地铁盾构掘进地层沉降遮拦叠交效应探析

曹勇

（中国铁建十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430000）

地铁盾构掘进地层沉降遮拦叠交效应探析

曹勇

（中国铁建十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430000）

随着时代的发展和社会经济的进步，我国的地铁数量越来越多。在地铁隧道的施工中，非常重要的一种施工方法就是盾构法，城市地铁盾构隧道近接施工会引起复杂的地层效应，盾构隧道施工时，中间土体的变化规律是地层效应的研究重点，对于地面沉降的控制具有重要意义。本文主要探析地铁盾构掘进地层沉降遮拦叠交效应，为合理制定施工场地存在复杂建（构）筑物工况条件的地铁隧道开挖对周围环境保护措施提供一定的理论依据。

地铁；盾构掘进；地层沉降；遮拦叠交效应

1 引言

随着我国社会经济的高速发展，城市化进程不断加剧，城市发展与土地资源短缺之间的矛盾日益突出，城市地下空间资源的开发和利用成为社会可持续发展的重要方向之一。地铁隧道施工诱发的土体沉降以及临近地下构筑物变形是我国城市轨道交通施工安全控制和风险评估中较为关心的一类施工问题，对此国内目前尚没有明确的独立学科归属，一般将其归于地下工程施工力学的研究范畴，本文采用简化理论方法、三维有限元数值模拟方法以及现场监测方法。我国在近些年内，对此做了深入的研究，但是因为地质条件总是特别的复杂，并且施工参数也是不断的变化，所以在一定程度上制约了研究的成效。加之，目前在多数城市地铁隧道施工中，施工场地地下环境较为复杂，施工盾构往往不可避免地叠交穿越或绕行既有地下构筑物。因此，较为准确地预测复杂遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起的地层沉降并制定相应的工程保护措施是当前亟待解决的一大问题。目前，针对该领域地层沉降的简化理论研究还仅仅针对自由位移场，没有考虑临近既有构筑物的遮拦效应影响。

2 工程简介

广州地铁六号线某区间遂道是双线隧道，覆土厚度在10～25m之间；地面以下3.0m左右含有地下水，施工采用的盾构机是德国生产的。盾构区间属珠江三角洲平原，沿线道路交通繁忙，为密集的建筑物、高架桥桩基区，地下管线密布。为确保工程本身及周边环境的安全，设计采用土压平衡盾构机进行施工，利用钢筋混凝土管片衬砌隧道内衬，保证一次成型，按照一定的原则来进行管片的拼接，将膨胀胶止水条应用到管片接缝。盾构隧道区间起止里程：Y（Z）DK12+811.839～YDK13+792.069（ZDK13+793.027）。右线长度为980.230m，左线长度为981.188m，隧道全长1961.418m。

该设计区间合设一座联络通道及崩间，区间隧道配备两台国产“863”ô6340mm土压平衡盾构（如图1所示）进行同向掘进，该盾构平衡机为加泥土压平衡式，平衡压力的设定更加符合实际工程的情况。盾构隧道衬砌外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1200mm，厚度300mm，每环6片错缝拼装，衬砌环采用通用环的组合形式。盾构区间主要穿越红层中等风化带和红层微风化带，计算范围地层相关参数见表1。

图1 土压盾构机平衡图

表1 九三范围底层相关参数

3 现场监测的结果与分析

对于大多集中于施工盾构平行或同时下穿临近隧道的施工工况，主要采用了有限元数值模拟方法进行了计算理论研究，而针对多线盾构复杂叠交穿越运营地铁隧道的变形规律及其施工对策的研究成果还不多见。在施工过程中，需要将地表测点合理地布设于左右线隧道上方地表中，一般来说，随着上线隧道的开挖，岩柱在竖直方向不断向上移动，同时所取点也沿隧道前进方向移动。同时，随着上线隧道的开挖，该点在水平方向的位移增大（土体向右移动），可以将横断面布设于左右线的地面环境中，要选择合适的位置，两个横断面之间的距离一般保持在30m左右，对盾构机掘进所导致的沉降坡度以及其他的影响等进行观测和调查，在5m范围内变化较快，当上线隧道开挖过该点后，位移减小（土体向左移动），最终趋于稳定。

