，盾構施工地表沉降的大小取決于隧道的工程地質條件和盾構的掘進參數(shù)，其中盾構的掘進參數(shù)包括刀盤扭矩、總推力、出渣量等，在施工過程中，可以通過調整盾構掘進參數(shù)來控制地表沉降。

4 數(shù)值模擬

模型尺寸及邊界條件：模型寬度x軸方向取10D，掘進方向y軸方向取5D，隧道埋深z軸方向取6D，D為盾構直徑；模型的邊界條件為在x軸上，對模型的右邊界和左邊界施加水平方向的約束；在y軸上，對模型的前邊界和后邊界施加掘進方向的約束；在z軸上，模型頂端為地面，不施加約束，模型底端施加約束[8-11]。采用shell襯砌單元，來模擬管片，并考慮同步注漿的效果，同時在第二步之后考慮漿液硬化的效果，每一步計算收斂后再進行下一步，直到將模型隧道貫通。

材料參數(shù)：盾構區(qū)間支護管片的混凝土等級為C50，厚度30 cm，寬度1.5 m(表3)。

表3 材料參數(shù)

建立模型如圖5所示。

圖5 計算模型

由圖6可知，比較數(shù)值分析的結果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，地表沉降值大小和變化規(guī)律以及盾構隧道施工引起的沉降槽的范圍基本一致。

圖6 模擬計算與現(xiàn)場實測的地表沉降值對比

5 結論及建議

(1)砂卵石地層盾構隧道96.5 %的測點其地表沉降值小于18 mm，施工監(jiān)測預警控制值可設為18 mm。

(2)在成都地鐵3號線、7號線隧道埋深為11～25 m的條件下，砂卵石地層盾構隧道施工的主要影響區(qū)為隧道中線兩側9 m寬的范圍。

(3)盾構總推力增大，地表沉降值會減小，有利于控制地面沉降。

(4)盾構出土量超方越大，地表沉降值越大，嚴重時會出現(xiàn)塌方。

(5)應根據(jù)施工監(jiān)測提供的數(shù)據(jù)及時調整盾構掘進參數(shù)，控制盾構施工過程中產(chǎn)生的地表沉降，做到信息化施工，防止地面塌陷等險情發(fā)生。

[1] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京: 人民交通出版社，2003.

[2] 王夢恕，董新平.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[J].巖石力學與工程學報，2003,22(8)：1297-1301.

[3] 楊洪杰，傅德明，葛修潤.隧道盾構施工地層沉降因素分析[C]//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集，2003: 1346-1350.

[4] 黃宏偉，張冬梅.盾構隧道施工引起的地表沉降及現(xiàn)場監(jiān)控[J].巖石力學與工程學報，2001，20(增刊)：1814-1820.

[5] 劉招偉，王夢恕，董新平.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[J].巖石力學與工程學報，2003,22(8)：1297-1301.

[6] 章慧健, 仇文革.富水砂卵石地層盾構施工地表沉降分析與控制[C]//全國土木工程博士生學術論文, 2009.

[7] 韓煊, 李寧, Jamie R Standing.地鐵隧道施工引起地層位移規(guī)律的探討巖土力學，2007, 28 (3): 609-613.

[8] 劉建航，候學淵.盾構法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[9] 王敏強，陳勝宏.盾構掘進隧道結構三維非線性有限元仿真[J].巖石力學與工程學報，2002,21(2)：228-232.

[10] 張海波，殷宗澤，朱俊高.盾構法隧道施工的精細模擬[J].巖土力學，2005,26(10): 1612-1616.

[11] 朱合花，丁文其，李曉軍.盾構隧道施工力學性態(tài)模擬及工程應用[J].土木工程學報，2000,33(3)：98-103.

潘勇(1980～)，男，本科，工程師，從事長大線路工程測量與控制、研究等方面的工作；劉玉勇(1980～)，男，碩士研究生，高級工程師，從事隧道及地下工程科研、咨詢及監(jiān)測等方面的工作。

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[定稿日期]2016-11-22