盾构施工中的地面沉降

盾构施工中的地面沉降 篇1

盾构法施工隧道在天津地铁一号线建设中首次应用, 尽管积累了一些地面沉降控制和环境保护的经验。但是在市区繁华地段进行盾构施工, 掘进中对周边施工影响范围内的建 (构) 筑物、地下管线、地面道路、桩基础等各种设施的沉降控制及环境保护还是有着较大难度。

1 工程地质概况

根据勘察结果, 本区段隧道洞身主要位于第一陆相层 (4) 及第一海相层 (5) 中, 其中CK6+820~CK7+440区段洞身主要位于 (5) 2、 (5) 3、 (5) 4中, 基底位于 (5) 3、 (5) 4地层, 下卧层为 (5) 5软弱下卧层。在C K 7+4 4 0~CK7+600区段, 洞身主要位于 (4) 、 (5) 2及 (5) 3中, 基底位于 (5) 2、 (5) 3、 (5) 4层中。 (4) 5及 (5) 2、 (5) 4为弱透水层。该区段4.0~15.0 m以上地层多呈流塑~软塑状态, 粉质粘土及粉土属于中~高压缩性土, 围岩稳定性差, 结构松散, 基底稳定性差, 洞身易发生过大变形。盾构主要穿越地层为粉质粘土、粉土。线路的其他参数见表1。

2 盾构施工地面沉降监测的内容

2.1 沉降监测的内容

其中土体变形、土压力、土体沉降、地表沉降及空隙水压力, 盾构开挖面土压、出土量、注浆量及推力, 盾构姿态, 建筑物沉降、裂缝、倾斜, 隧道衬砌土压力、变形及应力等方面都是盾构施工监测的内容。其中土体沉降、土体水平位移和地表沉降是盾构施工地面监测内容[2、3]。

2.2 本工程主要的监测内容

其中建筑物沉降、裂缝、倾斜、地表沉降和盾构姿态等方面都是该工程进行监测的。

3 盾构施工地面沉降监测方法

3.1 盾构施工地面沉降监测方法

盾构法隧道施工过程中顶面沉降监测是最主要的检测项目, 其中监测技术方法包含以下几种[4、5]:液体静力水准测量方法、分层沉降仪测定法、几何水准测量方法和侧斜仪测定方法。

检测基准传感器点的布设原则:布设位置要求距最近盾构掘进轴线垂直距离大于25 m, 采用防日照和干扰的措施, 其位置稳定可靠。监测传感器的布设原则:布设要求建在建筑物较敏感位置, 施工扰动最大危害位置, 横向沉降槽2/3径向区间。

4 沉降监测数据处理方法的选取研究

4.1 沉降监测数据处理方法

监测数据的处理方法可分为统计学方法和确定性方法两大类。实际使用过程中常用的监测数据处理方法有以下两点。

(1) 散点图法。 (2) 一元线性回归分析法。

4.2 本工程选用的沉降监测数据处理方法

针对本工程监测数据的实际规律, 采用散点图法、回归分析、曲线拟合等方法进行监测数据的分析处理。这里以左线L124环轴线点为例。

左线L124环轴线点沉降拟合曲线图如图1。

5 地面沉降规律分析及结论

5.1 盾构法施工引起地表沉降的一般规律

(1) 地表沉降随开挖面掘进的纵向变化规律。

盾构施工引起的地表纵向变形一般规律主要包括5个阶段: (1) 先期沉降; (2) 开挖面前部沉降; (3) 通过时得沉降; (4) 盾尾间隙沉降; (5) 后续沉降。

(2) 沉降历程规律。

经分析比较, 采用指数曲线函数来模拟隧道中线地表沉降的历时关系, 即土压平衡盾构隧道中地表沉降随时间的变化可以由下式表示:

式中:S (x) (mm) 为隧道中线上最大的地表沉降;A、B x0、S0分别为回归参数, 随不同地层、不同隧道而不同;x (m) 为与开挖面的距离;x0 (m) 、S0 (mm) 分别为拐点处的坐标。

(3) 地表沉降的横向沉降变形规律和横向沉降槽的影响。

Peck对大量隧道施工引起的地面沉降实测数据进行了分析, 并认为隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水条件下发生的, 沉降槽体积等于地层损失的体积, 地面沉降的横向分布可用正态分布曲线来描述:

