R/S分析法在盾構下穿機場過程中的地表變形規律研究

張偉森,吳大勇

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司,北京 100018 )

隨著盾構工法在市政工程中的應用，遇到的工程問題也日益突出，其中，盾構穿越既有建筑物就是盾構施工過程中的重大難題之一[1-2]，尤其當盾構隧道下穿既有建筑物是機場時，鑒于機場安全運營的重要性，必須深入研究。許多學者也在盾構穿越機場等重要建筑物方面進行了研究，如周松等[3]通過分析盾構下穿機場的風險，提出了相應的控制措施，并對現場監測方案及手段等進行了詳述，為類似工程提供了借鑒；譚忠盛等[4]研究了大斷面淺埋隧道穿越首都機場過程中的控制技術，通過優化施工工藝和參數，有效降低了施工風險，解決了沉降控制的難題；李興高等[5]將超長管幕的施工方法引入到盾構下穿機場跑道的施工控制過程中，根據跑道的變形監測，得出變形值均在允許范圍內，實踐證明了該方法在盾構下穿機場過程中切實可行；郭玉海等[6]、彭華等[7]則對盾構穿越機場輕軌高架的風險控制進行了研究，通過結合以往經驗、數值模擬和工程信息反饋等，總結出了合理的推進參數，為類似工程提供了理論依據與實踐借鑒。上述研究雖取得了一定的成果，但多是偏重于研究盾構下穿機場過程中的施工控制，缺少對變形規律的分析。因此，本文以盾構下穿機場實例為工程背景，在分析施工風險的基礎上，提出了相應的控制措施，并基于現場變形監測數據，分析了機場地面沉降的變形規律，且將R/S分析法引入到機場地面沉降變形的發展趨勢研究中，為及時調控施工參數提供依據。

1 工程概況

1.1 工程簡介

圖1 盾構穿越機場平面示意

穗莞深城際軌道交通線下穿深圳機場，所處區間為深圳機場北站—深圳機場站區間，埋深11～22 m，該線路最大縱坡30‰，最大平曲線半徑1 100 m。在經過半徑1 100 m的“S”形反彎段后，在DK81+320～DK82+930段下穿機場飛行區(長度約1 600 m)，在下穿機場飛行區段范圍內設計有冷凍法加固、礦山法開挖的聯絡通道3處。隧道在DK81+320～DK81+700段下穿深圳機場一、二跑道間的垂直聯絡道(含中部7段、累計總長度約180 m草坪)，在DK81+700～DK82+930穿T3航站樓西側滑行道以及機坪，穿越區段的平面示意如圖1所示。同時，盾構機類型為ZTE8800土壓平衡盾構機，推進方向為從機場北站南北兩端始發，均采用盾構法施工，盾構段采用單層襯砌、平板型管片；管片外徑8.5 m，內徑7.7 m，管片環寬1.6 m；采用通用楔形環，雙面楔形，楔形量46 mm；管片采用1+6的分塊模式，錯縫拼裝，且管片采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗滲等級P12。根據管片接縫防水設計方案，接縫外側設置1道彈性密封墊，并在管片內側預留嵌縫槽。在管片接觸面不設凹凸榫槽，在縱縫上設置定位棒。考慮抗震和列車振動等要求，接縫均采用斜螺栓連接。環間采用19顆M30縱向斜螺栓連接，每環內采用14顆M30環向斜螺栓連接，使縱縫成為具有一定抗彎剛度的彈性鉸，螺栓機械強度等級均采用6.8級。

1.2 工程地質條件

盾構穿越段上覆層主要為填土、填砂、淤泥、淤泥質黏土、粉質黏土等，多為松土，部分地段地層呈振動液化狀；下伏主要為全風化花崗巖(硬土)、強風化花崗巖(軟巖)，且隧道埋深區段主要分布為粉質黏土、全風化花崗巖和中砂。根據現場勘查資料，將區內的工程地質條件沿縱向的分布特征進行統計，如表1所示，并將各土層的基本特征分述如下。

