地铁隧道盾构施工地表变形影响因素分析

廖利钊　郭　谱　杨　俊

(1.上海天佑工程咨询有限公司，上海　200092；2.华中科技大学　土木学院工程管理研究所，武汉　430074)



地铁隧道盾构施工地表变形影响因素分析

廖利钊1郭谱2杨俊2

(1.上海天佑工程咨询有限公司，上海200092；2.华中科技大学土木学院工程管理研究所，武汉430074)

【摘要】地铁盾构由于其高机械化、高自动化、对周边建(构)筑物影响小等优点在地铁隧道中广泛应用。但隧道施工过程中产生的地层沉降易导致地表建构筑物倾斜，甚至开裂、倒塌，施工中存在很多风险隐患，事故频发。本文以武汉地铁二号线某区间隧道为背景，通过现场实际监测数据系统分析盾构掘进过程中地表沉降的时空效应及影响因素，并探讨隧道设计参数、地质情况和施工参数三个因素对地表沉降的影响，总结地表沉降规律，指导盾构掘进参数的优化调整，从而降低和控制工程安全风险，并为类似工程提供有益参考。

【关键词】隧道工程；盾构法施工；地表沉降；现场监测；时空效应；影响因素

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.13

引言

地铁盾构施工具有高度的机械化、自动化，不影响地面交通，对周围建(构)筑物影响较小，适应软弱地质条件，施工速度快等优点，在城市地铁工程中得到广泛应用。目前已经成为国内外城市地铁隧道的主要施工方法。

由于地层沉降可能导致地表建筑物倾斜，甚至开裂、倒塌，地下管线被破坏；地层水平位移可引起地下桩基偏移及管线与通道错位等，进而导致桩基承载力下降并影响管线与通道的正常使用，甚至毁坏。因此，必须研究盾构隧道施工时引起地层移动、造成地面沉降的影响因素，对地面沉降量进行预测，正确估计可能发生的地面变形，以选择最佳的施工技术，制定一套完善的措施，保证施工对于己有的建筑、设施所造成的影响危害控制在允许的范围内，确保施工地区楼房、建筑物与地下管线等重要设施的安全。

鉴于此，本文以武汉轨道交通二号线某地铁隧道为依托，系统分析盾构掘进过程中地表沉降的时空效应及影响因素。在此基础上，探讨隧道设计参数、地质情况和施工参数三个因素对地表沉降的影响，总结地表沉降规律，指导盾构掘进参数的优化调整，从而降低和控制工程安全风险，并为类似工程提供有益参考。

1工程概况及现场监测方案

1.1工程概况

武汉地铁二号线某区间隧道为双线隧道，覆土厚度为10～40m，该盾构隧道采用德国海瑞克公司生产的泥水加压盾构机施工，隧道衬砌采用钢筋混凝土管片衬砌一次成型，管片拼装采用“5+1楔形块”错缝拼装，管片接缝采用膨胀胶止水条。

根据地质详勘报告，本工程盾构隧道在靠近盾构始发洞身范围内为第四系全新统冲积层，上部为1～5m的粘土，下部为2～3m的淤泥质土。盾构隧道洞身主要从粉细砂层(4-2)和含砾中粗砂层(2-4)中穿过，局部从两层分界线附近通过，在靠近积玉桥站段局部通过(3-2a)淤泥质粘土、(3-2)粉质粘土，江底约80m底部切削中风化泥质粉砂岩，最大切削厚度为1.2m。具体地质统计表见表1。

1.2隧道监测方案

地表沉降测点布置根据隧道埋深、施工影响范围来考虑，一般纵向在有条件的地段布置横断面，每个断面10～15个测点，横向监测范围为隧道中线H+2D；沿隧道纵向每10m布置一个测点；测点埋设方法采用冲击钻在地表钻孔，然后放入沉降测点，测点一般用Φ20～30mm，长200～300mm，半圆头钢筋制成，具体埋设方法如图1。

该区间隧道地表沉降监测点布置图如图2所示。

2地表沉降的时空效应分析

2.1地表沉降的时间效应分析

随着盾构的推进，隧道中心线上方的地表沉降点在某时间段内的沉降值呈现出明显的时间效应。选取隧道中心线正上方的两个监测点DK14+782与DK14+772，统计从盾构开始影响该测点到盾构通过后该测点完全稳定这个时间段内的每日地表沉降值，得出沉降时间效应曲线(图3)。