式中:S (x) 为距离隧道中心线处的地表沉降, m;Sm ax为隧道中心线处最大地面沉降, m;x为距隧道中心线的距离, m;i为沉降槽半宽度, m;Vs为盾构隧道单位长度地层损失, m3/m。

Peck公式有Vs (地层损失) 和i (沉降槽半宽度) 2个参数。合理确定这2个参数对于正确预测地面沉降的量值和分布情况起着至关重要的作用。地层损失通常表示为:

式中:Vl为地层体积损失率, 即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比;rO为盾构机外径, m。

(1) 地表沉降的横向沉降变形规律。

本次运用Peck公式对工程右线隧道R48环至R434环沉降断面的沉降量数据进行统计分析。然后绘制右线隧道R 4 8环至R434环断面沉降散点图及沉降曲线拟合图, 得出对于本工程及天津地区参数Vl的取值范围需由0.5%~2.0%改为1.0%~1.5%, 参数k的取值范围需由0.4~0.6改为0.5~0.6。

(2) 地表沉降的纵向沉降变形规律。

运用指数曲线函数对左线隧道L124环轴线沉降点的纵向历程沉降量数据进行列表统计, 及绘制纵向历程沉降量散点图及沉降曲线拟合图 (图2) 得出了适应本工程及天津地质条件和盾构隧道施工工艺的A、B、S0和x0这4个参数的具体取值范围。

6 结论

天津市区至滨海新区快速轨道交通工程中山门区间为例, 系统的分析了盾构施工地面沉降控制管理, 在横向沉降规律上对peck公式的两个重要参数v和k进行了修正 (v从0.5%~2.0%改为1.0%~1.5%, k有0.4~0.6改为0.5~0.6) , 确定了纵向沉降指数曲线函数的参数范围 (A-15~-20 mm, B0.03~0.09, S0-3 mm~7 mm, x0~5 m) , 这些丰富盾构法施工地面沉降控制技术研究。

摘要：本文分别从盾构施工地面沉降监测的内容、监测方法、沉降监测数据处理方法以及沉降规律研究几个方面探讨了盾构法施工隧道工程地面沉降控制技术, 并以天津市区至滨海新区快速轨道交通工程中山门区间为例, 分别从以上几个方面进行了研究, 在横向沉降规律上对peck公式的两个重要参数v和k进行了修正 (v从0.5%2.0%改为1.0%1.5%, k有0.40.6改为0.50.6) , 确定了纵向沉降指数曲线函数的参数范围 (A-15-20 mm, B0.030.09, S0-37 mm, x005 m) , 这些丰富盾构法施工地面沉降控制技术研究。

关键词：盾构施工,地面沉降控制管理

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盾构施工中的地面沉降 篇2

关键词：过江隧道；泥水盾构；地面沉降；分析及预测；施工控制

中图分类号：TU433 文献标志码：A 文章编号：16744764（2012）05002508

近年来，泥水盾构越来越广泛地应用于城市水底隧道施工，如上海上中路隧道、上海长江隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、杭州庆春路过江隧道、杭州运河隧道、海宁钱江隧道等[12]。对于盾构施工引起的地面沉降，许多学者进行了研究，研究方法主要为经验公式法、解析法和数值模拟法[36]，然而这些研究大都针对土压平衡盾构，而对于泥水盾构的研究相对较少。泥水盾构与土压平衡盾构相比，泥水压力传递快速而均匀，开挖面平衡土压力的控制精度更高，地面沉降量的控制精度更高[7]。而泥水盾构用于水底隧道施工，穿越堤防和水底浅覆土区域，对地面沉降的控制要求更为严格。在上海若干水底隧道工程施工中，曾发生了大堤防汛墙底板渗水、防汛闸门变形、防汛墙倒塌等威胁提防安全的事故[8]。因此，深入研究泥水盾构施工引起的地面沉降，具有十分重要的意义。〖=D（〗 林存刚，等：泥水盾构隧道施工引起的地面沉降分析及预测〖=〗

结合杭州庆春路过江隧道泥水盾构施工地面沉降实测数据，分析了泥水盾构施工引起的地面沉降的特征及规律，总结了影响地面沉降的因素，并给出了地面沉降的预测公式。1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