表1 穿越區段土體相關參數

粉質黏土：該地層在區內大部分地段均有分布，顏色多呈褐黃色、淺灰色和褐紅色，狀態為硬塑和局部可塑，且以粉、黏粒為主，由混合花崗巖、花崗巖風化殘積而成。

淤泥質黏土、沙土：該地層顏色多呈深灰～灰黑色，飽和度較高，狀態為流塑和軟塑，呈層狀或透鏡體狀構造。

中砂：該地層在區內部分地段有分布，顏色為淺灰或灰黃色，飽和度較高，密實度松散～稍密，成分以石英為主，分選性較好，呈透鏡體狀構造。

全風化花崗巖：該地層呈褐黃色，巖芯呈堅硬砂土狀或半巖半土狀，石英含量高達65%～70%，其余礦物均已風化成粉質黏土等，手掰易碎，浸水易崩解，層狀構造，埋深及厚度變化較大。

1.3 水文地質條件

場地主要位于海陸交互層沖積平原區，地下水埋深較淺，水位相對較穩定，地表水多以降雨進行補給，而地下水則主要以降雨補給及地表水側向補給為主，將區內地表水和地下水的基本情況分述如下。

(1)地表水

區內及其附近的地表水系較為發育，常見河涌及水塘，但水深一般不深，且受海水潮汐影響，地表水體的咸化較為嚴重，潮差多在1～1.5 m。

(2)地下水

根據區內地下水的賦存情況，可將地下水分為孔隙潛水和基巖裂隙水，其基本特征分述如下。

孔隙潛水：主要含水層為砂土層，區內呈帶狀分布，厚度多在0.50～3.50 m，該層土體的透水性及富水性均較好，且具有一定的承壓性；次要含水層為淤泥質土層，成分以黏粒為主，在場地內廣泛分布，具有厚度大、孔隙比大和含水量高等特點。

基巖裂隙水：區內下伏基巖以花崗巖、混合花崗巖及片巖為主，巖石的節理裂隙發育，該類地下水主要賦存在強風化～中等風化帶中，具有徑流條件好、地下水量大和分布不均勻等特點。

2 盾構穿越機場的風險及控制

2.1 風險分析

由于盾構下穿機場，近接施工對象的重要性等級較高，將施工過程中存在的主要風險分析如下。

(1)覆土較淺。隧道穿越機場段的隧道埋深在11～22 m，整體埋深一般，局部較淺，而盾構外徑為8.5 m，使得施工過程中，易誘發地表沉降或冒漿等問題。

(2)穿越段土層條件較差。隧道埋深區段主要分布為粉質黏土、全風化花崗巖和中砂，可塑性較強，在盾構施工的擾動下，易造成土體結構的破壞，且在盾構推進的動力作用下，部分地區的土層具有出現振動液化的風險。

(3)沉降控制要求高。由于盾構隧道是下穿機場，為保證機場后期的正常運營，對施工產生的沉降控制標準要求較高，且由于地質條件的不均勻性和施工擾動的不確定性，給施工過程中的沉降控制增加了難度。

(4)施工環境復雜。由于機場內管線眾多，且管線埋深較淺，開挖易造成地層移位，管線變形超標風險大。

(5)測量過程困難。由于機場出入要求控制較高，監測人員不能隨時進入停機坪和滑行道，因此及時準確地采集數據是監測的難點；同時，由于盾構區間下穿的機場飛行區的特殊性，每周只能在機場方指定的特定時間段，進入到指定的位置巡視。

2.2 風險控制措施

為保證盾構的正常推進及機場后期運營的安全，采取了如下措施以克服上述可能的風險。

(1)現場推進試驗。為確定盾構掘進姿態、出土量、同步注漿和二次注漿質量等關鍵參數，選擇DK80+915～DK81+115里程段(長度200 m，合計125環)作為掘進試驗段，該里程范圍的隧道埋深、地質條件、水文條件與機場飛行區段基本一致，且試驗段完成時正好進入停機檢修區域。通過調節試驗段施工參數并結合現場監測成果，分析盾構施工參數與地表沉降變形間的關系，初步確定飛行區穿越段的推進參數。

(2)施工控制措施。建立盾構推進管理領導小組，全面負責施工過程中的所有問題；加強對盾構操作人員的培訓，嚴格保證盾構使用期的維護；嚴格控制盾構推進中的姿態，保證實際軸線同設計軸線的偏差量小于±70 mm，且每次糾偏量不大于5 mm；根據監測數據及時進行二次補漿等。

(3)應急處理措施。在穿越飛行區期間，成立應急組織領導小組，全面負責處理穿越過程中遇到的突發事件，并健全特殊情況的響應流程，避免錯過最佳的處理時機；明確相應突發事件的應急措施及準備，以便最快時間內進行處理。

