地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降監測結果探討

王 杰，劉雅琴

(武漢港灣工程質量檢測有限公司，湖北 武漢 430014)

1 引言

盾構法是我國地鐵隧道建設領域的主流方法，實際應用效果受地質條件、隧道埋深、截面特性等因素的影響，若缺乏科學可行的監控措施易導致隧道周邊土層發生松動，隨之引發地表沉陷等質量問題，造成嚴重的安全事故[1，2]。對此，在盾構施工期間需加強對地表沉降的監測，通過可行的方法掌握實際情況，以便采取動態化調整措施。

佛山地鐵2號線一期工程TJ01標主要建設內容包含6座車站及6個區間，總長度10965.5延米。根據各區間實際狀況適配相適應的施工方法，其中南莊-湖涌區間為泥水平衡盾構，湖涌-綠島湖區間為土壓平衡盾構，剩余4個區間均為復合土壓平衡盾構。

2 地表沉降測點布設

以《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB5 0911-2013)為基本依據，結合區間實際狀況將工程監測等級設為二級。于盾構區間布設適量監測斷面及測點，具體方案有如下。

(1)縱向上，各測點依次布設于隧道軸線上方，以始發段(50環)和接收段(50環)兩處較為特殊，按間距6 m(5環)的標準布設，其它各段均按照12 m(10環)的間距標準依次布設到位。

(2)橫向上，各監測斷面均沿地表依次布設，要求其與隧道軸線保持垂直的位置關系。對于始發段和接收段兩處的斷面均按照36 m(30環)的間距依次布設，始發100 m外的斷面布設間距標準為60 m(50環)，各斷面測點數量均保持為10個。若為次要影響區，各斷面測點間距控制在7～10 m；若為主要影響區，測點間距需加密至5 m。

(3)從隧道布線形式來看，將穿越江頭橋蓋板涵附近及地址分界線周邊區域，其現場環境較特殊，易受到盾構的擾動性影響，需布設沉降監測斷面用于反映該處的實際情況。

3 現場監測結果及分析

3.1 縱向地表沉降

隧道軸線正上方布設適量測點并匯總各測點的縱向沉降數據，基于所得數據繪制縱向地表沉降曲線，可知隧道穿越各斷面所產生的地表沉降值存在差異，其中以DBC-07-13斷面～DBC-07-15斷面最為明顯，該階段地表沉降達到46.6 m。

根據斷面7、8中隧道軸線上方測點的沉降監測結果繪制相應曲線，可知斷面7測點的沉降較明顯，最大為38.2 mm，相較之下斷面8明顯減小，為15 mm。結合現場勘察資料展開分析，可知DBC-07-13斷面～DBC-07-15斷面隧道上覆大量淤泥質土層，厚度分布方面斷面7明顯超過斷面8，由此也說明盾構期間地表沉降與隧道上覆土層的厚度有密切關聯，且此問題在性質較差的淤泥質土層中更明顯，隨土層厚度的增加地層剛度隨之下降，產生的沉降量隨之加大。

根據斷面6的監測結果繪制成圖，用于反映該處地表的沉降情況，可知沉降量最大值對應于軸線正上方的測點，排于次位的是臨近軸線的一排測點。總體來看具有如下變化特點：掌子面與監測斷面間距保持在30m左右時發生地表隆起現象；隨兩者間距的逐步減小，地表變形轉變為沉降形式；若間距縮小至5～10 m可見其沉降變形量愈發明顯；隨施工的逐步推進，盾構通過和盾尾脫出時的沉降量偏大，此時兩階段產生的沉降量約占總量的75%～80%。掌子面離開斷面約60 m時測點穩定性較好，幾乎不再受到盾構推進的影響。

