盾構(gòu)法地鐵隧道施工引起的地表沉降分析
——以廈門地鐵1號線呂厝站～城市廣場站區(qū)間隧道工程為例

馬亞梅

(廈門軌道交通集團有限公司 福建廈門 361008)

0 引言

城市地鐵隧道建設(shè)過程中，盾構(gòu)推進引起的地層擾動極易造成地面沉陷、建筑物開裂及管線損壞。因此，盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形問題一直受到工程界的廣泛關(guān)注[1]。

1969年P(guān)eck[2]提出了盾構(gòu)施工引起地表沉降的經(jīng)驗公式，國內(nèi)劉建航院士[3]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出了負(fù)地層損失方法估算縱向沉降曲線的公式。然而，巖土工程具有極強的地域性，不同地區(qū)的地質(zhì)情況及施工條件等均存在差異，這就大大削弱了研究成果的適用性。

本文依托廈門地鐵1號線呂厝站～城市廣場站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，分析因開挖、注漿等因素引起的地表沉降，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和三維數(shù)值模擬分析，總結(jié)廈門地區(qū)盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降規(guī)律，為后續(xù)類似工程的設(shè)計、施工積累經(jīng)驗。

1 監(jiān)測方案

1.1 工程、水文地質(zhì)條件

廈門地鐵1號線呂厝站～城市廣場站盾構(gòu)區(qū)間為單洞單線隧道，線路主要穿越地層有殘積砂質(zhì)黏土、殘積礫質(zhì)黏性土，局部穿越全風(fēng)化花崗巖。洞頂以上圍巖以第四系松散土層和全、殘積土為主，局部存在淤泥質(zhì)土層。其中，殘積土受動水壓力作用，易產(chǎn)生突泥和坍塌現(xiàn)象；淤泥質(zhì)土強度低、易發(fā)生觸變和流變。區(qū)間YDK8+555～YDK8+589處，筼筜湖分支橫穿軌道，水深約1.50m，地表水相對較豐富，地下水位埋深約1.0m～3.0m。

區(qū)間覆土厚度約8.54m～14.95m，采用土壓平衡式盾構(gòu)機，隧道混凝土管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，厚度350mm，寬度1.2m，采用錯縫拼裝方式。

區(qū)間東側(cè)建(構(gòu))筑物主要有鑫新景地大廈、國泰大廈、福園公寓、永同昌大廈、財富港灣、東方財富廣場、東方巴黎廣場；西側(cè)主要有仙悅花園、音樂家生活廣場、湖北大廈、瀟湘大廈、四川大廈、中關(guān)委大廈、天寶大廈、松柏加油站、太平洋廣場。

1.2 監(jiān)測范圍確定

根據(jù)“廈門市軌道交通1號線呂厝站～城市廣場站區(qū)間施工圖設(shè)計”及《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50911-2013第3.2.5條規(guī)定：監(jiān)測范圍由隧道埋深及斷面尺寸、施工工法、支護結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等綜合確定。

隧道影響分區(qū)界線公式：i=Kz0(i為沉降槽寬度系數(shù)(m)，z0為隧道埋深(m))，綜合考慮呂城區(qū)間隧道上述分析因素后，確定系數(shù)K取0.7。此外，區(qū)間隧道各里程段埋深不一，但相差不大，周邊環(huán)境風(fēng)險源較多，最終確定隧道埋深z0取平均值10m。

因此，區(qū)間隧道分區(qū)如下：主要影響區(qū)為隧道正上方兩側(cè)7m范圍內(nèi)；次要影響區(qū)為隧道正上方兩側(cè)7m～17.5m范圍內(nèi)；可能影響區(qū)為隧道正上方兩側(cè)17.5m范圍外。

1.3 地表沉降測點布設(shè)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50911-2013表3.3.5 工程監(jiān)測等級的劃分規(guī)定，確定該區(qū)間工程監(jiān)測等級為二級。

盾構(gòu)法區(qū)間的地表沉降監(jiān)測斷面(圖1)及監(jiān)測點布設(shè)按如下要求執(zhí)行：

圖1 監(jiān)測平面圖

(1)縱向上，在隧道軸線上方布設(shè)地表沉降測點，始發(fā)段(50環(huán))和接收段(50環(huán))沿盾構(gòu)隧道軸線上方的地表路面按間距6m(5環(huán))布設(shè)，其他掘進段按間距12m(10環(huán))布設(shè)。