(4)現場系統控制。由于盾構穿越飛行區段的土體具有高孔隙度、高壓縮性、高富水性、低透水性和富含有機質等特征，以及觸變性、流變性等工程性能，使得盾構穿越時易發生較大的地表沉降，從而影響飛行安全。因此，為保證機場的正常安全運營，實時掌握盾構推進過程中的變形情況，在盾構推進過程中，建立了系統的監測方案，監測等級為一級。考慮到機場地表沉降控制的重要性和篇幅限制，本文僅對盾構穿越機場段的地表沉降進行介紹和分析。在機場地面沉降的監測中，每個斷面共計布設13個監測點，斷面間距25 m，各監測點的斷面布置如圖2所示，且為保證監測數據精度，采用高精度徠卡全站儀(精度0.5″)進行監測。同時，結合《城市軌道交通工程監測技術規范》和場地的重要性共同確定不同階段的預警值和控制值，盾構穿越機場段的地表沉降變形控制分為兩階段：①施工期間的預警值和控制值分別為12 mm和15 mm；②施工過后的預警值和控制值分別為16 mm和20 mm。

3. 監測數據分析

盾構施工過程中的變形規律研究具有極其重要的必要性[8-10]，能評價上述盾構穿越機場過程中控制措施的有效性，考慮到機場地表變形控制對機場后期運營的重要性，再對盾構穿越機場過程中的地表變形數據進行規律性分析，且由于左線為先行洞，因此將分析順序定為先左洞，后右洞。同時，在監測過程中，監測頻率為1次/d，共計收集36 d的監測數據。

3.1 變形規律分析

(1)左線變形規律

在左線的變形規律研究中，選取ZDK81+255斷面中沉降量最大的9號和11號測點進行分析研究，兩測點的監測起止時間分別為2016年10月26日和2016年12月1日，變形時程曲線如圖3所示。從圖3可以得出，9號和11號測點的變形趨勢基本相當，具有前期波動性強、中期加速沉降和后期沉降減弱的特征，分析其原因：在前期，由于盾構掌子面未到達監測斷面，使得監測斷面下部土體處于相對擠壓狀態，擠壓程度與盾構機的推力相關，進而波動性強；在中期，由于盾構穿越監測斷面，對斷面下部土體的擾動較大，伴隨超靜孔隙水壓力的消散，使得監測斷面出現了加速沉降的特征；在后期，結合工程施工過程，主要是由于二次注漿，一定程度上補充了地層損失，使得沉降變形減弱。

(2)右線變形規律

為對比左線的變形特征，在右線的變形特征分析中，也對YDK81+255斷面沉降量最大的兩個監測點進行研究，監測的起止時間分別為2016年12月9日和2017年1月15日，該兩監測點分別為5號和7號監測點，其變形時程曲線如圖4所示。

由圖4可知，5號和7號監測點的變形趨勢也基本相當，且與左線兩測點的變化趨勢相似，但右線的加速沉降階段相對更早，說明先行洞的施工擾動能加速后行洞的沉降變形。

根據前述分析及相關文獻[11-13]的研究成果，得出盾構斷面各監測點的沉降具有對稱規律。兩斷面沉降量拋物線擬合結果如表2所示。由表2可知，兩斷面的擬合精度均不高，也進一步說明盾構穿越飛行區段的地面沉降變形具有較強的波動性。同時，左線斷面對稱測點均近似為8號監測點，而右線斷面的對稱節點為11號監測點。

表2 沉降量拋物線擬合結果

綜合上述分析，左、右兩線各斷面的沉降量均較小，未超過沉降控制值，說明了施工過程中的風險控制措施較為有效，達到了預期效果。

3.2 變形趨勢研究

上述監測數據的分析能即時反映盾構施工對地表變形的影響，但地表變形的發展趨勢仍需進一步研究，以便掌握地表變形的發展規律，進而指導后期施工。因此，將R/S分析法引入到盾構穿越飛行區段地表沉降變形趨勢的研究中。

R/S分析首先由Hurst將其應用于尼羅河的水文分析中，可對時間序列的長期相關性及分形特征進行判斷，進而確定時間序列的趨勢性，將其基本原理詳述如下[14-15]。

若將隧道的時間序列表示為{Ni}(i=1，2，…N)，將其劃分為A個長為n的子序列，設定每個子序列為Ia(a=1，2，…，A)，且子序列中的每個元素可表示為Nk，a，則子序列Ia的平均值表示為

(1)

式中，ea為子序列的均值。

根據子序列的基本元素和均值，計算各子序列的累計離差，即

(2)

