黑龙江哈尔滨地铁盾构法施工地面变形规律分析

张向东，王 群，盛 超

（辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

随着地铁在我国各大城市的兴建，盾构法施工以其智能化、安全性和对周边建筑的低影响性被广泛应用于城市地铁的施工，但是控制盾构掘进引起地表沉降技术，仍然是广大技术工作者、科研工作者普遍关心的问题之一，也是设计、施工人员考虑的首要问题［1－4］。因为地铁隧道盾构法施工具有三维动态性，随着盾构的推进，盾构施工引起的周围土体位移及周边环境的影响也都呈现动态变化，为了更全面形象地研究盾构施工的影响，可以采用现场原位监测方法。本文以哈尔滨地铁一号线工程为背景，在哈尔滨南站站至农科院区间进行了隧道开挖过程中地表沉降的现场观测。对隧道SK0+294.40～SK1+456.985范围段进行了详细观测，得到盾构行进过程中的地表沉降情况，通过分析设计地质资料、施工技术方案和地表位移变形资料，总结了哈尔滨高寒冻土地区地铁盾构进程中地表沉降的规律［5－10］，对哈尔滨地铁盾构施工具有一定的指导意义和参考价值。

1 工程概况

1.1 工程概况

哈尔滨地铁一期土建十标工程位于哈尔滨市南岗区工程延长线上，包含哈尔滨南站站、哈南停车场出入场线、哈尔滨南站—农科院站区间。其中哈尔滨南站—农科院站区间位于学府路规划道路正下方，设计起点里程SK0+294.40，终点里程SK1+456.985，全长1162.585双延米。

在哈尔滨地铁一号延长线盾构采用Φ6250复合式土压平衡盾构机。隧道采用标准单圆盾构衬砌结构，主机长7.9m，含后配套台车总长为80m。盾构机最大开挖直径6.28m，刀盘直径为6.26m，盾体直径为6.25m。衬砌管片外径6.1m，厚度0.30m。隧道衬砌采用单层钢筋混凝土装配式衬砌错缝拼装，整环衬砌由6块钢筋混凝土管片组成，即3块标准环（A型管片）、2块邻接环（B型管片）和1块封顶块（K型管片）组成。

1.2 工程地质

哈尔滨地区主要发育的前第四系地层中基底构造形迹，根据钻探揭示及对地层成因、年代的分析，本工点地层由上至下主要有：第四纪全新世人工堆积层（Q4ml，杂填土（①））、上更新统哈尔滨组地层（Q32hral、粉质粘土（②）、粉质粘土（② －1）、粉质粘土（③）、粉质粘土（③ －1）、粉质粘土（③ －2）、中更新统上荒山组地层（Q22hl，粉质粘土（④）、粉质粘土（④－1）、粉质粘土（④ －4）、下荒山组地层（Q21hlal，粉砂（⑤）、粉质粘土（⑤ －1）、粉土（⑤ －2）、中砂（⑥）、粉质粘土（⑥ －1）、粉土（⑥ －2）。全风化泥质粉砂岩（⑥）、强风化泥质粉砂岩、英安斑岩（⑦）、中风化泥质粉砂岩、英安斑岩（⑧）、微风化泥质粉砂岩、英安斑岩（⑨）。

2 监测结果及分析

根据工程和实际监测的需要，采用钻孔测斜仪和分层沉降仪来进行盾构施工过程中引起的施工地层变形值的监测。其中，钻孔测斜仪用于测量隧道开挖过程中土体的水平侧移，分层沉降仪用于测量隧道开挖过程中沉陷槽内的土体竖直沉降。在隧道轴线上布置4个分层沉降仪观测点ZX1～ZX4，在隧道轴线侧方布置 5个测斜仪 CXI～CX5，5个分层沉降仪FC1～FC5。地层变形观测点布置方式如图1和图2所示。

图1 地层变形观测点平面布置图Fig.1 Grounddeformationobservationpointfloor-plan

2.1 隧道轴线上竖向沉降监测结果

以SK0+343.50断面为例的地表沉降监测结果数据绘制观测点ZX1土层沉降变形曲线如图3所示。

图3为ZX1观测点地表及地表以下不同深度处地层土体沉降曲线，设以盾构刀头与沉降观测点的水平距离为X轴，同时以刀头位于观测正下方时作为X轴的零点，当盾头接近观测点时距离为负值，通过后远离时为正值，以土体的竖向沉降值作为Y轴，土层变形隆起以正数值表示，地层沉降以负值表示。

