城市地铁隧道盾构施工产生的地层沉降分析.pdf

广东建材2 0 0 7年第2期 图1单线隧道沉降横向分布 3 I I Sm a x S β βW - R Z 2 R - X X W Z 后建隧道先行隧道 图2双线隧道沉降横向分布 一条隧道引起的沉降 一条隧道引起的沉降 两条隧道引起共同引起的沉降 图3隧道纵向沉降分布 拉进中的盾构盾构始发位置 y s y y o y ′ i iy i ′ y i ″ y i 1地层变形的影响 国内外实践表明， 盾构施工或多或少都会挠动地层 而引起地层移动而导致不同程度的环境影响， 即使采用 当前先进的盾构技术， 也难以完全防止地面隆陷及地层 水平位移的发生。尤其是在城市修建地铁， 由于其埋深 较浅， 地表建筑及地下设施较多， 修建地铁时对周围环 境的影响更大。地层变形可能导致地表建筑物倾斜， 甚 至开裂、 倒坍， 地下管线被破坏； 地层水平位移可引起地 下桩基偏移及管线与通道错位等， 进而导致桩基承载力 下降并影响管线与通道的正常使用， 甚至毁坏。但地表 沉降对环境的影响是主要矛盾。 这种影响在北京、 上海、 广州地铁施工中都有不同程度的发生。因此， 必须研究 盾构施工时引起地层移动， 造成地面沉降的机理， 要清 楚的掌握沿线的地下管线和建筑物的构造、型式等， 对 地面沉降量和影响范围进行预测， 在设计施工中通过现 场反馈资料， 采取相应的防治对策和措施。 2地层变形特征分析 尽管盾构法与浅埋暗挖法施工地铁区间隧道具有 较大的差别， 但就其引起的地层变形特征来说， 国内外 大量的实测资料及理论分析结果表明，其区别不是很 大。 地面沉降的基本原因是盾构掘进是所引起的地层损 失和隧道周围地层受到挠动或剪切破坏的再固结。 地层 损失引起的地面沉降， 大都在施工期间呈现出来。而再 固结引起的地面沉降， 在砂性土中呈现较快， 但在粘性 土中则要延续较长时间。 盾构隧道最大沉降量值比暗挖 法要小。 从隧道断面来看， 就单条隧道而言， 沉降槽曲线近 似正态分布曲线， 地表沉陷的特征曲线见图 1 。通常采 用简单实用的 p e c k 公式进行沉降计算。当有两条隧道 时， 两条隧道开挖时引起的沉降会相互影响、 迭加。 其地 表沉陷的特征曲线见图 2 ， 且大多数情况下， 第二条隧 道所引起的地面沉降较第一条隧道大。 两条隧道的沉降 曲线类似两个单线的叠加。 从纵向来看，地面沉降主要发展规律与特征见图 3 ， 与暗挖相比较存在两个不同点， 一是在盾构掘进面的 前方可能产生地表隆起， 二是施工沉降除土体损失引起 的沉降外， 还存在盾尾空隙沉降。 当盾构掘进时， 若开挖 面受到的支护力小于地层的原始应力， 则开挖面土体向 盾构内移动， 引起地层损失和地面沉降。 反之， 当支护力 大于地层的原始应力时，则开挖面土体向上向前移动， 引起负地层损失和地面隆起。 由于盾构施工引起地表沉降的因素相当复杂， 除与 地层条件密切相关外，还与盾构掘进时的平衡土压、 掘 进速度、 推进压力、 注浆时间、 压力、 注浆量等有关， 因此 城市地铁隧道盾构施工 产生的地层沉降分析 连长江 （ 广东省重工建筑设计院5 1 0 0 3 4 ） 施工技术 4 6-- 广东建材2 0 0 7年第2期 很难准确计算和预测。 数值分析的发展为多工况变形预 测提供了强有力的工具， 但也仅仅是指导性的， 因此盾 构施工时必须实行实时监测与实时控制。 初始掘进时可 作为试验段， 进行各种施工参数的调整， 从而为盾构参 数的优化提供依据。 3地表沉降的原因及变形的机理 如上所述， 盾构施工引起地表变形主要分为五种类 型。各种类型沉降产生的原因及机理见下表。 从表中可以看出， 围岩受施工扰动是产生位移的主 要原因， 施工扰动引起应力变化而产生位移。 