進一步計算得到每個子序列的極差

(3)

同時，每個子序列的標準差為

(4)

經過前述對極差和標準差的求解，可得到各子序列的重標極差為

(5)

對于特定n值時，可將其重標極差的均值表示為

(6)

當n值不同時，可以得到多個(n，(R/S)n)散點，且根據Mandelbrot的研究成果，lgn和lg(R/S)n之間存在線性關系

lg(R/S)n=lgC+H·lgn

(7)

式中，H為Hurst指數；C為常數。

根據Matlab的cftool工具箱，對若干(n，(R/S)n)散點進行最小二乘擬合，以得到Hurst指數，進而判斷隧道的變形趨勢。

在Hurst指數的評價過程中，其值一般在0～1，若未在該區間，說明計算過程無效。當0.5

為衡量時間序列的長期記憶性和相關性，引入CM統計量，即

CM=22H-1-1

(8)

當CM統計量大于0時，序列呈正相關；當CM統計量小于0時，序列呈負相關。同時，CM統計量的絕對值越小，說明相關性越弱，時間序列的長期記憶性越差。

另外，為評價求解過程中的擬合效果，確定了3個擬合精度評價指標，即擬合度、SSE(誤差平方和)和RMSE(均方根誤差)，且上述3個指標能從cftool工具箱中直接計算得出。

為與上節中的變形規律分析結果進行對比，在地表沉降變形趨勢的研究中，選擇對左線9號和11號監測點、右線5號和7號監測點的位移序列和速率序列進行R/S分析。根據計算結果，對不同監測點的擬合曲線進行統計，見表3。

表3 R/S分析擬合曲線統計

(1)沉降變形趨勢的總體分析

在左線沉降變形趨勢的分析中，分析數據來源于ZDK81+255斷面的9號和11號監測點，結果統計如表4所示。根據表4，得到兩監測點在不同序列處的Hurst指數均大于0.5，且均以位移序列的Hurst指數值相對更大，說明9號和11號監測點的變形趨勢具有正向持續性，即將持續保持沉降減弱的趨勢，且位移序列的趨勢性更強；在時間序列的相關性評價中，各序列的相關性均呈正相關，但位移序列的相關性明顯大于速率序列的相關性，說明位移序列較速率序列具有相對更強的長期記憶性；在擬合精度的評價方面，各序列的擬合度均趨于1，SSE和RMSE值均較小，說明9號和11號監測點的R/S分析具有較好的擬合精度，結果的可靠性較高。

表4 左線R/S分析參數統計

類比左線的分析過程，右線也分別對5號和7號監測點的位移序列和速率序列進行R/S分析，相關參數的統計結果如表5所示。由表5可知，5號和7號監測點的Hurst指數值也都大于0.5，均得出兩監測點的沉降變形將保持持續減弱的趨勢；在相關性分析及精度評價方面，右線兩監測點的統計結果與左線兩監測點的統計結果類似，均具有正相關、高擬合精度等特點。

表5 右線R/S分析參數統計

綜上，得出在DK81+255斷面處沉降變形趨勢的一致性較好，均表現為沉降減弱，且為進一步分析各監測段在不同監測時段的變形趨勢性，再對各監測點不同累加遞增時段和等維時段的變形趨勢進行分析；同時，由于位移序列較速率序列具有相對更高的相關性和長期記憶性，在各監測點的階段性趨勢判斷中，均已位移序列進行計算評價。

(2)累加遞增時段的沉降變形趨勢分析

累加遞增時段指的是保留前一階段的監測數據，并將評價時段的監測數據累加到前一時段。由于監測樣本數據共計36個，將評價時段分為3個，即1～12周期(前期)、1～24周期(中期)和1～36周期(后期)，結果統計如表6、表7所示。由表6可知，9號和11號監測點的Hurst指數值均是隨監測時間的持續而增加，且中期較前期的增加幅度較大；同時，各階段的擬合度較高，僅在11號監測點前期的擬合效果相對較差。由表7可知，5號和7號監測點的Hurst指數隨時間的變化較前兩監測點的特征具有一定的差異，表現為隨監測時間的持續，Hurst指數值先增加后減小，且中期增加的幅度遠大于后期減小的幅度，說明該斷面在右線施工過程中，沉降變形的趨勢性以中期最強，后期有所減弱。

