盾构法隧道施工的横向沉降槽分析

铁　道　建　筑RailwayEngineering

February,2008

文章编号:100321995(2008)0220034204

盾构法隧道施工的横向沉降槽分析

黄金林,苏相利,王贵杰

1

2

3

(11华南农业大学水利与土木学院,广州　510642;21华南农业大学后勤集团,广州　510642;

31聊城大学建筑学院,山东聊城　252059)

摘要:地下开挖引起的地表沉降是地铁修建过程中的关键问题。以盾构法施工的广州市某地铁隧道的

现场实测资料为依据,对盾构法施工引起的沉降进行了深入研究,并在经典Peck公式中引入沉降槽偏移参数。在绘出不同埋深的沉降槽实测形状的基础上,利用数学方法对沉降槽的形状、影响范围、宽度系数进行了研究。关键词:盾构　沉降　宽度系数中图分类号:U455143　文献标识码:B　　近年来,随着我国城市建设的发展,许多大城市开始修建地铁。非开挖技术的应用,仍不可避免地造成周围土体变形和沉降,造成临近建筑物变形甚至破坏。目前,预测土体变形的研究方法有经典解法、经验预测法和数值分析法等,然而,由于岩土工程的复杂多样,至今没有一个能较好地适用于所有地质地形的预测方

[2]

法,因此,经验预测法仍然是目前比较常用的方法。

[1]

Peck通过对大量实测数据的研究分析后提出,地表横向沉降槽呈正态分布,地层移动由地层损失引起,施工引起的地表沉降在不排水条件下发生,故沉降槽体积应等于地层损失的体积,由此提出地表横向沉降槽的计算方法。

但是未考虑长期沉降过程中的土体排水固结和蠕变次固结,以及土岩复合地层中不同土层的不同位移等因素。

风化岩层。部分区段出现洞身上部处于土层,下部处于岩层的上软下硬情况。地质勘察报告显示隧道洞身上部地层中有50%左右的不稳定地层(包括淤泥层),隧道洞身下部地层中有88%左右的较硬岩层。

根据盾构工程设计文件要求及其施工特点,考虑到施工过程会对地层产生扰动,尤其可能引起地表或附近的建筑物、管线变形或沉陷,故正常情况下,沿隧道轴线上方地面每隔5m布设1个沉降监测点。横断面正常情况下,每隔20m或30m建立1个监测横断面,在始发端、到达端、隧道穿越淤泥层段和通过地面建筑物密集段及水系地段加密监测,横向左右每5m布设1个沉降监测点,一侧布设2个点,每个横断面共设5个点,如图1。

1　工程概况及测点布置

本工程为广州市地铁三号线某两个区间段,本文取6个断面来研究,里程号分别为YDK4+327、YDK4+387、YDK4+417、ZDK4+267、ZDK4+387、ZDK4+447,在本文中分别对应断面1、断面2、断面3、断面4、

断面5、断面6。

两区间沿线隧道洞身主要穿越强风化岩层、中风化岩层、微风化岩层。局部穿越及残积硬塑软土层、全

图1　横向测点布置(单位:mm)　

2　实测分析

抽取各个监测断面的初次测量、盾构通过后第一

次测量、最后一次测量的结果。如图2所示。

收稿日期:2007209210;修回日期:2007211220

作者简介:黄金林(1975—),男,湖南常德人,讲师,硕士。

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隧道为双线,左右线间距为1112～1612m,先开挖的称

为先行线,后开挖的为后行线。当盾构距离监测断面较远时,地表没有明显的沉降,甚至有轻微(0～2mm)的隆起;从初次测量到盾构通过后第一次测量,地表完成了一部分沉降,但是主要的沉降是在盾构通过以后发生。同时可以发现,沉降槽并不完全对称,最大沉降点不一定出现在轴线位置,这与先行线对后行线的影响有关,也与地质情况有关。

实测结果中,沉降大体上仍呈正态分布,可用Peck公式对实测沉降进行拟合。鉴于实际的沉降往往并不对称,而Peck公式是关于隧道轴线对称的,如果直接使用Peck公式进行拟合,则可能得不到较好的相关参数,故考虑在Peck公式中加入一个反映沉降槽偏移的参数s,如式(1),以此对实测的各断面沉降进行拟合,并通过拟合所得的参数A、B反算出Peck公式中的相关参数。

s(x)=Aexp-

(x-x0)2B

(1)

式中:x0———沉降槽偏移量,m;A、B———拟合参数。

3　各监测断面的拟合优度

使用函数式对实测结果进行拟合,求得回归方程,确定了自变量和因变量的关系,由于实测值并非紧密分布在拟合曲线两侧,且其紧密程度也不同,因而需要

2

对回归曲线的拟合优度加以判定。相关系数r便是判定回归式拟合优度的一个重要指标。从图3中相关系数的变化可知,盾构通过监测断面以前,地表沉降并不呈正态分布形式,在后期,地表沉降呈现出Peck所描述的分布形式。

图2　监测断面沉降过程

图3　拟合相关系数　

　　由图2可知隧道中线位置的沉降量最大,向左右两边逐渐减小,呈正态曲线形式。Peck公式所描述的沉降沿隧道轴线对称分布,而从实测数据看,沉降并不是完全对称,而是受地质情况、先行线对后行线影响和刀盘转向等因素共同作用,广州地铁三号线盾构施工

