行业要闻

 

摘  要:以深圳地铁五号线的盾构施工为工程背景，对洪浪站 － 兴东站区间盾构隧道的施工进行了监控量测，根据实测数据，对土压平衡盾构法隧道施工引起的土体变形特性进行了分析，研究了地表沉降过程及其分布规律，结合理论研究与三维数值计算，将有限元模拟结果与实测数据进行对比，二者吻合程度较好。

关键词:土压平衡盾构; 实测数据; 地表沉降; 有限元模拟

 

      随着经济的发展和城市人口的急剧增加，地面交通越来越不堪重负，于是人们把目光投向绿色环保、方便快捷的城市轨道交通———地铁和轻轨。如今我国的地铁建设在全国各大城市正如火如荼地进行着，可见，在未来的几十年中，地下铁道建设将迎来一个高潮。盾构施工以其快速、安全、对周围环境影响小、适用于富水软土地层等优点，成为地铁隧道建设中一种非常重要的施工方法^［1，2］。同其他施工方法一样，由施工引起的地表沉降是盾构法施工的一个重要问题，尽管围绕这一问题目前已做了不少的研究工作，但由于地质条件的复杂多变及施工条件的不同，使得各个研究成果都具一定的局限性。目前，对盾构法隧道施工隧道引起的地表沉降分析及预测的方法主要有: 经验公式法、解析法、理论分析法、模型试验研究、数值分析等^［3，4］。本文以深圳地铁五号线的盾构施工为工程背景，分析盾构施工中引起地表的沉降及其形成原因，通过实测数据行了研究，为今后类似工程提供参考。

 

      横向地表沉降是以 Peck 曲线为代表的沉降槽公式，其沉降槽的形状近似于正态分布曲线如图 1，沉降槽反弯点与中心点的距离以 i 表示，最大沉降量以δ_max表示，则存在以下关系式: 反弯点处的最大沉降量≈0. 618δ_max，最大曲率半径点的沉降量 ≈0. 22δ_max，沉陷槽断面面积 ≈2. 5iδ_max。横向沉降曲线在隧道中心最上方达到最大值，依次向两边随着距隧道中心距离的增大而减小，影响范围在5 倍的洞径范围内^{［3 －5］}。

      盾构施工隧道引起地面沉降的主要原因有: 施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结作用等。地表变形的大小则取决于施工条件、地下水和地层条件、隧道直径、埋深等因素。

 

      深圳地铁五号线洪浪站—兴东站区间设计里程范围左线 DK6 + 583. 04 ～ DK7 + 534. 96，全长 951. 92m; 右线 DK6 + 583. 74 ～ DK7 + 277. 99，全长 694. 25m。区间隧道采用复合式土压平衡盾构施工，盾构始发端头井位于兴东车站，采用海瑞克盾构机，从大里程向小里程方向掘进，隧道拱顶埋深 8. 0 ～ 14. 7 m。盾构区间圆形隧道外径 6. 0 m，内径 5. 4 m，管片宽度 1. 5 m，管片厚度300 mm，分块数为6 块 ( 一块封顶块、两块邻接块、三块标准块) ，环间采用错缝拼装，管片混凝土等级为 C50，抗渗等级 S10。

      工程段范围内所在地区为冲洪积平原，地面标高9. 97 ～ 14. 04 m，地形略有起伏。上覆第四系全新统人工堆积层、冲洪积层、花岗岩残积层，下伏燕山期花岗岩。区间隧道洞身处于地下水位以下，主要从砾质粘性土、微风化、中、强、全岩石中通过。由于其埋深位于地下水位以下，地下水压力对隧道施工及衬砌结构有较大影响，隧道穿越地层砾质粘性土含量约占 56 %，隧道区间场地内普遍存在饱和圆砾层和砂层，富水性大，结构松散，透水性强，属较不稳定土体，施工中易发生坍塌、涌砂、涌水等现象。各地层主要物理力学指标见表 1。

      为了监测盾构施工所产生的地表沉降，沿盾构掘进方向每隔 10 m 布设一个测点，每隔一定距离布设一个横向监测断面，每个横向监测断面在垂向于隧道走向的方向上又布置 6 ～ 7 个监测点，其间距为 5. 0m。每个点位埋设一根长 0. 5 mΦ12 的光圆钢筋，顶部略微隆起。埋设时在地面钻挖一个直径 10 cm 深0. 7 m 的柱状孔，在孔中灌入砂浆插入钢筋，砂浆不能与地面混凝土硬化层粘结，只能与周围土体固结在一起，钢筋头低于混凝土地表面 10 cm，上加小盖保护。测点布置示意见图 2。

      根据隧道不同的地层条件，选择六个 S₁～ S₆具有代表性的监测断面，其桩号、里程及埋深见表 2。

    