杭州庆春路过江隧道南北方向垂直穿越钱塘江，盾构段总长3 532.442 m，其中东线长1 765.478 m，西线长1 766.924 m。管片外径11.3 m，内径10.3 m，厚50 cm，环宽2 m。管片采用通用契型环，采用6标准块+2邻接块+1封顶块的分块形式，错缝拼装，纵环向采用高强螺栓连接。

盾构隧道采用两台泥水平衡盾构机从江南盾构工作井开始掘进，始发段纵向坡度为-4.25%。盾构主机长11.4 m，后配3节拖车，上载砂浆泵、电器液压设备、主控室等，长约20 m。盾构主机总重1 100 t，外径11.65 m。

1.2 工程及水文地质条件

盾构施工主要穿越③层粉砂夹粉土、④层淤泥质粉质粘土、⑤层粉质粘土、⑥层粉质粘土、⑦层粉细砂和⑧层圆砾。各土层物理力学指标见表1。隧道穿越土层剖面见图1。

孔隙潜水赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性土层内，水位高，渗透性好。⑦层砂土、⑧层圆砾为承压水层，承压水位高，透水性强。

2 地面沉降监测布置

地面沉降监测从江南工作井至钱塘江南岸大堤一共布置19个断面，编号D1～D18、XB。其中西线隧道监测断面标记为WD，东线为ED，XB仅布置于西线。监测断面布置情况如图2所示。其中D1～D6因处于加固区，数据失真，数据未采用；D7～D12、D17、D18、XB所处地面隧道施工前为农田；D13～D16位于錢塘江南岸大堤之上。笔者仅对西线盾构施工引起的地面沉降进行分析，即WD7～WD12、WD17、WD18、XB断面。

式中：S（x）为地层损失引起的地面沉降； x为距隧道轴线的距离；Smax为隧道轴线处地层损失引起的地面沉降；i为地表沉降槽宽度系数；Vs为隧道单位长度地层损失；η为地层损失率，为地表沉降槽的面积与隧道开挖面积之比；R为隧道开挖半径。

使用Peck公式预测横向地面沉降时，最为关键的是确定地层损失率V1以及沉降槽宽度系数i的取值。其中地层损失率V1取值受土质、隧道工法及施工参数控制等影响，具有很大的离散性和地区及施工经验性[1011]。对于沉降槽宽度系数i的取值，国内外许多学者进行了实测及试验研究[1215]，其中应用最为广泛的是O’Reilly&New（1982）[15]根据伦敦地区经验提出的：

式中K为沉降槽宽度参数，定义为横断面地面沉降曲线拐点至隧道轴线水平距离与隧道轴线埋深之比；z0为隧道轴线埋深。

对WD7～WD12、XB、WD17、WD18，9个监测断面横向地面沉降进行分析。

分析表明：西线隧道各监测断面横向地面沉降特征及规律基本一致，均可用Peck公式较好地拟合。

图3、4、5分别为WD8、WD12、WD17断面横向地面沉降，图中地面隆起记为正值。图中沉降曲线标记，如图3中第1条沉降曲线标记“0 d，11.329 m”表示盾构盾尾离开WD8断面0 d，盾构切口离开WD8断面11.329 m。

图3～5可见：

1）盾构切口到达监测断面之前，地面随切口泥水压力的设定，时有隆起，时有沉降。

2）在盾构盾尾离开监测断面之前，地面沉降较小，且沉降曲线较无规则。

3）盾尾离开监测断面时，沉降量和沉降速度陡增，此后横向地面沉降曲线开始呈现隧道轴线位置沉降最大，向两侧递减的规律。

4）盾尾脱离监测断面初期，由于同步注浆作用，隧道轴线两侧或一侧约10 m之外地面出现隆起。

Peck公式假定隧道施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，沉降槽的体积等于地层损失的体积[9]。分析发现，西线隧道地面沉降，在盾构脱离监测断面0～5 d或6 d之内，沉降速度和沉降量最大，而之后沉降速度出现转折，开始明显变慢。一般认为，在盾尾脱离监测断面之后，由于建筑空隙的产生，会引起比较大的地层损失沉降；之后的沉降主要由扰动土体固结引起；地层损失沉降的速度大于固结沉降速度。故认为盾尾脱离5 d或6 d之前的地面沉降主要由地层损失引起，选取该天的地面沉降值用Peck公式加以拟合。