图3 观测点ZX1不同深度土层沉降变形曲线Fig.3 ObservationpointZX1differentdepthsoillayersubsidenceelasticcurve

图2 地层变形观测孔埋深布置图Fig.2 Grounddeformationobservationhole buryingdeptharrangementplan

从图3可以看出，隧道中轴线上的ZX1观测点，地表和地表以下土体沉降变形曲线总体呈现V形形状。在盾构刀头位置即开挖面距观测断面15m左右的位置，受盾构机向前挤压土体的作用，该观测点地表和地表以下不同深度的土体变形开始均呈现向上隆起状态。约达到开挖面12m处，隆起值达到最大值。当盾构刀头达到观测点正下方时，地表及地表以下不同深度地层均已开始出现沉降变形，随着盾构机的行进，沉降变形急剧增大，并在远离观测点12m处达到最大值。随后在压力注浆的作用下，地表和其他各位置的沉降值又开始急剧回缩，开挖面远离观测35m左右，沉降回缩趋于稳定。

从地表及地表以下不同深度土体沉降变形曲线分析可知，各深度处的土体沉降变形值并不相同。地表处、地下6m处、地下 12m处、地下 18m处、地下21m处最大沉降值分别为13.1m、15.9mm、19.2mm、30.4mm、47.2mm，此时盾构刀头与观测断面的水平距离12m为正值，意味着在盾构机通过观测断面12m时，各点沉降值达到最大值，且在此过程中变形速率较大。由此可以得出，在盾构机行进的过程中，盾构机顶上的土体沉降值与距离隧道顶面距离成反比，离隧道顶面即盾构机越近，土体的沉降值越大，越远沉降值越小。而在地表处测得的变形值最小，随着土体与盾构机垂直距离的增大，土体在施工过程中所受的影响越小。在盾构机逐渐远离观测断面后，注浆压力开始发生作用，失水即将固结的土体沉降在注浆压力的作用下迅速回缩，并随着盾构机的远离，最后趋向一个稳定值。

隧道轴线上其余纵向各观测断面点 ZX2、ZX3、ZX4地表及地表以下不同深度土体的沉降曲线基本与ZX1走势相同，总体呈现V形形状。通过对实测数据进行分析，可以得出如下结论：盾构在整个推进过程中，对于地表变形竖向位移来说，整个过程总体上分为隆起、沉降、回缩、稳定四个阶段。对土体变形的整个影响最大区域发生在盾前33m至盾后35m共计68m的范围内，此区域应作为工程施工过程中地层形变控制的重点区域。

2.2 隧道轴线侧方沉降监测结果

同样以SK0+343.50断面为例的隧道轴线侧方地表沉降监测结果数据绘制侧方不同深度地层沉降曲线如图4～图8所示。

图4 FC1观测点Fig.4 ObservationpointFC1

图5 FC2观测点Fig.5 ObservationpointFC2

图4～图8是隧道轴线侧面与隧道中心线相距6m、12m、20m、35m、52m 的5个观测点地表及地表以下不同深度土层体的沉降变形曲线。其中FC1～FC5地表处最大沉降值分别为 8.8mm、9.6mm、2.1mm、1.05mm、0.4mm，FC1～FC4地下 6m 处最大沉降值分别为 12.7mm、11.7mm、0.8mm、1.17mm。从图中可看出，随着观测点位置与隧道中心线距离的增加，其观测到的各观测点同一深度处土体沉降变形值越小，表明土体在盾构推过程受到的扰动越小，距离隧道中心外线外侧52m处的FC5观测点，地表处的沉降值的浮动区间只有±1mm，其变形量几乎可忽略不计。由此可知，盾构法施工对隧道中心线两侧的影响范围在52m左右，超出这个范围，其变形值很小。

