双线地铁盾构施工引起的地表沉降分析及 施工控制研究

李春英

摘要：最近几年以来，国家经济取得较快发展，由此推动城市现代化进程，现如今，地面交通已不满足人们出行的要求，由此国内很多城市更加注重对地下交通的研发。由于盾构法具有较高速度、较高精度，其与地面交通不冲突，进而被广泛应用于双线地铁施工中。本文对盾构隧道施工引起的地表沉降进行了分析，对地表动态变化情况进行了分析，对如何有效控制地表沉降进行了探讨，并提出了几点建议，希望能帮助到相关人士。

Abstract： In recent years， the national economy has achieved rapid development， which has promoted the process of urban modernization. Nowadays， ground transportation no longer meets the requirements of people to travel， so many cities in China pay more attention to the research and development of underground transportation. Because of its high speed and high precision， the shield method does not conflict with ground traffic， and is widely used in the construction of double-track subways. This paper analyzes the surface settlement caused by shield tunnel construction and the dynamic changes of the surface， discusses how to effectively control the surface settlement， and puts forward some suggestions， hoping to help relevant people.

关键词：数值模型;盾构施工;地表动态;同步注浆

Key words： numerical model;shield construction;surface dynamics;synchronous grouting

中图分类号：P642.26                                    文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）20-0142-02

0  引言

在地铁隧道施工中使用盾构法，会对施工周围的岩土产生影响，促使其发生振动，随着时间不断推移，会导致隧道上方地表发生沉降现象。当地表沉降现象发生之后，会对地下建筑物及相关管道造成影响，甚至能影响到地面交通，由此引起一系列问题，因此，对地表沉降问题进行研究是非常必要的。本文为研究盾构隧道开挖时，地表沉降所呈现出来的规律，及其动态变化过程，以该区间影响较小的区域为研究点，具体而言，就是该区间车辆载荷，即人行载荷。

1  地表沉降变形特征分析

1.1 工程概况

本文以某市地铁2号线为例，选取该地铁某区间进行研究，该区间盾构隧道总长为2.850千米，隧道整体地势较为平坦，相对而言，南面偏高，北面偏低，形成的地面高度差介于1.5米到3.3米之间。盾构隧道途径的范围有：地面道路、空旷地及城市绿化区等，平行线之间的距离介于12.5米到14.8米之间，埋入地下的深度介于14.2米到17.7米之间。盾构隧道所采用的管片为双面楔形类，管片内部直径为5.6米，幅宽为1.3米，管片的楔形量为50毫米，每8块管片组成一环，并采用错缝的方式进行拼装，对于联络管道处而言，采用了较为特殊的管片，并采用通缝的方式进行拼装。本文所研究的区间盾构隧道，其最小埋入深度值为13.4米，由于覆土的深度较浅，因此在隧道施工时，对地表有着较大的影响。

1.2 监测点布置

为研究盾构隧道开挖时，地表沉降所呈现出来的规律，及其动态变化过程，以该区间影响较小的区域为研究点，具体而言，就是该区间车辆载荷，及人行载荷，共设立2个检测断面，在横向上设立38个观测点，以便对沉降值进行实时监测。其中，S1断面与地铁站之间的距离为30米，两个断面之间的距离为10米，每两个观测点之间的距离为4米。

1.3 建立数值模型

本研究采用分析软件为ABAQUS软件，一般而言，采用盾构法开挖隧道时，会对岩土体产生一定的影响，影响洞径范围介于4倍到6倍之间，三维数值模型该数据模型图的长度为100米，宽度为60米，高度为80米，盾构隧道外直径为6.4米，隧道埋入地下深度为16米，两侧面隧道之间的距离为11.8米，所使用到的管片厚度大小为0.45米，管片幅宽为1.4米。

结合相关的分析报告，在对土地进行计算时，采用的数值模型为弹塑性类型，管片则采用弹性模型，将岩土层相关参数进行加权平均处理，由此使用于数值模型中，数值模型四周边界采用施加法向进行限制，数值模型底部边界采用完全固定。并设置盾构施工侧面土压力系数为0.6，并假设施工引起的土体损失均匀分布，岩土体损失率为3%左右。

1.4 地表最终沉降预测与对比分析

针对于地表沉降的计算，本文采用三维模拟办法，将实际测量所得的沉降值，与通过用公式计算出来的结果进行比较。盾构隧道施工完成之后，两断面的沉降模拟线，三者之间的模拟情况几乎一样，通过观察沉降曲线可知，沉降呈W形状，由于在使用双孔计算公式计算沉降值时，充分结合了隧道开挖的顺序，其所计算出来的沉降值更好体现沉降槽的特征，也就是沉降槽的非对称性。

当完成隧道施工之后，两个断面的沉降槽基本上是对称的，将实际测量所得的沉降值，与用公式计算出来的结果进行比较，沉降槽呈现不对称，产生这样的情况，主要是由于未考虑盾构隧道开挖的顺序，具体而言，就是左右线开挖，及盾构机的偏斜。

1.5 地表动态变形特性

在盾构隧道开挖时，会引起地表沉降现象的发生，其主要是由于施工对岩土体造成影响，土体损失不断累积而致的，为研究地表沉降动态变化过程，以盾构隧道S2断面为对象面，绘制地表沉降动态变化。

通过分析图中所含信息可以得知，现场实测值与数值计算值变化情况基本吻合，在距离目标面（也就是盾构隧道S2断面）一定范围时，盾构隧道上方地表已出现沉降现象，从接近目标面到远离目标面的这一阶段中，地表沉降程度最大，在通过目标面之前，监测到的最大沉降值为13.5毫米，占沉降变形的46%，通过数值计算的沉降值，其最大值为12.8毫米，基本上接近于沉降变形的一半，其沉降变形比例为49%。