表6 左線遞增時段評價過程的參數統計

表7 右線遞增時段評價過程的參數統計

(3)等維時段的沉降變形趨勢分析

等維時段指的是將36個監測周期等分為3個階段，即1～12周期(前期)、12～24周期(中期)和24～36周期(后期)，相應的參數統計如表8、表9所示。從表8和表9可知，在等維階段的分析過程中，左、右線在該斷面處的趨勢性均表現為隨監測時間的持續，趨勢性先增加后減小，以中期的Hurst指數值最大，且擬合度也均較高，說明統計結果的可信度好。

表8 左線等維時段評價過程的參數統計

表9 右線等維時段評價過程的參數統計

對比不同時段的分析結果，得出左線遞增時段和等維時段的規律性具有一定的差異，而右線在兩時段的規律性相當，說明采用不同時段的分析結果存在一定的差異。為綜合考慮兩時段的分析結果，建議在實際工程應用中，以兩者評價的均值作為對應時段變形趨勢分析的依據。

4 結論

基于對盾構穿越機場段的地表沉降規律分析，可得到如下結論。

(1)通過施工準備前期的風險分析，能有效掌握穿越過程中的風險源，并針對性提出相應的控制措施，且進一步利用試驗段對相關措施進行優化，為正式穿越提供依據和參考。

(2)通過對左右線多個斷面的分析，得出盾構穿越機場段的地表沉降變形波動性較大，但整體均在變形控制值范圍內，達到了設計要求，說明施工過程中的風險控制措施取得了較好的效果，可以為類似工程提供實踐積累。

(3)后期的二次注漿能一定程度上補充地層損失，減弱地表的沉降變形，是一種重要的變形控制措施，但在應用過程中，應慎重確定二次注漿量和注漿壓力。

(4)各地表沉降變形序列的Hurst指數均大于0.5，說明盾構穿越機場段的地表變形以沉降趨勢為主，但趨勢性強度受監測位置、施工順序的影響。在應用過程中，應綜合考慮各階段的統計參數，以便準確指導后期施工。

[1] 李巖松，陳壽根，周澤林.盾構隧道近接淺埋式矩形隧道合理凈距的研究[J].鐵道標準設計，2014(1)：80-84.

[2] 呂寶偉.超臨界橋樁基施工對既有隧道影響數值與實測分析[J].鐵道標準設計，2017，61(3)：103-107.

[3] 周松，榮建，陳立生，等.大直徑泥水盾構下穿機場的施工控制[J].巖石力學與工程學報，2012，31(4)：806-813.

[4] 譚忠盛，馬棟，孫曉靜，等.不停航機場跑道下大斷面隧道施工技術[J].土木工程學報，2015(S1)：378-382.

[5] 李興高，袁大軍，周江天，等.超長管幕在淺埋暗挖隧道下穿機場跑道施工中的應用[J].鐵道建筑，2014(2)：67-69.

[6] 郭玉海，李興高.大直徑盾構下穿北京機場快軌高架橋梁的安全控制技術[J].北京交通大學學報，2014，38(1)：13-19.

[7] 彭華，李驥，梁玉，等.大直徑盾構下穿機場快軌高架橋風險控制研究[J].都市快軌交通，2016，29(1)：42-46.

[8] 岳濤濤.近接建筑物深大基坑開挖變形規律及施工控制技術研究[J].鐵道建筑技術，2016(10)：47-51.

[9] 郭典塔，周翠英.基坑開挖對近接地鐵車站的影響規律研究[J].現代隧道技術，2015，52(1)：156-162.

[10] 劉繼強，歐雪峰，張學民，等.基坑群開挖對近接運營地鐵隧道隆沉變形的影響研究[J].現代隧道技術，2014，51(4)：81-87.

[11] 曲強，于鶴然.盾構隧道下穿城鐵地面線施工風險分析及對策研究[J].鐵道標準設計，2013(6)：88-91.

[12] 趙軍.杭州地區某盾構區間施工地表變形預測參數的分析與確定[J].隧道建設，2015，35(10)：1003-1009.

[13] 張治國，張孟喜.軟土城區土壓平衡盾構上下交疊穿越地鐵隧道的變形預測及施工控制[J].巖石力學與工程學報，2013，32(S2)：3428-3439.

[14] 龐建成，隆然，馬嬌.基于改進R/S分析方法的深基坑變形預報預測研究[J].施工技術，2015(13)：56-59，63.

[15] 鄔長福，涂志剛，萬佳威，等.基于R/S分析與V/S分析的滑坡變形趨勢判斷及穩定性研究[J].水電能源科學，2015(1)：111-114，107.