通过表1统计的监测数据及对应的曲线图对地表沉降的时间效应[2， 3， 9]进行分析得出，盾构法施工的地表沉降按沉降类型可以明显地分为五个阶段：

(1)先行沉降——盾构到达前

根据实际观测，盾构掘进面距地面观测点还有约十米的时候，地面沉降开始表现出来。这部分沉降大约占总沉降的5%左右。

(2)开挖面前的沉降或隆起——盾构到达时

当盾构机掘进面距观测点较近直至开挖面位于观测点正下方之间，由于土体的应力释放导致地面沉降。这部分沉降大约占总沉降的5%左右。

(3)推进沉降——盾构通过时

当掘进面到达观测点的正下方之后直到盾构机尾部通过观测点为止，由于盾构推进过程中对土的扰动，使得地面出现第一次急剧沉降。约占总沉降的35%左右。

(4)盾尾空隙沉降——盾构通过后

当盾构机的尾部通过观测点的正下方时，地表此时出现第二次急剧沉降。其主要是盾尾空隙出现后土体应力释放所引起的弹塑性变形。约占总沉降的50%左右。

(5)后续沉降——长期

指固结和次固结引起的沉降。地面后期固结变形多数只占地面总变形量的较小部分，约占总沉降的5%左右。

2.2地表沉降的空间效应分析

盾构推进过程中，除隧道中心线上方的地表沉降存在时间效应外，其横断面的地表沉降还呈现明显的空间效应。

选取隧道上方的一个地表横断面DK14+552的10个监测点，统计从盾构开始影响该测点到盾构通过后该测点完全稳定这个时间段内的地表沉降值，得出地表沉降时间效应曲线(图4)。

实际的理论计算通常采用Peck法[2， 3， 9]计算的盾构隧道地面沉降量，计算公式如下式：

式中，V1—地层损失(地表沉降容积)；

i—沉降槽曲线反弯点；

z—隧道中心埋深。

其理论沉陷槽横向分布见图5。

实际监测显示，在隧道中心线正上方的地表沉降最大，达到30mm左右；其沉降曲线的反弯点位于隧道中线两侧7m左右。总体来说，根据施工监测值绘出的沉降槽与理论沉降槽十分相近。

3地表沉降地表影响因素分析

地铁施工引起地表变形的时空演化特性，是非常复杂的多种因素[5， 6， 8]共同作用的结果，如工程设计参数、工程地质参数以及施工参数等。从系统角度上说，所有影响因素构成了系统的输入变量，工程设计参数、工程地质参数是引起地表变形的内因，地铁施工参数是引起地表变形的外因。因此，本文在归纳总结已有文献研究成果的基础上，从盾构施工引起地表变形的三个层面影响因素进行定性和定量分析，如图6所示。

3.1工程设计参数影响分析

工程设计参数主要是指与隧道线路设计、管片设计等有关的工程几何参数。

本工程中盾构隧道采用管片拼装式单层衬砌，管片外径6 200mm，内径5 500mm，厚350mm，环宽1.5m，为固定值，研究意义不大。故下面重点对隧道埋深与盾构施工地表变形特征之间的关系[1， 10]进行了深入研究。

选取该隧道里程DK14+807～DK14+752段的7个监测点，该区域盾构穿越地层均为(3-2a)淤泥质粘土层，且盾构掘进参数变化不大，统计这些点的最终累计沉降。具体数据及曲线图见表2、图7。

根据表2及图7所示：隧道埋深在9～10m范围内，隧道埋深与地表沉降基本呈线形关系递增，而当隧道埋深超过10m，地表沉降的变化程度明显变小，并趋向于稳定，实测数据表明其稳定在18mm左右。

3.2工程地质参数影响分析

工程地质条件[6， 7， 8]与沉降大小密不可分，理论上相对软弱稳定性差的地层，地表沉降大；而相对坚硬稳定性好的地层，地表沉降小。

由于隧道埋深大于10m时，埋深对地表沉降影响较小，故选取埋深大于10m及施工参数接近的5个沉降监测点，通过加权平均取该处隧道土层的平均粘聚力及平均内摩擦角，统计这些点的最终累计沉降。具体数据及曲线图见表3、图8。

