1、地鐵隧道盾構施工地表沉降的預測分析摘要 總結 并 分析 了地鐵區(qū)間隧道采用盾構法施工中引起地表沉降的 規(guī)律 、過程及原因,同時介紹了以經歷法為主且 目前 廣泛 應用 于變形分析的peck沉陷槽預測公式,并結合我國某城市地鐵隧道的修建過程中產生的地表沉降現(xiàn)象,驗證了該分析 方法 的實用性和可借鑒性。關鍵詞地表沉降peck沉陷槽預測分析盾構法地鐵隧道1 前言 近些年來,盾構施工法普遍用于在松軟含水土層中修建隧道,在江河海中修建水底隧道,在城市中修建地下鐵道及各種市政設施。但是,當采用盾構法施工時,一般會引起隧道上方地表沉降,這種現(xiàn)象在含水的松軟土層或其他不穩(wěn)定地層中表現(xiàn)顯著。尤其對于城市地鐵,盾構

2、法區(qū)間隧道一般都會穿越城市中心地帶,因建筑物密集、施工場地狹小、地質情況復雜、地下管網密布、 交通 繁忙、施工條件受到限制等,而對環(huán)境的控制要求更為嚴格。因此,預測可能發(fā)生的地表變形,對工程的順利實施極為重要。 本文通過調研國內外盾構施工地表沉降控制技術,同時 參考 同行業(yè)盾構法施工實例,分析了地表沉降的預測方法及盾構施工過程中地表沉降的規(guī)律、過程和沉降原因。2 地表沉降的規(guī)律 在軟土層中采用盾構施工時,隧道橫向所產生的地表變形范圍受隧道的埋深和其所處的地質土層狀況 影響 較大,根本上接近土的破壞棱體范圍,大致上近似于peck1提出的沉陷槽形狀,即概率論中的正態(tài)分布曲線。同時隧道縱向所產生的地

3、表變形可分為五個階段2,即初始沉降、開挖面前的變形、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、后續(xù)固結沉降,見圖1。(1)初始沉降。距開挖面還有幾十米(通常為大于2.5D,D為隧道直徑)的地面觀測點,從開挖面到達該點之前所產生的沉降,是隨盾構機掘進造成的地下水流動和水位降低產生的。 (2)開挖面前的變形。自開挖面約幾米(02.5D)時起直至開挖面到達觀測點正下方之間所產生的沉降或隆起現(xiàn)象,多由于土體的應力釋放或盾構開挖面的反向土壓力、盾構機周圍的摩擦力等的作用而產生的地基塑性變形。 (3)盾尾沉降。從開挖面到達觀測點的正下方之后直到盾尾通過該觀測點為止這一期間所產生的沉降,主要是盾構擾動土體所致。 (4)盾尾空

4、隙沉降。盾構機的尾部通過觀測點的正下方之后所產生的沉降,是盾尾空隙的土體應力釋放所引起的彈塑性變形。 (5)后續(xù)固結沉降。由于施工過程中對周圍土體的擾動,土中孔隙水壓力上升,隨著孔隙壓力的消散,地層會發(fā)生主固結沉降;在孔隙水壓力趨于穩(wěn)定后,土體骨架仍會蠕變,即次固結沉降。上述沉降階段多非同時產生,且其表現(xiàn)形式也是綜合性的。地基條件和施工狀況不同,沉降的類型也會有所不同。3 地表沉降的原因 盾構施工時,地表沉降與施工條件和地質特性密切相關,且原因很多3,4,歸納起來主要有以下幾方面。根據國內外部份經歷,將沉降原因、機理分類整理如表1。(1)降水的影響。盾構隧道施工中常采用降水措施,在正常掘進過程

5、中也會經常性地堵水、排水,降水會使地層中原來的靜水水位改變成漏斗狀曲面水位,使含水地層中土的有效應力增加,產生固結沉降。 (2)地層原始應力狀態(tài)的變化。在原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的地層中開挖隧道,對周圍的土體必有擾動影響。盾構掘進時,開挖面土體的松動、擠壓和坍塌,導致地層原始應力狀態(tài)的改變。土體極限平衡狀態(tài)的破壞,引起了地表的下沉或隆起。 (3)盾構擠壓擾動的影響。開挖、掘進時都不同程度地對土層產生擠壓擾動。當盾構掘進遇到彎道以及進展水平或垂直糾偏時,也會使周圍的土體受到擠壓擾動,從而引起地表變形,其變形大小與地層的土質及隧道的埋深有關。 (4)管片環(huán)變形的影響。隧道襯砌脫出盾尾之后,在土壓力的作用下

