盾構(gòu)法施工引起地表沉降的安全監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

摘要：為研究地鐵盾構(gòu)下穿城市地表的變形情況，通過(guò)研究盾構(gòu)法施工引起地表沉降的變形機(jī)理，并結(jié)合長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線的地鐵盾構(gòu)施工的實(shí)例，對(duì)地表進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，分析盾構(gòu)施工對(duì)城市地表沉降影響的變形規(guī)律。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法；安全監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)分析

隨著城市建設(shè)的的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口密度不斷增長(zhǎng)，使得城市用地越來(lái)越緊張，要解決城市建設(shè)與地表空間緊張的矛盾，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，合理開發(fā)利用地下空間已成為一條擴(kuò)大城市容量和功能的有效途徑。地下鐵道具有運(yùn)輸能力大、速度快等特點(diǎn)，尤其在人口密集的大城市，其對(duì)于緩解地面交通壓力有著不可替代的作用，已逐漸成為各大城市的交通骨干[1]。

修建地鐵有明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法等，而盾構(gòu)法卻以其諸多優(yōu)勢(shì)使其得到了廣泛的應(yīng)用。工程實(shí)踐表明，盡管盾構(gòu)法施工隧道技術(shù)已發(fā)展得很成熟，但不可避免地產(chǎn)生對(duì)土體的擾動(dòng)，引發(fā)不同程度的地層位移和變形，通常表現(xiàn)為地表沉降。當(dāng)?shù)貙游灰坪妥冃纬^(guò)一定的限度時(shí)，就會(huì)危及周圍鄰近建筑物及其基礎(chǔ)和地下管線的安全，引起一系列的工程安全問(wèn)題[2]。本文主要針對(duì)地鐵盾構(gòu)法施工引起的地表沉降的變形機(jī)理及變形規(guī)律進(jìn)行研究和探討。

1 盾構(gòu)施工引起的地表變形的過(guò)程

在地鐵隧道盾構(gòu)施工引起地表變形中最有可能出現(xiàn)的就是地表的沉降；通過(guò)結(jié)合大量的工程實(shí)例情況，可以將地表的沉降變化曲線分為五種情況：盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地面變形；盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形；盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的地面變形；盾構(gòu)通過(guò)后的瞬時(shí)地面變形；地表后期固結(jié)變形[3]。各個(gè)階段的變形機(jī)理如下：

1.1 盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形

在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，如果出現(xiàn)開挖面涌水和管片安裝不良的話都有可能導(dǎo)致地下水位的降低；而地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降一般都是由于地下水位的降低而引起的。

1.2 盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地面變形

在盾構(gòu)施工中當(dāng)盾構(gòu)靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生的沉降或者隆起現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)的正面土層壓力偏小而導(dǎo)致的開挖面土層壓力而引起的。

1.3 盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的地面變形

在盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)發(fā)生沉降變形；這主要是由于盾構(gòu)通過(guò)時(shí)破壞了原來(lái)的土體狀況而引起的。

1.4 盾尾通過(guò)后瞬間的地面變形

在盾構(gòu)施工中當(dāng)盾構(gòu)的尾部通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后都監(jiān)測(cè)點(diǎn)都會(huì)發(fā)生沉降的現(xiàn)象，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是盾尾的間隙和周圍的土體引起了彈性變形。

1.5 地表后期固結(jié)沉降

在地鐵隧道盾構(gòu)施工中即使盾構(gòu)通過(guò)了，但是在一段時(shí)間了地表都會(huì)出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是盾構(gòu)對(duì)地基所產(chǎn)生的擾動(dòng)而引起的。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線曲塘東路站工程起始于沙灣公園站，終止于長(zhǎng)沙火車南站。車站起點(diǎn)里程YDK42+678.650，有效站臺(tái)中心里程YDK42+760.000，車站終點(diǎn)里程YDK42+894.500，車站總長(zhǎng)為215.85m，標(biāo)準(zhǔn)的段寬為20.7m，最大的開挖深度為18.164m，在站臺(tái)中心處的覆土厚度設(shè)置約為3m，按明挖順做法施工。其中，盾構(gòu)始發(fā)場(chǎng)地分別是車站南北兩端。