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图6～8分别为WD8、WD12、WD17，盾尾脱离监测断面5d或6d时，横断面地面沉降用Peck公示拟合的情况。t为盾尾离开监测断面的时间。各断面地面沉降Peck公示拟合结果统计于表2。

图6～8可见，所选取的3个断面，WD17断面地面沉降Peck公示拟合最好，其次为WD8，最差为WD12。结合图3～5，WD12在切口到达前以及盾尾离开初期地面产生较大隆起；WD8在盾尾脱离时轴线一侧约10 m外产生较小隆起；而WD17断面只在盾构通过期间，地面出现微量隆起。

盾构切口靠近监测断面时，泥水压力设定大于开挖面初始水土压力时，在附加应力作用下，开挖面上前方土体上抬，进而引起地面隆起；盾尾脱离监测断面初期，同步注浆压力较大时，同样会引起地面上抬。各监测断面地面沉降Peck公式拟合时发现，当切口压力及同步注浆压力作用下地面出现较大隆起时，拟合情况较之于地面隆起小或者无隆起的断面要差。地层损失沉降比较有规则，一般呈现正态分布曲线形式；而由于切口泥水压力及同步注浆压力引起的地面隆起较无规则，会使总沉降曲线偏离高斯曲线分布。

图7可见，适当提高切口泥水压力及同步注浆压力使地面出现微量隆起，可以抵消部分地层损失，降低地面总沉降量，并减少地面沉降范围。但切口泥水和同步注浆压力也不能设置过大，以避免较大的地面隆起危及地表及地下建（构）筑物的正常使用和安全。

表2可见，西线隧道各个监测断面地面沉降槽宽度参数K取值比较集中，在0.25～0.32之间；而地层损失率V1的取值受施工参数控制影响离散性较大，取值在0.04%～0.33%之间。

3.2 西线隧道纵向地面沉降

对于隧道施工引起轴线上方地面沉降随时间变化的预测，很多学者进行了研究[1619]。Fang等[16]通过对Taipei MRT CH18 B1隧道沉降观测分析，提出采用双曲线模型估算隧道轴线上方地面沉降随时间的变化：

式中，S（t）为t时刻隧道轴线上方地面最大沉降量；t为盾尾离开监测断面的时间（以盾尾离开监测断面前1天算起）；a、b为双曲线常数。

魏纲等[16]通过对11个隧道工程实例分析发现，上述双曲线模型用于预测隧道工后沉降时，精度较高。刘松樵[19]采用双曲线模型对上海地铁一号线及延安东路隧道盾构盾尾离开后地面沉降曲线进行拟合，效果较好。

然而双曲线模型仅用于隧道施工引起的地面固结沉降的预测，忽略了盾构切口靠近时以及盾构通过期间产生的地层损失沉降。

笔者在Fang提出的传统双曲线模型的基础上，添加参数c，以考虑盾构切口靠近时以及盾构通过期间产生的地面位移，用修正后的双曲线模型拟合该工程隧道轴线上方地面沉降随时间变化曲线。修正后的双曲线模型为：

式中：S（t）为t时刻隧道轴线上方地面最大沉降量，沉降记为负值，mm；t为盾尾离开监测断面的时间，d；t=0时，盾尾到达监测断面；a为双曲线常数，表征盾尾脱离初期（t≤10 d）地面沉降速度，a越大，盾尾脱离初期沉降速度越小；b为双曲线常数，决定地面最终沉降量大小，b越小，最终沉降量越大；c为双曲线常数，盾构切口到达前以及盾构通过期间产生的地面位移。

图9～10分别为WD7、WD10实测轴线地面沉降随时间变化曲线用修正双曲线模型拟合的情况。

各监测断面拟合公式，a取值范围0.15～0.5 mm-1·d， b取值0.014～0.035 mm-1，c取值-14～3.3 mm。

3.3 西线隧道盾构通过各个阶段地面沉降

盾构隧道施工引起的地面位移，根据盾构与监测断面的相对位置以及形成机理，可分为4个阶段：

1）切口到达前地面位移：当切口压力设置小于开挖面初始水土压力时，开挖面应力松弛，引起切口上前方地面沉降；当切口压力设置大于开挖面初始水土压力时，附加应力作用下会引起切口上前方地面隆起。合理的切口泥水压力设置是控制该阶段地面位移的关键。