      根据盾构施工情况、监测断面距开挖面的距离和沉降速率等来确定监测频率，出现异常情况时，应增大监测频率，一般情况下可选用如下监测频率: 掘进面距监测断面前后小于等于 20 m 时，2 次/天; 掘进面距监测断面前后小于等于 50 m 时，1 次/2 天; 掘进面距监测断面前后大于 50 m 时，1 次/周; 根据数据分析确定沉降基本稳定后，1 次/1 月。盾构隧道地表沉降的施工控制标准为 + 10 ～ － 30 mm。图 3 为S₁～ S₆断面沉降曲线^［6］。

      监测断面 S₁位于盾构出洞阶段，该断面沉降量最大，中心线沉降量达 29 mm，但是低于规范要求。产生的原因主要是盾构处于到达阶段，土舱压力不断调整，到达时土压减少，没有建立真正意义上的土压平衡; 还有就是地层条件比较差，引起部分地层损失，使地面产生较大沉降。断面 S₂和 S₃的地层条件和断面 S₁相似，由于盾构在 S₂和 S₃断面处，土压达到平衡，两断面的最大沉降量相对于 S₁要小些，断面 S₂最大沉降量为 17 mm，断面 S₃最大沉降量为 20mm。断面 S₄和 S₅穿越地层和上覆土地层条件相对较好，盾构各项掘进参数设置适当，盾构姿态较好，没有出现大容量的漏浆，地表沉降量控制的较好，S₄最大沉降量为 10 mm，S₅最大沉降量为 12 mm。断面 S₆位于盾构始发阶段，土体粘性较大，抗剪强度较高，呈可塑至坚硬状态，渗透性较小，灵敏度较低，土体自稳性能较好。在盾构始发阶段，尽管土压在不断调整过程中，未能建立真正意义上的土压平衡掘进模式，隧道埋深较浅，盾构掘进对地表变形的影响较大。但是由于该段地层条件较好，地表沉降量不大，最大沉降量只有 9 mm，因此盾构始发是较成功的。

      由各监测断面的监测数据可知: 盾构掘进过程中，其影响范围的主要区域在隧道轴线 7 m 范围内，在此范围内沉降槽体积占到总体积的 60 % ～ 70 %，是沉降的最大区域。地表沉降影响范围在隧道轴线两侧约 25 m 范围内，距隧道轴线 7 ～ 25 m 范围为次要沉降区。离隧道轴线 25 m 以外的区域，地表沉降数值较小，考虑到观测误差等因素，可以该区域认为几乎不受盾构施工的影响。

      图 4、图 5 为地表变形监测断面 S₃和 S₄处横向地表沉降随时间变化曲线。

      盾构未到达时地表已产生变形，影响范围为盾构距测点 0 ～ 15 m，主要是由土舱压力的波动而引起。当开挖面土舱压力偏高时，则使开挖面土体受挤压，从而引起地表隆起; 当开挖面土舱压力偏低时，造成盾构开挖面应力释放，从而引起地表沉降; 当开挖面距观测点为 3 ～ 10 m 时，由于盾构机推力对土体扰动，开挖面塌落，地下水位变化，施工参数 ( 如掘进速度、土压力等) 变化等多方面因素影响，可能产生地表轻微隆起和沉降。前期沉降阶段是地层沉降递增的缓慢过程，沉降量约占总沉降量的 5 % ～15 %。

      当盾构切口到达测点开始直至盾尾离开测点期间发生的地表沉降。这一期间所产生的地表沉降主要是由盾壳向前移动过程中盾壳对地层的摩擦和剪切作用所引起。盾构外壳表面在施工过程中被粘附上一层粘土或浆液，使盾构壳体外周实际尺寸增大，从而增大了盾构建筑空隙面积，亦增加了地层的变形。盾构通过时的地表沉降约占总沉降量的 20 % ～45 %。

      盾构机继续往前推进，盾尾通过测点后产生的地表沉降，影响范围约在盾尾通过测点后 0 ～ 20 m。由于盾构掘进机的外径大于管片外径，盾尾通过测点后，在地层中遗留下的空隙就需及时注浆充填，以控制地表变形。如盾尾壁后注浆没有及时进行以充填空隙，或是注浆部位、注浆压力、注浆量、浆液配比和材料方面不适当，使建筑空隙中的浆液不能及时形成环箍，盾尾脱出后，无支撑能力的软土就会很快自行充填建筑空隙，造成土层应力释放。此外，盾构在平面或标高纠偏过程中所引起的单侧土体附加压力在盾尾脱出后亦发生应力释放，于是又增加了盾尾部分的建筑空隙，这些情况终将最后也会反映到地表变形上来。这一期间的地表沉降约占总沉降量的 20 % ～35 % ，沉降的速率也较快，因此在该区间要加强观测，以防止发生较大的沉降。