圍繞DBC-07-04測點14d的監測信息展開分析：在整個監測階段中，以13 d、14 d的沉降變形量最為明顯，均達到15 mm以上。究其原因，與盾構推進期間未及時組織同步注漿作業有關。鑒于此，施工方隨即暫停盾構推進作業，針對盾尾及管片后部兩個區域采取針對性的注漿加強措施，最終沉降量明顯減小。可見，同步注漿和二次注漿為重點手段，其在控制地表沉降方面具有較好的應用效果[3]。

3.2 橫向地表沉降

根據斷面5的監測結果繪制橫向沉降槽曲線，可知在盾構逐步推進之下，地表沉降變形愈發明顯，將隨之產生沉降槽；各處沉降量具有差異性，以隧道軸線正上方的測點最為明顯，向兩邊逐步減弱。

左線開挖雖然會對右線上方測點造成影響，但幅度較微弱；同時，右線開挖過程中的擾動性影響也較小，此時左線上方測點無明顯沉降現象。此現象的出現與兩隧道間距較遠有密切關聯。

盾構推進至斷面9時，可以發現此時隧道軸線正上方測點受到影響，伴有較大幅度的隆起變形現象。從成因來看，與該處地層條件發生顯著變化有直接的關聯，此時推進力超過平衡土壓力所需，因此可見隆起變形。對此，施工方根據實際情況適時調整掘進參數，隆起變形問題得到有效的緩解。

4 有限元計算及分析

4.1 數值模型及計算參數

通過MIDAS/GTS軟件建模分析，重點考慮的是開挖和注漿兩環節施工對地表沉降帶來的影響[4，5]。C50管片彈性模量E取35.5GPa，襯砌單元的彈性模型用實際彈性量的85%。模型軸線方向24 m，橫向60 m。每開挖管片環寬(1.2 m)視為一個施工步，注漿前期用注漿壓力等效，隨時間的延長，待漿液發生凝固后利用水泥土等代層代替。

4.2 計算結果分析

(1)根據左隧道正上方地表點A的監測結果繪制曲線，具體內容如圖1所示。根據圖中內容可知，地表隆起變形現象較為明顯，若掌子面與斷面位置減小，此時該狀態發生變化，以沉降為主要形式且集中在盾構通過和盾尾脫出階段。盾構推進過程中易對前方土體造成影響，所產生的影響距離約20 m，與此同時土層初期以沉降變形狀態為主。根據此規律可以推測土體的變化規律，具體表現為沉降→隆起→沉降。

圖1 地表點A縱向沉降曲線

(2)地表點橫向變形。重點考慮的是左隧道開挖施工階段，分析此過程中斷面橫向各點沉降的變形狀況，得知其表現出凹槽型且在軸線處存在最明顯的沉降，主要影響范圍集中在洞軸線兩側15 m以內。雖然左線施工伴有擾動性影響，但右線上方的土體可維持相對穩定的狀態。

(3)注漿對沉降的影響。根據既有信息繪制地表點的沉降變化曲線，具體如圖2所示。根據圖中內容可知，相比于實際狀況而言，虛線的最終沉降相對偏大，主要與管片安裝滯后于掌子面7.2 m有關，隨著掌子面與地表點斷面間距的逐步加大，當該值達到8 m左右時可見盾尾完全脫出，缺少注漿壓力的支撐，從而發生更為明顯的沉降現象。

圖2 注漿壓力對沉降影響曲線

5 結語

(1)盾構隧道推進施工對周邊環境具有不同程度的影響，縱向影響范圍集中在距斷面30 m至離開斷面60 m，地表點具有沉降→隆起→沉降的變化特點；斷面橫向呈凹槽型，影響范圍集中在軸線兩側15 m內。

(2)盾尾脫出過程中，需通過注漿的方式維持地層的穩定性。

(3)所得的數值模擬結果與實測值具有高度的相似性，因此有限元數值模擬的方式較為可行，可用于研究地層及結構力學等方面的問題。此外，盾構隧道開挖難度較大，其涉及到的因素較多，掌子面的受力狀態為重點影響因素，需通過三維模型的方式展開分析，以便直觀地反應地表沉降變形情況。