2）盾构通过时地面位移：良好的盾构掘进姿态，以减少盾构机的俯仰、偏转以及横向偏移，减少超挖和减轻盾构与周围地层的摩擦、挤压，可降低该阶段地面沉降。

3）盾尾沉降：盾尾脱离监测断面时，由于建筑空隙的产生，会引起较大的地层损失沉降。同步注浆及时充分地填充建筑空隙，可有效地降低盾尾沉降。本文取盾尾离开监测断面0～5 d或6 d内的沉降为盾尾沉降。

4）固结沉降：主要为盾构施工擾动土体固结沉降，除受到土层影响之外，施工扰动的大小也是其重要的影响因素。本文取盾尾脱离5 d或6 d后的沉降为固结沉降。

以上4个阶段沉降值分别记为S1、S2、S3、S4，对应沉降速度记为V1、V2、V3、V4，地面总沉降量S=S1+S2+S3+S4，监测周期内总沉降速度记为V。各监测断面各阶段轴线地面沉降值及占总沉降的比例统计于表4。

表4可见：

1）S1取值范围-3.41～3.16 mm，V1取值范围-1.14～0.10 mm/d，占总沉降的比例-12.01%～10.35%。该阶段沉降主要受到切口泥水压力设定的影响，由于各断面切口泥水压力设定的不同而表现出较大波动。

2）S2取值范围-1.87～5.66 mm，V2取值范围-0.79～2.83 mm/d，占总沉降的比例-9.41%～1872%。

3）WD11断面同步注浆作用下地面出现较大隆起，WD12断面受到盾构长时间停机的影响，使得该两个断面地面沉降规律与其他断面差别较大。在分析S3及S4取值时该两个断面不予考虑。S3取值范围11.49～23.58 mm，V3取值范围2.18～5.90 mm/d，占总沉降的比例38.01%～64%，平均为5727%。该阶段沉降主要受到盾尾同步注浆影响。

4）S4取值范围9.86～14.58 mm，V4取值范围0.31～0.86 mm/d，占总沉降的比例36%～5067%，平均为41.08%。

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以上分析可见，对于该工程泥水盾构施工引起的地面沉降，盾尾脱离初期（0～5/6 d）盾尾沉降量和沉降速度最大，约为总沉降量的57.27%；盾构切口到达前以及盾构通过时的地面沉降，受切口压力设定以及盾构姿态控制波动较大，位移值控制在±5 mm之内；后期固结沉降占总沉降的比例较大，约为41.08%。由于各断面监测时间有限，固结沉降在监测结束时仍继续进行，因此，其所占比例还会加大。由此可见，该工程泥水盾构施工引起的地面沉降，大部分为盾尾沉降及扰动土体长期固结沉降，而盾构穿越之前的位移相对较小，甚至起到抵消后续沉降的作用。

1）西线隧道盾构施工引起的地面沉降可用Peck公式较好地拟合，各监测断面地面沉降槽宽度参数K取值比较集中，在0.25～0.32之间；而地层损失率V1的取值受施工参数控制影响离散性较大，取值在0.04%～0.33%之间。

2）泥水盾构在软土地层中施工，大部分地面沉降为盾构脱离0～5 d或6 d内的盾尾沉降以及扰动土体长期固结沉降，分别约占总沉降量的57.27%和41.08%；盾尾脱离监测断面0～5 d或6 d期间，地面沉降速度最大。

3）适当提高切口泥水压力以及同步注漿压力使地面出现微量隆起，可以抵消部分地层损失，降低地层损失率及地面沉降范围，有利于沉降控制。

4）地层损失沉降比较有规则，符合高斯曲线分布形式；而由于切口泥水压力及同步注浆作用引起的地面隆起较无规则，会使总沉降曲线偏离正态分布曲线。

5）引入新的参数c，以考虑盾构切口靠近时以及盾构通过期间产生的地面沉降的修正双曲线模型，可以较精确地拟合轴线地面沉降随盾尾离开时间的变化曲线，可用于泥水盾构软土地区施工引起的长期地面沉降的预测。

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（编辑 胡 玲）doi：10.3969/j.issn.16744764.2012.05.006