4地表沉降计算 目前， 沉降预测采用简单实用 P e c k 理论。P e c k 理 论认为， 地表沉降沿隧道横向分布为正态分布， 距隧道 中心线处的地表沉降量计算公式为 S（ x ） S m a xe x p （ -x 2 2 i 2） 其中 S（ x ） 距隧道中线处的地面沉降（ m ） S m a x隧道中线处 （ 即 x 0 ） 的地表沉降量（ m ） ， 也即 最大沉降量 x 距隧道中心线的距离（ m ） i 沉降槽宽度系数，即沉降曲线反弯点的横坐标 （ m ） 最大沉降量计算公式 S m a x △F 2 πi 其中， △F 为因盾构施工造成的地层损失总量。 而 i 的取值根据 O ’ R e i l l y 和 N e w（ 1 9 8 2 ） i 0 . 4 3 Z 1 . 1 其中， Z 为隧道开挖面中心至地面的距离。 以我国南方某市地铁六号线的一个盾构区间为例， 计算如下 该区间长度约为 1 2 2 5 m ， 为双线单洞隧道， 线间距 为 1 3 ～1 8 m ， 隧道埋深约为 9 ～1 8 m 。 根据隧道最小覆土厚度进行验算,计算可得 i 5 . 8 3 m ， 根据 M e c h a n i z e dS h i e l dT u n n e l i n g ， 采用 土压平衡式泥水盾构时， △F 0 . 0 1 F A 0 . 3 2 m 3 / m ， 则单隧 道最大沉降量为 S m a x 0 . 3 2 5 . 8 3 2 πi 0 . 0 2 1 9 m 2 1 . 9 m m 由于本区间的线间距较小， 隧道相距较近， 变形相 互影响， 地表沉降量需叠加， 以最小线间距为 1 3 m 计算， 则两隧道中间地段沉降量最大， 最大沉降量为 S 2 0 . 5 5 S m a x 2 4 . 1 m m 通过计算可知， 土压平衡式盾构在良好的施工操作 条件下， 可以确保在最不利的地质条件和最小线间距的 情况下， 最大沉降量小于 2 4 . 1 m m 。 5体会 根据在广州地铁二、 三、 四号线工程中采用土压平 衡式盾构的实际施工经验，地表沉降一般均能控制在 1 0 m m 以内。在不良地层中施工时， 通过优化掘进参数和 加强盾尾同步注浆也能将地表沉降控制在 2 0 m m 以内。 而地表隆起一般小于 5 m m ，大多数出现在盾构机头 5 m 之内。● 【 参考文献】 ⑴ 张厚美 张良辉罗劲鸿. 广州地铁路 2 号线赤鹭区间隧盾构 施工引起的地面沉降规律分析.见上海隧道工程股份有限公司 编， 城市交通隧道工程最新技术论文集. 2 4 6 - 2 5 6 ⑵唐益群 叶为民. 上海地铁路盾构施工引起地面沉降的分析 研究[ J ] . 地下空间， 1 9 9 5 ， V O l . 1 5 N o . 4 ⑶ 竺维彬.广州地铁路一号线盾构东段地面沉降规律及其影响 因素的研究[ J ] . 广州建筑， 1 9 9 9（ 增刊） 1 3 5 ～1 4 3 盾构施工引起位移的原因与机理 沉降类型主要原因应力扰动变形机理 Ⅰ， 初始沉降 围岩（ 土体） 受挤 压而压密 孔隙水压力减少， 有效应力增加 孔隙比减小， 固结 Ⅱ， 盾构工作 面前方变形 工作面处施工压 力 过大 - 隆起， 过小 - 沉降 孔隙水压力增加， 总应力增加 围岩（ 土体） 压 缩产生弹塑性 变形 Ⅲ， 盾构通过 时沉降 施工扰动， 盾构与 围岩（ 土体） 间剪 切错动， 出碴 应力释放弹塑性变形 Ⅳ， 盾尾空隙 沉降 围岩（ 土体） 失去 盾构支撑， 管片背 后注浆不及时 应力释放弹塑性变形 Ⅴ， 固结沉降 围岩（ 土体） 后续 时效变形 应力松弛蠕变压缩 施工技术 4 7--