根据表3中的数据及关系曲线，从土层粘聚力C及内摩擦角φ两方面可以看出：随着土体粘聚力和内摩擦角的增大，最大地表沉降也随着增加。

3.3施工参数影响分析

盾构施工参数主要是指盾构开挖面压力参数、盾构排土参数、盾构推进参数、盾构姿态参数和盾构注浆参数等。对于武汉地铁某盾构隧道工程，采用泥水加压平衡盾构，施工参数包括切口水压、送泥流量、排泥流量、送泥相对密度、排泥相对密度、盾构推进速度、刀盘转速、刀盘每转切深、刀盘扭矩、盾构千斤顶分组推力、盾构头尾的中心偏差、转角和坡度、同步注浆量、同步注浆压力等。其中，我们对泥水盾构施工的盾构掘进速度[4]、盾构注浆填充率[9]与盾构施工地表变形特征之间的关系进行了深入研究：

(1)盾构推进速度v

由于隧道埋深大于10m时，埋深对地表沉降影响较小，故选取埋深大于10m及同一地层条件下的7个沉降监测点，统计盾构到达该监测点前一天到盾构掘进面通过该监测点后一天时间段内的地表沉降值，并对掘进速度和地表沉降进行对比分析，其关系曲线见图9。

由上图可知，盾构推进速度对地表沉降的影响非常显著。推进速度由15mm/min加快到20mm/min时，地表沉降随着推进速度的增快而减小；而当掘进速度从20mm/min增加到24mm/min时，地表沉降从2mm左右不到急剧增加到8mm左右；但推进速度达到24mm/min以后，地表沉降量基本在8mm左右波动而不再增加。由此可见，适当的加快推进速度能减小对土体的扰动；而当推进速度过快，地表变形随之变大；但达到一定的推进速度以后，地表沉降量趋于定值而不再增加。

(2)盾尾空隙填充率

由于隧道埋深大于10m时，埋深对地表沉降影响较小，故选取埋深大于10m及同一地层条件下的7个沉降监测点，统计盾构刀盘到达该监测点前一天到盾尾通过该监测点后一天(即从盾构通过到注浆结束)时间段内的地表沉降值，并对盾尾空隙填充率和地表沉降进行进行对比分析，其关系曲线见图10。

通过监测数据统计分析可见，地面最大沉降随注浆填充率的增加而减小，几乎呈线性关系。这说明盾尾注浆填充率对地面沉降的影响很大。

4结论

本文通过对武汉地铁二号线某区间隧道盾构法施工过程中的地表沉降的现场监测及分析，得出以下几点主要结论：

(1)盾构施工引起的地表沉降符合时空效应的规律。且地表沉降由多种因素产生，它既与设计参数(隧道埋深等)、地质情况等客观因素有关，也与施工参数(掘进速度、盾尾注浆填充率)等主观因素密切相关。

(2)在各项影响地表沉降大小的因素中，影响较大的因素主要有隧道埋深、地质情况、盾构掘进速度和盾尾注浆填充率。各因素对地表沉降的影响不同，基本呈线性或非线性关系，在具体工程中需要进一步深入分析。

(3)监测结果表明，即便地质及设计各项参数相同，但采用的施工参数不同，相应的地表沉降也会有差异。因此施工过程中盾构参数的优化和调整显得尤为重要，故在盾构法施工时，应加强监测和信息的反馈，及时调整施工的各项参数。

参考文献

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Influence Factors of Ground Surface Subsidence Induced by Shield Tunneling in Subway Construction

Liao Lizhao1，Guo Pu2，Yang Jun2

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200092，China;2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Key Words：Shield Tunneling；Subway Construction；Ground Surface Subsidence；Monitoring；Factor

Abstract:Because of its high mechanization，high automation and low-impact to the surrounding buildings and structures，shield tunneling has been widely used in the subway tunnel construction.However，deformation of stratum induced by shield tunneling is prone to cause inclination and even cracking or collapse of surrounding buildings.So there are so many safety risks in the subway tunnel construction that lead to frequent accidents.Based on the site measurement results，this article chooses a certain subway tunnel section of Line No.2 of Wuhan Metro to systematically analyze and summarize the spatial and temporal effects and influence factors of the surface subsidence including the tunnel design parameters，geological conditions and the construction parameters.The research results are helpful to the shield operation parameter optimization and adjustments，controlling and reduction of the safety risks in the construction，and provide a useful reference for similar constructions in the future.

【基金项目】国家自然科学基金“网络理论的地铁盾构施工诱发环境风险的时空演化机理与规律研究”(编号：51408245)

【作者简介】廖利钊(1962-)，男，高级工程师。主要研究方向：地铁工程风险控制。

【中图分类号】U455.43;U456.3

【文献标识码】A

【文章编号】1674-7461(2016)02-0084-06