将前述监测断面拟合所得的沉降槽偏移量绘于图

4中。

4　沉降槽偏移量

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图4　沉降槽偏移量

　　　从图4中可见,盾构通过监测断面之后沉降槽偏移情况变化不大,偏移状况可以基本确定:①绝大部分沉降槽的偏移都在3m以内;②作为后行线的左线,其沉降槽几乎全向右偏,出现偏向先行线的现象;③偏移量不大,可见先行线未对后行线造成明显的影响。而且仅以3m内的偏移程度来看,说明广州地铁三号线进行盾构施工,地表沉降基本上是对称分布的。对于盾构掘进造成地表沉降的监测,可以在其影响范围内对称布置监测点。

的影响范围在隧道两侧各15m左右,其中沉降较大部分在隧道两侧各9m范围内。[4]

也有学者对广州地铁二号线的某段盾构区间的测试结果做了分析,认为盾构掘进主要影响区域在隧道轴线6m范围内。沉降曲线沿线路中心不对称分布,最大沉降发生在线路中心,在距离隧道轴线3m范围内,沉降槽体积占总体积的70%。这与广州地铁三号线区间的实测结果比较接近。

拟合所得的沉降槽宽度系数随盾构掘进的变化过程如图5所示。由图5可知:①一旦盾构通过测点处,则其宽度系数即大致稳定下来,即使盾构继续向前掘进也不再有大的变化;②盾构通过后,可立即利用监测结果大致确定沉降槽宽度,由此可提早判定可能的沉降影响范围。

5　沉降槽宽度系数

Peck公式中沉降槽宽度系数是一个关键参数,其

意义为沉降曲线反弯点至隧道轴线的距离。

[3]

上海地区软土地层的工程经验表明,其沉降槽

图5　沉降槽宽度系数

　　在Peck沉降预测中,地层损失率的取值对地面横向沉降槽预测的准确度影响很大,需仔细分析地质情况,并参照已有经验合理确定,在保持开挖面稳定的条

件下,选取合理的地层损失率。

一般地,由地层损失造成的地层移动能较快地完成,土体固结、次固结则需要相对较长的时间。上海地

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区地层多为淤泥质土,在盾构通过后很长的一段时间

内仍有沉降发生,且固结、次固造成的沉降占总沉降的很大一部分。而广州地区的地层特点与上海地区不同,由地层损失和土体固结所造成的沉降也不同。各种因素造成的地表沉降归结到一起,最终形成直观的地表沉降槽,事实上各种地层损失是难以准确计算的,但可通过式(1)拟合各监测断面的实测结果,得到沉降槽曲线方程,并对沉降槽曲线方程进行积分,即可计算出监测断面的地表沉降量,作为地层损失的参考值,由此估算地层损失率。

盾构通过前一般仅有少量的沉降,主要源于盾构掘进对前方土体造成的扰动,及开挖面使地下水位降低等。在盾构通过监测断面后,断面地表沉降量曲线斜率明显增大,断面沉降速率出现增加较快的现象。根据对造成地表沉降的因素的划分可知,盾构刚通过时出现较快的地表沉降速率,完成较多的地表沉降量,这部分沉降主要源于地层损失造成的地层位移,以及相对小量的土层固结。

随着盾构继续掘进,通过监测断面20～30m后,地表沉降量曲线出现较明显的转折点,趋于平缓,从而进入缓慢增加的阶段。此阶段地表沉降主要源于地层损失造成的尚未完成的地层位移部分,以及土层固结、次固结。与上海地区不同的是,广州地区此段的沉降量仅占总沉降的小部分。

从图3可知,盾构通过监测断面后,地表沉降才呈正态分布,拟合结果才能反应实际情况,才有意义,由于最后一次测量时沉降已趋于稳定,故可将同一监测断面,盾构通过后的地表沉降转折点处的沉降量与最后一次测量的断面沉降量相比,得到监测断面沉降量大致完成的百分比。由此可知:以断面沉降量出现转折点时盾构通过的距离来看,绝大部分监测断面的沉降都出现在盾构通过15～30m这一段;断面沉降量出

现转折点的时间为盾构通过后3～6d。

6　结语

通过对盾构掘进产生地表沉降的机理进行论述,在总结了横向地表沉降的各种理论计算方法的基础上,结合广州地铁三号线的实际地质情况和大量的实测断面数据,对横向地表沉降进行了分析研究,得到在广州地区进行盾构法隧道施工造成的横向地表沉降槽的规律:

1)广州地区施工期造成的横向地表沉降槽符合经典Peck公式对沉降分布形态的预测,也呈正态曲线的分布形式,结合区域经验对Peck公式进行补充,将有利于指导施工。

2)提出在经典Peck公式中引入反应沉降槽偏移的参数,在与实测数据拟合分析中得到很好的结果。

3)沉降槽均未出现较大的偏移,因而地表沉降的监测可在其影响范围内对称布置。

4)盾构掘进对横向地表沉降的影响区域主要为隧道轴线两侧6～11m,为盾构开挖直径的1～2倍,并且在盾构通过后短时间内即可基本确定。

5)提出以断面沉降量估算地层损失率,既将多种因素进行了综合简化,得出合理的区域经验值。

参

考

文

献

[1]刘建航.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,19911[2]唐益群.上海地铁盾构施工引起地面沉降的分析研究(三)[J].地下空间,1995,15(4):25022581

[3]刘招伟.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩

石力学与工程学报,2003,22(8):1297212311

(责任审编　王　红)

京沪高速铁路简介

　　京沪高速铁路设计时速350km,初期运营时速300km,共设21个车站,全程运行时间为5h,正线全长约

1318km。

京沪高速铁路纵贯北京、天津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏四省,连接环渤海和长江三角洲两大经济区,也是东北、华北通往华东的必经之路。

(沈　京)