图6 FC3观测点Fig.6 ObservationpointFC3

图7 FC4观测点Fig.7 ObservationpointFC4

图8 FC5观测点Fig.8 ObservationpointFC5

从上述各图还可以看出，随着盾构机的接近和远离，每个测点地表及以下不同深度土层变形的曲线形状总体上与隧道中心线上方各观测点沉降变形曲线类似，进一步验证前面的结论。同时还可以得出，各观测点的最大沉降值不是发生在土体最深处，当测点深度达到一定值后，其最大沉降值反而有所减小。其中，FC1～FC5观测点最大沉降值分别发生在地下18m、12m、9m、9m、6m 处，其 值 分 别 为 18.5mm、12.7mm、4.2mm、1.3mm、0.61mm。由此可以得出，随着观测点与隧道中心线水平距离的增加，最大沉降量发生在土层的位置是逐渐抬高的。说明随着地层深度减小，沉降槽曲率变缓，沉降槽宽度逐渐增大。

2.3 垂直于隧道开挖方向水平位移

以SK0+355.50断面为例的垂直于隧道轴线侧方的土体水平位移监测结果数据绘制的侧方距盾头不同长度时土体水平位移曲线，如图9所示。

图9 CX1观测点土体的水平位移Fig.9 CX1Observationpointsoilbodyhorizontaldeparture

从图9可以看出，在盾构机的推进过程中，受影响的土体水平位移变化趋势比较明显。在同一观测断面位置处，随着土体的深度的增加，土体向外侧排开的水平位移越大，其土体向外排开的最大值均发生在地表以下28～30m处，即离隧道距离越近，土体受到的扰运影响越大。从不同观测时间来看，同一深度处土体向外侧的水平位移是随着盾构机的接近、通过直至远离是一个反复排开、回缩的变化过程。在现有观测数据来看，当盾构机盾头接近观测断面点4.5m时，影响范围内的土体受挤压作用向远离隧道一侧水平移动，水平位移的最大值为8.4mm。随着盾构机的临近观测断面点1.5m时，土体水平位移值减小，表明土体变形稍有回缩，随后进一步回缩。在通过观测断面点3m时达到最大值最大水平位移仅为3.04mm，回缩量达到5.36mm。当盾构机远离增大时，压力注浆开始发生作用，土体再次向远离隧道中心线侧水平移动。至观测断面点24m的时候，土体的水平位移达到最大值22.04mm。在盾头通过测点25.5m时，压力注浆后的土体固结，土体水平位移有微量回缩。可以认为，在盾构机整个推进过程中，盾构机通过观测断面点24m时，各深度处的土体水平位移达到最大值。

2.4 平行于隧道开挖方向水平位移

图10为盾构机在推进过程中，观测点 CX1在平行于隧道开挖方向的水平位移变化图。由此可以看出，观测点不同时间点的与隧道平行的水平位移出现在地表以下29～30m处，最大值在盾构机距离观测断面点4.5m处时，受扰动影响的土体受盾构挤压作用向隧道前方水平移动，水平位移的最大值为22.23mm。随着盾构机的逐渐远离，土体受挤压作用依然明显。在盾构机通过观测断面点3m时的，土体沿平行隧道轴线方向的位移最大值为35.20mm。随后由于注浆后土体固结，土体变形有一定的回缩，当盾构机远离观测断面25.5m时，土体固结基本完成，土体变形回缩到最小值23.07mm，回缩量达到12.13mm，说明土体平行隧道轴线方向的水平位移随着盾构机的接近通过和远离，其变形是一个排开、回缩的反复过程。

3 结论

盾构法作为一种安全、快捷、对周围环境影响小的隧道施工技术，近年来已成为各大中城市地铁隧道施工的首选方法，但如何有效控制盾构法施工引起的地表沉降变形量，研究其变形规律仍是设计和施工中所要关心的重点问题。文中以哈尔滨地铁一号线一期工程哈尔滨南站站—农科院站区间盾构法隧道为主要研究对象，在工程现场监测和整理分析土体变形监测数据的基础上，对盾构法施工过程中土体的变形规律进行了研究。得到如下结论如。

（1）由现场实测可知，纵向地表在盾前33m即出现隆起，盾后沉降最大值出现在盾后方12～15m处，在盾尾约35～40m的范围内，土体地表沉降变形趋于稳定，因此应将盾前33m和盾后35m共计68m长的区域，作为盾构法隧道设计和施工监控的重点区域。

（2）从隧道轴线侧面的土体变形观测点来看，隧道侧方土体的变形与距离隧道中心的水平距离成反向关系。随着水平距离的增加，土体地表变形值越小。在隧道中心线外侧52m处的地面点的沉降变形值在约为1mm，说明盾构法施工对隧道周围土体的影响范围约为隧道中心线两侧52m以内。