(2)橫向上，沿地表布設(shè)垂直于隧道軸線的橫向監(jiān)測斷面。根據(jù)設(shè)計要求，區(qū)間始發(fā)和接收段地表監(jiān)測斷面按照每36m(30環(huán))一斷面，始發(fā)100m外按照每60m(50環(huán))一斷面，每斷面埋設(shè)10個測點，橫斷面的監(jiān)測點主要影響區(qū)間距為5m，次要影響區(qū)的監(jiān)測點間距為7m～10m。

(3)隧道穿越江頭橋蓋板涵附近和地質(zhì)分界線附近，應(yīng)形成地表沉降監(jiān)測斷面。

2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與分析

本節(jié)分別從地表縱向和橫向變形兩個角度對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 縱向地表沉降

圖2給出了盾構(gòu)推進過程中，隧道軸線正上方測點的縱向沉降變形情況。由圖2可知，盾構(gòu)隧道穿越DBC-07-13斷面～DBC-07-15斷面時，其地表沉降值較大，最大達46.6mm。

圖3給出了盾構(gòu)推進過程中，斷面7、8中隧道軸線上方測點的沉降隨推進過程的變化情況。其中，斷面7測點的最大沉降為38.2mm，而斷面8僅15mm。

通過查閱相關(guān)地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)DBC-07-13斷面～DBC-07-15斷面隧道上覆地層中，含有較厚的淤泥質(zhì)土層；同時，斷面7位置處，淤泥質(zhì)土層厚度較斷面8處更大。這充分說明了盾構(gòu)施工引起地表沉降變形的大小與隧道上覆土層中淤泥質(zhì)土層的厚度密切相關(guān)。一般淤泥質(zhì)土層厚度越大，地層剛度相對較低，施工引起的地表沉降也就越大。

圖2 隧道縱向地表沉降曲線

圖3 隧道縱向地表沉降曲線

圖4 斷面測點縱向沉降曲線圖

圖4給出了盾構(gòu)推進過程中，斷面6位置上各測點地表沉降隨推進過程的變化情況。其中，沉降量最大的點為軸線正上方的點，其次為緊鄰軸線的一排測點。各點變化趨勢均遵循如下規(guī)律：在掌子面距離監(jiān)測斷面約30m時，地表呈現(xiàn)隆起變形；隨著掌子面與監(jiān)測斷面距離的減少，地表變形變?yōu)槌两?，?dāng)距離隧道5m～10m位置時，沉降變形開始較為明顯；盾構(gòu)通過和盾尾脫出階段的沉降變形較大，這兩個階段的沉降之和能達到總沉降量的75%～80%。因此，盾構(gòu)通過和盾尾脫出階段是沉降變形的主要階段。當(dāng)掌子面離開斷面大約60m時，測點不再受盾構(gòu)推進的影響。

圖5給出了DBC-07-04測點連續(xù)14d的沉降變形情況。其中，13～14日連續(xù)2d日變化量均超過15mm。分析發(fā)現(xiàn)，造成變形超標(biāo)的主要原因，是盾構(gòu)推過程中同步注漿不及時。為了避免沉降進一步擴大，施工方停止盾構(gòu)推進，加強盾尾及管片后部注漿，最終沉降得以控制。這也直接說明了同步注漿和二次注漿對控制地表沉降的顯著作用。

圖5 DBC-07-04測點沉降變化曲線

2.2 橫向地表沉降

圖6為盾構(gòu)左線推進過程中，斷面5上所有測點連成的橫向沉降槽曲線。由圖6可知，隨著盾構(gòu)隧道的推進，地表沉降變形會呈現(xiàn)明顯的沉降槽，其隧道軸線正上方的測點沉降量最大，逐漸向兩側(cè)減少，影響范圍約為隧道軸線15m內(nèi)，且左線開挖過程中對右線上方測點影響較小。

對比圖7可知，右隧道開挖對左隧道上方地表點的沉降影響也較小，基本可以忽略。這主要是兩隧道相距相對較遠(yuǎn)，開挖相互影響小。

圖6 左隧道推進斷面5橫向沉降曲線

圖7 右隧道施工斷面5橫向沉降曲線

圖8 斷面9橫向沉降曲線

圖8給出了盾構(gòu)推進至斷面9位置處時，隧道軸線正上方測點的變形情況。由圖8可知，該斷面測點出現(xiàn)了較大隆起變形。究其原因，是該位置處地層條件發(fā)生變化，推進力大于平衡土壓力所需力，從而出現(xiàn)隆起變形，施工方及時調(diào)整掘進參數(shù)，控制繼續(xù)隆起。總而言之，由于掘進過程不確定因素較多，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果動態(tài)地修正掘進參數(shù)，以有效地控制地層損失、減少地層變位。