6、,管片之間的防水層和縫隙會被擠壓嚴密,管片環(huán)也會產生輕微變形,趨向于橢圓狀,這些也會導致地表的少量沉降。 (5)盾尾空隙充填缺乏的影響。盾尾建筑空隙必須及時進展充填,在不穩(wěn)定地層中施工時,這一點更顯得重要。壓漿材料的性能及充填量均影響到地表沉降及其速度。盾構施工中的糾偏或彎道施工時的局部超挖,會造成盾尾后部建筑空隙的不規(guī)那么擴大,其擴大數量難以進展估計,空隙如果無法得到及時充填,會導致地表沉降。4 地表沉降預測公式 在盾構法隧道施工推廣應用的過程中,國外專家們根據工程實例進展了大量 研究 ,逐漸建立了以peck沉陷槽為根底的預測 理論 ,如Attewell等方法對所選用的工程實用性較強,同時受

7、地質條件變化的影響很大,因此公式中系數的正確取值將直接影響到這些公式的適用性。4.1 地表橫向沉降預測 peck1通過對隧道地外表沉降槽形狀的觀察以及對大量的實測數據 分析 ,于1969年在墨西哥土力學及地基根底工程國際會議上首次提出了二維沉陷槽斷面形狀,如圖2所示。并認為沉降槽的體積應等于地層的損失量。 (1)地表沉降橫向分布的估算公式為(1)式。 因此,地面沉陷的橫向分布公式可改寫為(3)式。(3)隧道地表沉陷槽寬度B那么按下式 計算 B=225i (4)4.2 地表縱向沉降預測 劉建航等5在peck法的根底上, 總結 了上海地鐵隧道縱向沉降分布的一般 規(guī)律 ,提出了負地層損失的公式,得出

8、了地面沉降量的縱向分布估算公式如(5)式。 式中S(y)為縱向地表沉降量;y為沉降點至坐標軸原點的距離;yi為盾構推進起始點處盾構開挖面至坐標軸原點的距離;yf為盾構開挖面至坐標軸原點的距離;yi=yi-l,yf=yf-l,l為盾構機的長度;V1為盾構開挖面引起的地層損失(欠挖時為負值);V2為開挖面以后因盾尾空隙壓漿缺乏及盾構改變推進方向為主的所有其它施工因素引起的地層損失。(x)函數可由標準正態(tài)分布函數表查得。 根據日本國內1965年以來所發(fā)表的 文獻 ,整理了因盾構施工造成沉陷槽的事例74例,驚人的是和peck的沉陷槽形狀完全一致。在我國,依據北京、上海等地區(qū)的工程實例進展了大量分析,并

9、由實際測量監(jiān)測結果所繪制的沉陷槽與peck沉陷槽假定的正態(tài)分布曲線形態(tài)相符,且完全可以滿足施工的精度要求。5 工程實例分析 某城市地鐵隧道,開挖斷面直徑6.00m,隧道埋深16.92m,通過地層為第四紀粘質粉土、粉質粘土透鏡體含中粗砂。地層中貯存潛水,埋深約為14.00m,主要承受上層滯水和河水的垂直滲流和區(qū)域側向徑流補給。采用盾構法抬頭掘進,地表A處在隧道走向的垂直方向上布置6個監(jiān)測點,點間距為7m。這樣即得到A處地表沉降量,見圖3。由沉降曲線可以看出,當盾構機在距離監(jiān)測斷面15m左右時,地表呈隆起趨勢,隆起最大位移量為2mm。當盾構機掘進至監(jiān)測斷面所在位置時,地表下沉明顯,預測下沉量為6.

10、8mm,實測最大值為5.3mm,最大沉陷槽寬度45m。隨著盾構機遠離監(jiān)測斷面,變化趨于穩(wěn)定,較好地符合了地表沉降的一般規(guī)律,預測回歸曲線與實際沉降曲線趨向大致一樣,該地段的地表沉降量不大,沉降從開場到完畢較短,最大沉降量根本滿足工程要求。6 結語 通過上述對地鐵盾構隧道施工引起地表沉降的規(guī)律、原因以及工程實例的分析,可以看出結合實測數據進展回歸分析的peck沉陷槽公式仍是一種較為實用的預測 方法 ,對我國地鐵隧道的盾構施工具有一定的指導意義。 參考 文獻:1Peck.RB.TunnelinginsoilsA.In:10THICSMFEC:Stockholm.1981:607-628.2尹旅超,