4 地铁盾构掘进地层沉降遮拦叠交效应探析

4.1 遣拦效应下隧道施工引起土体沉降分析

结合广州地铁5号线隧道工程，采用MIDAS（GTS）有限元软件开展数值分析，对近接施工的三种形态，即水平、斜45°平行和重叠进行了有限元模拟。在本文研究中，采用随机介质理论针对遮拦效应条件下的隧道施工引起的周围土体沉降进行研究。以广州地铁6号线下行线盾构施工为例，假定坐标原点在地表，盾构开挖断面区域为，隧道管片拼装完成后，开挖断面收缩，此时区域变化为ù。模型边界条件严格按照隧道力学分析结果，其横向边界到隧道边界的距离约3～5倍洞径，垂直方向上，模型下边界到隧道底部边界的距离大于3倍洞径，向上取至地表。在具体分析时，选定一组初始参数值，应用Powell优化方法，迅速自动搜索一组参数，使得目标函数满足精度要求。

4.2 地表沉降监测

针对本文涉及的轨道交通项目，为进行参数优化反分析，选取广州地铁6号线上行线盾构正式叠交穿越既有构筑物工况之前进行地表沉降监测。通过调查发现，隧道上覆地层有着很多的地质种类，比如人工填土层、淤泥及淤泥质土层、残积土层以及岩石全风化带等等，通过一段时期的观测，地表沉降监测的结果主要有以下几点：①上下重叠段随着上线隧道的开挖，岩柱在竖直方向不断向上移动，同时所取点也沿隧道前进方向移动。当掌子面开挖过该点后，该点向上移动，同时沿隧道前进方向反向移动；②地质条件会在很大程度上影响到沉降的大小，如果地层相对比较软弱，并且没有较好的稳定性，那么就会有较大的地表沉降；③由于优化算法中选取了现场监测值，使得主要影响角参数â体现了临近既有构筑物对土体位移场的遮拦效应影响；④盾构施工完成后，地表沉降曲线图与Peck提出的盾构施工引起地面横向沉降槽公式计算出的结果基本一致，最大沉降量出现在盾构施工隧道的正上方，且隧道完工后地表沉降基本上是两次盾构施工引起的地表沉降之和；⑤随着隧道结构刚度的增大，遮拦效应影响程度随之增大，而盾构施工诱发的地层沉降值则显著减小；⑥对于横向地表沉降，地层条件对盾构掘进对地层影响程度起决定性作用，如果地层有着良好的自稳性，那么地表就不会受到盾构掘进十分大的影响。

4.3 地铁盾构掘进地层沉降遮拦叠交效应探析总结

近距离交叠隧道施工会引起变化复杂的地层效应，相互影响显著。交叠隧道多作为城市轨道交通设施出现在人口稠密的城市，埋深一般在10～20m，属浅理隧道，研究的首要问题便是如何正确理解和评估两隧道的相互作用，同时充分考虑既有构筑物带来的遮拦效应。本文通过对地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降的分析，可以得出这些结论：①通过分析我们可以发现造成地表沉降的主要因素是初始应力状态改变造成的土层变形、地层损失等等；②浆液质量也是影响地表变形的重要因素之一，为了更好地控制地面沉降以及既有运营隧道变形，采用压注大比重单液浆的同步注浆系统；③采用Powell优化方法进行施工场地位移反分析来确定隧道开挖变形主要影响角â，可以充分体现临近既有构筑物遮拦效应对盾构施工的影响。

5 结语

综上所述，盾构法施工会影响到环境，并且还会引起地表的沉降，那么就需要加强监测，依据反馈的信息来对施工方案进行及时的调整。本文依托广州轨道交通6号线北段二期施工工程，提出了复杂遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层位移以及既有构筑物影响的简化理论分析方法。

[1]张治国.遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2013（9）：58～64.

[2]吴张中.地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析[J].路基工程，2012（4）：23～24.

U455.43

A

1004-7344（2016）03-0125-02

2016-1-11

曹勇（1979-），男，工程师，本科，2002年毕业于西南交通大学，机械工程及自动化专业，主要从事地铁车站及盾构隧道施工管理工作。