图10 CX1观测点土体的水平位移Fig.10 CX1Observationpointsoilbodyhorizontaldeparture

（3）在隧道盾构法施工过程中，整个施工过程引起地表及以下不同深度土体的纵向变形总体经历隆起、沉降、回缩、稳定四个阶段，前方加压和后方卸荷的机理不同。盾构机对开挖面土体的挤压力、盾构机与围岩的切向摩擦力是引起前方土体隆起的主要因素，盾构通过后的土体损失、盾尾空隙、注浆压力不足是导致盾后土体的沉降变形主要因素。

（4）从隧道轴线侧方的FC1～FC5观测点沉降变形曲线统计来看，随着与隧道中心线水平距离的增加，土体的竖向最大沉降变形值发生的深度在减小，FC1～FC5观测点竖向最大沉降值分别发生在地下15m、9m处、9m处、9m处、6m处，说明随着埋置深度的增加，沉降槽宽度变窄。

（5）通过对隧道周围不同深度的土体沉降位移以及垂直和平行于隧道方向水平位移曲线来看，不同深度处土体位移变化明显。无论是竖向的沉降位移还是水平位移，隧道土体深度的增加，即离隧道中心距离的减小，位移值明显增大，地表处的位移最小。

［1］LeeKM，RoweRK.Ananalysisforthree-dimensional groundmovements；Thethunderbaytunnel［J］.Canadian GeotechnicalJournal，1991，28：25 －41.

［2］姜忻良，赵志民，李园.天津地铁盾构施工对邻近工程设施影响的动态模拟［J］.天津大学学报，2006，39（2）：188 －193.JIANGXinliang，ZHAOZhimin，LiYuan.TheTianjin subwayshieldconstructiontoisclosetotheprojectfacility influencekineticsimylator［J］.theJournalofTianjin University，2006，39（2）：188 －193.

［3］RoweR K，LeeK M.Anevaluationofsimplified techniquesforestimating three-dimensionaluntrained groundmovementsduetotunnelinginsoftsoils［J］.CanadianGeotechnicalJournal，1992，29：39 －52.

［4］SwobodaG，Abukirs. A three-dimensionalnumerical modelingforTBMtunnelinginconsolidatedclay［J］.TunnelingandUndergroundSpaceTechnology，1999，14（8）：327 －333.

［5］姜忻良，崔奕，李园，等.天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟［J］.岩土力学，2005，26（10）：1612 －1616.JIANGXinliang，CUIYi，LIYuan，etal.Tianjinmetro shield tunnelstratum deformation measurementand dynamicsimulation［J］.Geotechnicalmechanics，2005，26（10）：1612 －1616.

［6］施成华.城市隧道施工地层变形时空统一预测理论及应用研究［D］.成都：中南大学申请博士论文，2007.SHI Chenghua.Urben tunnel construction stratum distortionspaceandtimeunificationpredictiontheoryand appliedresearch ［D］.Chengdu：TheSouthcentral Universityappliesforthedoctoraldissertation，2007.

［7］刘洪洲.盾构施工对软土地层沉降影响综述［J］.公路隧道，2001（3）：5－10.LIUHongzhou.Theshieldconstructiontosoftsoilstratum subsidenceinfluencesummary［J］.Highwaytunnel，2001（3）：5 －10.

［8］黄宏伟，张冬梅.盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（S）：1814 －1820.HUANGHongwei，ZHANGDongmei.Theshieldtunnel construction causes surface subsidence and scene monitoring［J］.Journal of Rock Mechanics and GeotechnicalEngineering，2001，20（S）：1814－1820.

［9］郑淑芬.盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究［D］.西安：中南大学申请硕士论文，2010.ZHEN Shufen.Shield tunnel construction surface subsidenceruleandregulatorymeasuresresearch［D］.Xi an：TheSouthcentralUniversityappliesformasterthe paper，2010.

［10］贾勇.盾构施工地层变形实测与三维数值模拟及参数分析［D］.天津：天津大学申请博士论文，2009.JIAYong.Theshieldconstructionstratumdistortsactual andthethreedimensionalnumericalsimulationandthe parametricanalysis［D］.Tianjin：Tianjin University appliesforthedoctoraldissertation，2009.