盾构隧道施工引起的地面沉降分析

盾构隧道施工引起的地面沉降分析

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摘 要：本文先分析了盾构隧道施工引起的地面沉降规律和原因，介绍地面沉降的预测方法。然后结合某城市隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，运用沉降槽分布模型拟合结果，并且运用数学函数给予表达。最后得出的研究结果可供对今后类似工程参考，确保在施工过程中隧道周边环境的安全。 关键词：盾构法；隧道施工；地表沉降；分布模型

我国地铁交通的发展水平正处于上升阶段，因为盾构施工法技术具有安全性和先进性等特点，

其在城市地铁隧道施工中得到了广泛的应用。通常情况下，地铁隧道多位于城市中经济繁华发展的地带，在此种情况地面建筑物较为密集且地下管线，显然采用盾构法隧道施工必定会引起地层移动从而导致地面沉降，即使采用当前先进的盾构技术，也难完全防止这些沉降，当地面沉降达到一定程度时，就会使周围地面建筑、地下相关设施以及地铁隧道本身等不能正常使用。因此当在需要控制地层移动地区采用盾构法施工隧道时，必须了解地层移动的规律和特征，尽可能准确地预测沉降量和沉降范围。国内外已对施工沉降进行了大量研究，提出了许多沉降计算模型。本文基于广州地区地质条件复杂，对沉降规律的定量研究还比较少等原因，结合广州某盾构隧道施工段的地表沉降规律及其影响范围进行研究，希望对以后类似的工程提供参考。

1． 地面沉降的规律和特征

在采用盾构法隧道施工过程中，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形如下：通常盾构前方的土体受到挤压时有向前向上的移动，从而使地表有微量的隆起，而当开挖面土体因支护力不足而向盾构内移动时，则盾构前方土体发生向下后的移动，从而使地面沉降，开挖面的上方土体，亦因盾构作用于开挖面推力的大小而使地面隆起或沉降。当盾构通过时，盾构两侧的土体向外移动。当隧道衬砌脱离盾尾时，由于衬砌外壁与土壁之间有建筑空隙，地表会有一个较大的下沉且沉降速率也较大。同时隧道两侧的土体向隧道中线移动。这一阶段的沉降通常称为施工沉降，常在1—2个月的时间内完成。由于施工过程中对周围土体的扰动，土中的孔隙水压力上升。随着孔隙压力的消散，地层会发生主固结沉降。孔隙水压力趋于稳定后，土体的骨架仍会蠕变，即次固结，地层还会有一定的沉降。由于土体固结发生的沉降称为固结沉降。总之软粘土地层中的地表运动可分三个阶段：（1）盾构前方隆起或沉降；（2）施工沉降；（3）固结沉降。地层移动是和具体地质和施工条件密切相关的。地面沉降速率、沉降变化的突然性、沉降范围，最大沉降量、沉降槽的几何尺寸、沉降稳定时间等是沉降的特征。在一定的基本盾构施工条件下，这些沉降特征在很大程度上受到施工细节的影响，但在更大的程度上受到地质条件的影响。

2． 地面沉降的原因

盾构隧道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，是地面沉降的基本原因。

（一）地层损失

在盾构施工中，实际开挖土体体积减去竣工隧道土体体积得到的体积差值，即是地层损失。其中隧道外围包裹着的压入浆体体积属于竣工隧道体积。一般情况下以占盾构理论排土体积的百分比Vt(%)来表示地层损失率。圆形盾构理论排土体积为πr²l，则单位长度地层损失Vi= Vt(%)*πr²，为了弥补周围土体的地层损失，必将导致地层移动发生移动，从而引起地面的沉降。

（二）受扰动土体的固结

在盾构施工过程中，隧道周围土体受到扰动后，使盾构隧道周围产生了超孔隙水压力，并且逐渐形成了水压力区，当盾构在推入到某处地层时，隧道周围的超孔隙水压力将会分布成图1所示的状态，在盾构机离开此处的地层后，这时周围土体表面的应力将释放出来，导致隧道周围的孔隙水压力下降，这是其超孔隙水压力将会分布成图2所示的状态，随着超孔隙水的下降，以及孔隙水的逐渐排出，最后会引起地层发生移动和地面产生沉降。此外，在盾构推进过程中，必将产生一定的挤压作用和盾尾后的压浆作用，这些因素会使周围地层的超孔隙水压力变成正值。施工一段时间后，隧道周围土体的超孔隙水压力逐渐消散复原，同时使地层发生排水固结变形，最终引起地面的沉降。

图1 孔隙水压力分布 图2 孔隙水压力分布

3． 派克（Peck法）在地面沉降预测中的应用

派克（Peck）认为，在不排水情况下因施工而引起的地面沉降，其沉槽的体积等于地层损失的体积，结合这个假定并针对采矿引起地面位移的一种估算方法，派克提出了盾构施工引起施工阶段地面沉降的估算方法，此法假定地层损失是均匀分布在隧道长度上，且地面沉降的横向分布呈正太分布曲线，如图3所示。因此横向分布的地面沉降量估算公式为以下两个：