2.2 工程監(jiān)測(cè)方案

2.2.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線曲塘東路站施工盾構(gòu)所下穿的城市道路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是針對(duì)盾構(gòu)下穿城市道路建立的鋼便橋以及與鋼便橋首尾相連的城市道路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)路線的長(zhǎng)度為鋼便橋向兩端延伸一直到跨越變形區(qū)域，關(guān)于監(jiān)測(cè)路線具體跨越變形區(qū)域多遠(yuǎn)，就要根據(jù)曲塘東路站施工場(chǎng)地的水文地質(zhì)以及地形地貌來(lái)確定。

2.2.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線曲塘東路站的施工工程中，由監(jiān)測(cè)的范圍主要在鋼便橋上，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)就布設(shè)在鋼便橋和與鋼便橋首尾相連的城市道路上，而工作基點(diǎn)不能布設(shè)在鋼便橋上。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要是以間隔為5～20m不等的間距進(jìn)行布設(shè)的，測(cè)點(diǎn)在埋設(shè)的時(shí)候必須埋設(shè)在觀測(cè)路線上，而且要彼此平行。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖1所示：

2.2.3監(jiān)測(cè)周期

監(jiān)測(cè)頻率主要是通過(guò)變形體的變形大小、速度以及對(duì)變形體觀測(cè)目的來(lái)確定的。在監(jiān)測(cè)施工中監(jiān)測(cè)頻率的大小可以映出變形體的變形規(guī)律；根據(jù)長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線在曲塘東路站的盾構(gòu)施工的情況來(lái)確定相應(yīng)監(jiān)測(cè)周期。

2.2.4監(jiān)測(cè)方法

1）水平控制測(cè)量。根據(jù)長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線在曲塘東路站施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)情況來(lái)確定二等水準(zhǔn)測(cè)量的路線，然后建立相應(yīng)的水準(zhǔn)控制網(wǎng)；然后根據(jù)城市道路上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)情況，進(jìn)行相應(yīng)的水準(zhǔn)測(cè)量，在水準(zhǔn)測(cè)量中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的記錄和現(xiàn)場(chǎng)的粗計(jì)算。

2）使用儀器。在本次盾構(gòu)施工工程中，所采用的儀器是徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀、銦瓦水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，而且在項(xiàng)目進(jìn)行之前要對(duì)水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢校，并在項(xiàng)目進(jìn)行中進(jìn)行定期的檢校。對(duì)于水準(zhǔn)儀的檢校要求就是水準(zhǔn)儀的i角誤差應(yīng)當(dāng)小于15″，對(duì)銦瓦尺的要求就是分米刻度線與米刻度線的差值應(yīng)當(dāng)小于0.1mm。在水準(zhǔn)儀和銦瓦尺都滿足以上要求的條件下，再利用水準(zhǔn)儀按照《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ82007）的規(guī)定進(jìn)行沉降觀測(cè)；在對(duì)閉合水準(zhǔn)路線觀測(cè)時(shí)，要滿足水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范如表1，在本次實(shí)例中采用的是二等水準(zhǔn)測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)分析與地表沉降規(guī)律

2.3.1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，在曲塘東路站的城市道路上布設(shè)了20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)城市道路的變形情況，便及時(shí)的對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，由于在第一個(gè)周是盾構(gòu)只施工到了JC03和JC08之間所以第一個(gè)周只監(jiān)測(cè)了JC01到JC10這十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下表2所示。

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)可以得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)中JC03在2月4日的沉降量是最大的為4.6mm，是本周十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際施工情況分析，在2月11日這天盾構(gòu)在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC03有27m的地方進(jìn)行施工。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和圖的分析處理可以得到JC03在2月4日后就慢慢的趨近于穩(wěn)定了，而在這天里監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值最小的是JC06沉降值有0.1mm，在2月1日至2月3日里監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC06到監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC10所以的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量都非常之小，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01、JC02、JC03、JC04和JC05這五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2月1日至2月7日這幾天里變形量都較大，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC06、JC07、JC08、JC09和JC10這五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2月4日至2月7日這幾天里變形量都比較小。結(jié)合實(shí)際的盾構(gòu)施工進(jìn)行分析，在2月4日盾構(gòu)還沒(méi)有施工到JC03處，所以在2月1日至2月3日里監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01到監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC05受到的影響較小進(jìn)而它們的變形量都較小。