2  地表沉降的施工控制措施

针对于本文所研究的区间盾构隧道而言，其最小埋入深度值为13.4米，由于覆土的深度较浅，因此在隧道施工时，对地表有着较大的影响。另一方面，对于盾构隧道施工环境而言，主要是在黏土层中开展，一般而言，黏土层具备较强的渗透能力，而且大部分黏土层介于地下水范围，当地下水位发生变化时，能加剧地表沉降变化程度，在这样的情况下，阻碍了盾构隧道施工进程，这一点主要体现于地下水位下降时，土层之间的水压力降低。由此，有必要采取有效措施，来对地表沉降进行控制。

2.1 同步注浆改进

对于同步注浆而言，其实质就是指在盾构隧道施工时，在盾构机尾部注浆，对于地表沉降控制效果而言，注浆状态能决定地表沉降控制效果。为尽最大可能降低盾构施工对地面所造成的影响，及降低应力释放，有效控制地表沉降，在同步注浆时，应在沉降变化程度最大的阶段进行，并控制注浆的量。在对注浆进行模拟时，采用三维数值模型，假设盾构施工引起的岩土体损失均匀，岩土体损失率为5%，把注浆层作用于均布压力，均布压力源于盾构隧道管片，及洞周围岩土体，依次设置2.4立方米注浆量，2.6立方米注浆量，2.8立方米注浆量，及3.0立方米注浆量。依据数值模型计算，得出注浆量与地表沉降值的关系。

通過分析所含的信息可以得知，注浆量从2.4立方米增加到2.6立方米的这一阶段，地表沉降值大概降低了1.2毫米，当注浆量增加至2.8立方米时，地表沉降值大概降低了0.8毫米，当注浆量增加至3.0立方米时，地表沉降值大概降低了0.4毫米，由此可以得知，从注浆量为2.4立方米到注浆量为3.0立方米之间，地表沉降值最终为25.5毫米，总共降低了2.4毫米。因此可以得知，增加注浆量能在一定程度上控制地表沉降，从注浆量为2.4立方米到注浆量为3.0立方米之间，地表沉降大概降低了6.6%，因此在盾构隧道施工时，注浆量应介于2.4立方米到2.8立方米范围之间。另一方面，为有效控制地表沉降，需对浆液进行改进，具体而言，缩短浆液凝固所需时间，减小凝固之后的收缩率。

2.2 土舱压力设定

对于盾构机而言，土舱压力值设定是否合理，不仅能决定盾构施工的安全性，而且能决定地表沉降控制效果。当盾构隧道施工时，为确保开挖面稳定，降低对岩土体的扰动，可以加大土舱压力，及缩小开挖面得以实现，因为缩小开挖面能降低变形程度。借助于数值模型来计算，有效结合土舱压力情况，在数值模型中分别设置0.12兆帕土舱压力，0.15兆帕土舱压力，0.18兆帕土舱压力，及0.21兆帕土舱压力，每开挖一次隧道，其开挖位移为1.2米。依据数值模型计算方法，针对于不同的土舱压力值，得出了工作面开挖距离与地表沉降值之间的关系，如图1所示。

通过分析图1中所含的信息可以得知，土舱压力值从0.12兆帕增至0.21兆帕的过程中，对于盾构隧道施工而言，地表沉降值共降低了4.4毫米，当完成盾构隧道施工时，地表最终沉降值为2.6毫米。当工作面的开挖距离逐渐接近于目标面时，各土舱压力下的地表动态沉降变化情况基本吻合，当开挖面距离目标面的一定范围之内，随着土舱压力值不断增大，地表沉降情况呈现放缓趋势。当土舱压力增至0.21兆帕时，当开挖面刚开始通过目标面时，0.21兆帕土舱压力下的沉降值竟然大于0.18兆帕土舱压力下的沉降值，产生这样的现象主要因为开挖面受到不均衡的土压力。通过以上的分析可以得知，通过适当提高土舱压力值，能有效控制地表沉降情况。土舱压力值从0.12兆帕增至0.18兆帕的过程中，地表沉降值大约降低了6.2%，因此，若土体压力系数为0.6时，在调整土舱压力值时，应介于0.12兆帕到0.18兆帕之间，由此能确保开挖面处于稳定状态，能确保开挖面受力平衡，这样的力主要是土压力。

3  结论

通过以上的分析可以得知，为尽最大可能降低盾构施工对地面所造成的影响，及降低应力释放，有效控制地表沉降，在同步注浆时，应在沉降变化程度最大的阶段进行，并控制注浆的量;在盾构隧道施工时，注浆量应介于2.4立方米到2.8立方米范围之间;为有效控制地表沉降，需对浆液进行改进，缩短浆液凝固所需时间，减小凝固之后的收缩率;在盾构隧道施工时，为确保开挖面稳定，降低对岩土体的扰动，可以加大土舱压力，及缩小开挖面得以实现。

参考文献：

[1]鞠鑫.双线地铁盾构施工引起的地表沉降分析及施工控制[J].铁道标准设计，2019，63（08）：120-125，139.

[2]欧孝夺，罗炳雄，江杰，等.南宁地铁盾构双线隧道地表沉降预测模型研究[J].广西大学学报（自然科学版），2019，44（04）：1010-1020.

[3]鞠鑫.双线地铁盾构施工引起的地表沉降分析及施工控制[J].铁道标准设计，2019，63（08）：120-125，139.

[4]杨成永，马文辉，彭华，等.地铁双线盾构近距下穿盾构隧道施工沉降控制[J].铁道工程学报，2018，35（07）：91-98.