S(X)

VVx2

exp( 2）；Smax t t

2i2πi2πi2.5i

Vt

8SSma；(X)——沉降量（m）；x——隧道中Vt——盾构隧道单位长度地层损失量（m/m）

心线处的最大沉降量（m）；x——距隧道中心线距离（m）； i——沉降槽宽度系数（m）

图3 隧道以上地面沉降槽图形

4． 工程实例

（1）工程背景

某广州由两条并行的隧道组成的地铁隧道区间，采用盾构法施工，其间距约为10-15m，且两条隧道是采用同时施工，两条线隧道的总长度为3432.6m，隧道埋深为16-20m。道路等级为大城市主干道，车道净高4.5m，设计车速为50km/h，最大纵坡不超过8.2%，线路最小水平曲线半径为400m。

盾构机采用德国生产的土压平衡式盾构，盾构机刀盘直径6280m，盾构隧道段每孔外径为6000mm，内径为5400mm，管片宽度为1500mm。

隧道洞身岩土层以I-II类围岩为主，局部为IV-V类为围岩。根据钻孔勘察揭露从上到下主要地层为：松散的杂填土；软塑-可塑状，淤泥质土；可塑状态的粉质黏土；稍密状粉土；中密粉细砂、岩石全风化；强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩等。隧道洞身地层为坚硬、含部分砾石、较密实的全风化岩层。地下稳定水位平均深为1.65m。该隧道区间基本是沿着城市交通干道，隧道上方路面交通繁忙，两侧地下管线众多，旁边两侧为10层钢筋混凝土结构，其基础底部距隧道最近距离仅为8.1m。 （2）沉降观测

本工程采用精密水准尺仪和30m检定过的钢卷尺进行沉降观测。在隧道中线的上方地表面布置一条垂直于隧道中线的监测横断面，间距是每隔20m布置一个，同时在每个断面上布置总共10个观测点，沿着横断面布设沉降观测点，每个沉降观测点的间距为5m。同时根据隧道埋深和地质条件的情况适当调整监测断面和测点。当隧道的上方是混凝土路面时，本工程采用两种沉降观测点来布设，分别是混凝土路面和路面以下的土层两种，即在路面中线布设一个观测断面，间距为20m布设一个，观测点直接布设在路面上，以便于量测路面沉降量。为了避免路面出现硬壳现象，而不能及时反映地层实际沉降情况，最终造成路面下方虚空，本工程采用在路面以下地层中通过打入短钢筋来布设观测点，以方便监测地层的沉降情况。

（3）沉降槽分布模型

根据监测数据可知，地面沉降曲线形状基本符合Peck的正态分布曲线。其情况是这样：最大沉降量位于隧道中线上方，且沿着路面两边递减。但其中有一部分沉降曲线出现左右不对称的情况，左线隧道沉降曲线大部分是向右偏移的，这表明左线隧道右上方地面的沉降量较大。这是因为受到右线隧道的影响，且与地质条件差异有关，此外还可能与注浆以及刀盘旋转方向有关。故在这种情况最大的地面沉降量往往不是位于隧道中线上方。当左右线间距较小时，这种情况更为明显。本文

(x xc)2

采用高斯峰值函数进行拟合：

t o a1e

2w

t——横断面沉降量，mm；x——沉降点到隧道中线的水平距离，m； o、a1、xc、w—拟

合系数，其中

xc表示最大沉降量对应的沉降点到隧道中线的距离； o+a1为最大沉降量；w是一个

主要影响沉降槽宽度的参数。从表1和图5可见，对称和非对称形式沉降槽曲线均可得到很好的拟合，其相关系数R高达0.95以上，拟合效果高度显著。

从沉降槽曲线形状可看出，沉降槽没有明显的边界，一般地，将左右两个反弯点A、A'之间的宽度定义为沉降槽宽度，见图5。根据数据拟合曲线，求出的最大沉降量和沉降槽宽度见表2。

图5 沉降槽宽度示意图

表2 最大沉降量和沉降槽宽度

5． 工程实例

通过对某城市隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，运用沉降槽分布模型拟合结果，并且运用数学函数给予表达，基本上掌握了盾构施工过程中的地表沉降规律，经过研究得到了以下认识：横断面沉降槽曲线可用高斯峰值函数拟合，由于受先行隧道影响，后行隧道沉降曲线左右往往并不对称，最大的地表沉降量处于先行隧道一侧，且地面沉降槽宽度一般在20-30m范围。

参考文献：

[1] 何小林．盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制[J]．工程技术,2012(17). [2] 魏纲．盾构施工引起地面长期沉降的理论计算研究[J].岩石力学与工程学报,2008(06). [3] 李小青．盾构隧道施工地表沉降数值分析研究[J].公路交通科技,2007(06）