      后期沉降是盾尾脱出一周后的地表沉降，该阶段沉降主要是由于土体固结、徐变延续与累计等原因造成，且该阶段沉降具有长期性、缓慢性等特征，该阶段沉降量占总沉降量的 5 % ～25 %。

当然，在不同的地层条件下，地表沉降量均有差别，沉降量的大小与地层条件有很大的关系，此外盾构机掘进参数对其也有重要影响。一般情况下，沉降主要发生在第 2 和第 3 阶段，因此在盾构法施工隧道中，控制地表沉降的关键在第 2 阶段和第 3 阶段。

      为了综合反映隧道覆土厚度对地表沉降的影响，分别选取埋深为 8，10，12，14 m 四种情况进行了分析，不同埋深条件下隧道横向沉降曲线见图 6^［6］。

      由图 6 可知: 隧道上方覆土厚度的不同所形成的横向沉降曲线也不同，在埋深为 8 m 的时候所形成的横向沉降曲线沉降量最大，在埋深 14 m 时沉降量最小，沉降量随着覆土厚度的增加而减小; 且在相同的工况下，横断面地表沉降影响范围随覆土厚度增加而增大，也就是说覆土厚度越大，地面沉降影响范围也越大。主要是由于土体沉降是由土体损失和固结沉降而造成的。在施工阶段，土体的固结沉降还没有完成，影响沉降的关键因素是土体损失。同一隧道施工开挖时假定采用相同的施工技术和工艺，隧道开挖造成的土层损失可以认为是相同的，距离地表越远，地层损失造成的地表沉降就越小。通过研究发现覆土厚度 9 ～12 m 时最佳。

 

      本文应用有限元的基本原理，利用 MIDAS － GTS岩土与隧道系统分析软件的施工阶段助手来模拟盾构法开挖过程。选取深圳地铁五号线洪浪站—兴东站区间盾构法隧道施工作为模拟对象，根据工程段内的地质、地层条件、隧道埋深、结构物以及周边环境为依据，来建立计算模型。由于计算的耗时很大，模型中沿 x，y，z 轴的计算范围分别选取为 60，45，30 m;y 轴正向为盾构掘进方向，x 轴正向向右，z 轴正向向上，隧道埋深取 9 m。采用位移边界条件，该模型上面为地表，取为自由边界，两侧面限制水平移动，底部为固定边界，限制水平移动和竖直移动。优化后的有限元网格如图 7。

      岩土体以及盾尾空隙注浆采用摩尔 － 库仑模型进行模拟，盾构钢结构外壳采用平面板单元弹性模型模拟，衬砌管片用板单元模拟，管片用弹性模型模拟。

      分析了盾构开挖掉的土体、盾构机掘进、掘进面上所承受的土压力、千斤顶推力、注浆、注浆土体的硬化、管片的拼装不同工序及不同时间下的土体变形与盾构机参数的变化关系。在进行盾构隧道的模拟计算时，隧道沿开挖方向进尺为 1. 5 m，分六个施工步骤进行开挖: ①盾构机推进 1. 5 m; ②对已开挖掉的土体施作管片衬砌; ③盾构机钢结构盾壳脱离已经拼装的管片; ④盾尾空隙注浆; ⑤盾构机再推进1. 5 m; ⑥上一环盾构注浆土体硬化，承担荷载，并对盾构管片产生挤压力。之后盾构循环上述过程继续向前掘进。盾构开挖到最后一步时横断面地层竖向位移分布等色云图见图 8; 断面位于 y = 20. 0 m 处横向地表沉降槽计算值曲线见图 9。从图 9 看出: 断面位于 y =20. 0 m 处横向地表最大沉降量为 16 mm，地面横向沉降槽宽度约为70. 0 m，横向地表沉降槽计算曲线总体上与实测曲线相吻合，计算沉降槽深度比实测值小些，宽度比实测值大些，计算的地表沉降槽主要沉降区域比实测的要大。

      通过深圳地铁五号线洪浪站—兴东站区间盾构隧道的施工，对其土体特性进行分析与计算，可得以下结论:

      ( 1) 盾构掘进过程中，其影响范围的主要区域在距隧道轴线两侧 7 m 范围内，此范围内沉降槽体积约占到总体积的 60 % ～70 %，是沉降发生的最大区域，地表沉降影响范围在距隧道轴线两侧约 25 m 范围内，距隧道轴线 7 ～25 m 范围为次要沉降区。

      ( 2) 前期地表沉降量约占总沉降量的5 % ～15 %;盾构通过时的地表沉降约占总沉降量的20 % ～45 %; 盾构机通过后的地表沉降约占总沉降的20 % ～35 %，沉降的速率也较快; 后期沉降量约占总沉降量的5 % ～25 %。

      ( 3) 覆土 9 ～12 m 为最佳覆土厚度。

 

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