3 有限元計算和分析

3.1 數(shù)值模型及計算參數(shù)

利用商用有限元軟件MIDAS/GTS，主要分析開挖和注漿對地表沉降的影響，巖土主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。管片的力學(xué)參數(shù)參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，規(guī)范中C50管片彈性模量E為35.5GPa，有限元計算中考慮接頭的影響，襯砌單元的彈性模型用實際彈性量的85%。模型計算范圍為橫向60m，隧道軸線方向24m。隧道每開挖一個管片環(huán)寬(1.2m)為單個施工步，為了與實際開挖工況盡可能貼近，管片的安裝滯后于開挖7.2m；注漿層采用張云等[4-5]提出的“等代層”概念，計算過程中，為考慮注漿材料的凝固硬化過程，注漿前期用注漿壓力等效，完全凝固后則采用采用水泥土等代層代替，如圖9所示。

表1 巖土主要物理力學(xué)參數(shù)

圖9 盾構(gòu)施工階段模擬圖

3.2 計算結(jié)果分析

(1)地表點縱向變形規(guī)律

圖10為左隧道正上方地表點A(距離模型后方4m位置)隨盾構(gòu)推進的縱向沉降變化曲線圖。由圖10可知，當(dāng)掌子面距離地表測點一定距離時，地表表現(xiàn)為隆起變形，隨著掌子面與斷面位置距離的減少，地表變形轉(zhuǎn)為沉降，且主要的沉降變化發(fā)生在盾構(gòu)通過和盾尾脫出階段，這和實測的結(jié)果吻合。

結(jié)合圖11的變形變化曲線，可知盾構(gòu)推進對前方土體的影響距離大約20m，且受擾動土體最初變形為沉降變形。因此，推進過程中土體的變形規(guī)律為：沉降-隆起-沉降。

圖10 地表點A縱向沉降曲線

圖11 地表點B縱向沉降曲線

(2)地表點橫向變形規(guī)律

圖12給出了左隧道開挖引起斷面橫向各點的沉降變形情況，可以看出變形呈明顯的凹槽型，沉降量最大的點位于軸線位置處，且影響較大的區(qū)域大致位于洞軸線兩側(cè)15m范圍內(nèi)，左線施工過程中，對右線上方土體影響較小。

圖12 橫向沉降曲線

(3)注漿對沉降的影響分析

圖13為盾構(gòu)推進過程中，注漿的及時性對地表沉降變形的影響分析。圖13中實線表示注漿及時情況下，地表點的沉降變化曲線，虛線表示注漿滯后管片安裝2個施工階段的沉降變化曲線?？梢钥闯?，虛線的最終沉降值明顯大于實線。原因為管片安裝滯后掌子面7.2m，當(dāng)掌子面離開地表點斷面8m左右位置處，由于盾尾脫出后，缺少注漿壓力的支撐，從而導(dǎo)致沉降量比規(guī)范施工時更大。

圖13 注漿壓力對沉降影響曲線圖

4 結(jié) 論

本文依托廈門地鐵1號線呂厝站-城市廣場站區(qū)間隧道工程，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及有限元模擬，開展呂城區(qū)間盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律分析，得出以下幾點主要結(jié)論：

(1)盾構(gòu)隧道推進過程中，縱向影響范圍為：距離斷面30m至離開斷面60m；且其地表點的沉降模式為：沉降-隆起-沉降；斷面橫向由于沉降呈現(xiàn)明顯的凹槽型，且影響范圍為洞軸線兩側(cè)15m范圍內(nèi)。

(2)盾尾脫出階段，及時注漿是控制地層損失、減少地層變位的有效手段。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果基本吻合，有限元數(shù)值模擬可有效地開展盾構(gòu)隧道施工引起地層及結(jié)構(gòu)力學(xué)、變形特性研究。

盾構(gòu)隧道開挖是一個復(fù)雜的三維力學(xué)問題，掌子面的受力狀態(tài)直接影響地表沉降變形的發(fā)展，因此，采用三維模型開展地表沉降變形的研究非常必要。

本文在盾構(gòu)法施工引起的地表縱向和橫向沉降變形規(guī)律研究方面的認(rèn)識，具有一定的工程參考價值，可為后續(xù)廈門地鐵盾構(gòu)隧道工程的設(shè)計與施工積累經(jīng)驗。