通過(guò)表3的數(shù)據(jù)反映了，可以知道在十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中JC08在2月11日的沉降量是3.7mm，是本周所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際施工情況分析，在2月11日這天盾構(gòu)在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC08有27m的地方進(jìn)行施工。通過(guò)對(duì)表3的數(shù)據(jù)分析可以得到JC03在2月4日后就慢慢的趨近于穩(wěn)定了，在2月11日以后幾乎不再變化；而在2月11日監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值最小的是JC05、JC016、JC17、JC19和JC20沉降值有0.0mm，在2月8日至2月10日里監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01到監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC05和監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC11到監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC20所以的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量都非常之小，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC06到監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC10在2月8日至2月14日里監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量的較大，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC11到監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC15在2月4日至2月7日這幾天里變形量都較大。結(jié)合實(shí)際的盾構(gòu)施工進(jìn)行分析，在2月11日盾構(gòu)還沒(méi)有施工到JC08處，所以在2月8日至2月10日里除了監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC06、JC07、JC08、JC09和JC10這五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外其他的監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到的影響較小進(jìn)而它們的變形量都較小。

2.3.2 盾構(gòu)下穿城市道路施工地表沉降規(guī)律

通過(guò)對(duì)圖2分析可以得到縱向上監(jiān)測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)施工時(shí)的沉降量變化，在盾構(gòu)施工到距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)接近22.5m的時(shí)候，監(jiān)測(cè)點(diǎn)就會(huì)因?yàn)槭艿蕉軜?gòu)施工的影響而產(chǎn)生沉降，而且在盾構(gòu)推進(jìn)的越來(lái)越接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量就會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)且建立好支護(hù)工程后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)就會(huì)慢慢的穩(wěn)定下來(lái)。

通過(guò)對(duì)以上所以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析可以得到，所以點(diǎn)中沉降量最大的點(diǎn)是JC08沉降值為18.9mm，變形速率為135mm/天；結(jié)合在工程中的實(shí)地勘察情況，城市道路沒(méi)有出現(xiàn)裂縫和空洞等現(xiàn)象，最后在盾構(gòu)施工完成后再以月為周期，每個(gè)月對(duì)城市道路進(jìn)行一次安全監(jiān)測(cè)，最終將所得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)參照規(guī)范《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ82007）的規(guī)定，可以得到長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線在曲塘東路站盾構(gòu)下穿的城市地表是穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

（1）盾構(gòu)施工中盾構(gòu)推進(jìn)距監(jiān)測(cè)點(diǎn)一定的范圍之內(nèi)才會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響。隨著盾構(gòu)沿地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)方向的掘進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量和速度逐漸增大，最大沉降量發(fā)生在盾構(gòu)通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)且支護(hù)工程完成后的一周時(shí)間內(nèi)。而后監(jiān)測(cè)點(diǎn)就會(huì)趨近于穩(wěn)定。

（2）橫向上監(jiān)測(cè)點(diǎn)越靠近盾構(gòu)施工的中心線，沉降量越大。偏離中心線距離越遠(yuǎn)，沉降量越小，在盾構(gòu)施工影響范圍以外的監(jiān)測(cè)點(diǎn)幾乎不會(huì)受到盾構(gòu)施工的影響。

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基金項(xiàng)目：邵陽(yáng)學(xué)院—長(zhǎng)沙理工大學(xué)—中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司測(cè)繪工程類專業(yè)校企合作人才培養(yǎng)示范基地

作者簡(jiǎn)介：王亮（1987），男，漢族，碩士，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事GPS測(cè)量、施工環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理方面的研究。