廣州地鐵2號線區間隧道盾構施工引起的地面沉降規律分析

【提 要】：本文對廣州地鐵2號線赤—鷺區間盾構隧道施工過程的地面沉降監測數據進行分析，探討了盾構施工過程地表沉降規律及其影響范圍和程度，包括沉降槽分布形式、沉降隨時間發展規律、沉降量概率分布的統計分析等，并用數學函數加以表達。研究結果對今后類似工程施工過程的隧道周邊建（構）筑物的保護，施工參數的優化以及工程的順利實施具有參考價值。
【關鍵詞】：地鐵盾構沉降統計

Abstract: Analysis of monitored ground settlement data upon shield driving at Chi Lu running section, Guangzhou Metro No.2 line, to make an approach to ground settlement mechanism during shield driving and its affected scope and extent, including settlement trough distribution pattern, settlement vs time graphic, settlement probability distribution, and other statistical analyses, expressed in mathematical functions, the resulting findings could be referenced for peripheral buildings/structures protection of similar construction sites, optimization of construction parameters and smooth execution of similar projects.
Keywords: Metro, shield, ground settlement, statistics.

1 引言
地鐵交通在我國正處于發展階段，由于盾構施工法的安全性和先進性，盾構技術在城市地鐵隧道施工中得到越來越廣泛的應用。目前，我國采用盾構技術修建地鐵的城市主要有：上海、北京、廣州、深圳、南京、杭州、成都等，廣州是國內地鐵盾構隧道發展最快的城市之一。
由于地鐵隧道多位于城市中心繁華地帶，地下管線和地面建筑物眾多，施工過程多少都會擾動地層，要完全消除地表沉降是很困難的。盾構施工過程的沉降會對地面建筑物的安全造成威脅甚至引起破壞，國內外已對施工沉降進行了大量研究，提出了許多沉降計算模型［1，2］，如Peck模型（1969），Attewell模型（1981），O’Reilly-New模型（1982），藤田模型（1982）等。國內專家也對上海地鐵、廣州地鐵1號線等盾構施工過程的沉降規律進行了總結［3］-［5］，得到了許多具有共性的認識。但由于廣州地區地質條件復雜，對沉降規律的定量研究還比較少。本文對廣州地鐵2號線赤—鷺區間盾構隧道施工過程的地表沉降規律及其影響范圍進行研究，以期對今后類似工程建（構）筑物的保護，施工參數的優化提供參考依據。

2 工程概況
廣州地鐵2號線赤崗—鷺江區間隧道采用盾構法施工。區間隧道由兩條并行的單線隧道組成，左右線隧道間距8~12m，左右線隧道總長4342.3m，隧道埋深8~14m，線路最小水平曲線半徑350m，最大坡度9.636‰。
盾構機采用德國HERRENK AG公司生產的土壓平衡式盾構（EPB），盾構機刀盤直徑6 280mm，采用盾尾同步注漿（砂漿）方式。隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，管片環外徑6 000mm，內徑5 400mm，管片寬度1 500mm。
隧道洞身巖土層以Ⅱ，Ⅲ類圍巖為主，局部為Ⅳ，Ⅴ類圍巖。從上到下主要地層為：松散、稍濕的人工填土層①；可塑—硬塑狀，粘性強的粘性土及粉土⑤；可塑狀態的粉質粘土和稍密狀的粉土⑤～①；硬塑—堅硬狀的粉質粘土及呈中密—密實狀粘土⑤～②；隧道洞身地層為較密實、堅硬、含少量礫石的巖石全風化帶⑥。地下水位平均埋深1.75m。
區間線路基本沿新港中路（城市交通主干道）兩側非機動車道下通過，隧道上方路面交通繁忙，道路兩側地下管線和地面建筑物眾多，隧道常常需從建（構）筑物基礎下方或側面通過。其中，新南方購物中心（7層鋼筋混凝土結構，柱下擴展基礎）基礎底部距隧道最近距離僅7.79m，客村立交橋（3層鋼筋混凝土結構）橋基側面距隧道最近距離僅0.9m。

3 沉降觀測方法
3.1 觀測儀器及要求
采用精密水準尺儀，銦鋼水準尺、30m檢定過的鋼卷尺進行沉降觀測。線路沿線一般的多層建筑物和地表沉降，按國家三等水準測量技術要求作業，高程中誤差≤±2.0mm，相鄰點高差中誤差≤±1.0 mm。
3.2 沉降觀測點的布設
正常情況下，沿隧道中線上方地面每隔5m布設一個沉降觀測點，每隔20m建立一個監測橫斷面，該斷面垂直于隧道中線，每個斷面上布設5個觀測點，其中隧道中線上方一個點，左右間隔5m各一個點。對于軟弱土層、或埋深較淺的區域，應根據隧道埋深和圍巖地質條件，加密監測斷面和測點。
當隧道上方為混凝土路面時，常布設兩種沉降觀測點，即分混凝土路面及路面以下土層兩種，路面部分沿線路中線每20m布設一個觀測斷面，觀測點直接布設在路面上，以量測路面沉降量；為了防止路面硬殼層不能及時、準確反映地層實際沉降情況，造成路面下方虛空，需鉆穿混凝土路面并在路面以下地層中打入短鋼筋布設觀測點，以便對地層的沉降情況進行監測。
3.3 沉降觀測頻率
盾構機機頭前10m和后20m范圍每天早晚各觀測一次，并隨施工進度遞進；范圍之外的監測點每周觀測一次，直至穩定。當沉降或隆起超過規定限差（-30/+10 mm）或變化異常時，則加大監測頻率和監測范圍。

4 沉降槽分布形式分析
4.1 橫斷面沉降曲線
圖1是不同里程處隧道上方地表橫斷面沉降槽分布曲線。一般地，隧道中線上方沉降量最大，沿兩側逐漸減小，大部分沉降曲線形狀基本符合PECK的正態分布曲線。但有一部分沉降曲線左右并不對稱，特別是左線隧道（后行）沉降曲線，大部分向右偏移，即左線隧道右上方地表沉降量較大，這除了與左右地質條件差異有關外，主要是由于受先行隧道（右線隧道）的影響，此外還可能與注漿以及刀盤旋轉方向有關。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中線上方，而是出現在左右線隧道之間偏向后行隧道中線附近，當左右線間距較小時，這種情況更為明顯。

圖1 橫斷面沉降槽分布曲線
關于橫斷面沉降槽分布規律前人已進行過大量研究，提出了很多沉降槽計算模型，如Peck公式（1969），Attewell公式（1981），O’Reilly-New法（1982），藤田法（1982）等。其中應用最廣泛的是Peck公式，其他公式基本可看作是對Peck公式的修正，仍保留沉降槽形狀服從正態分布的假定。Peck公式對描述均勻地層條件下單線隧道的對稱沉降槽分布較適合，但如前所述，由于地質原因、線路轉彎以及先行隧道的影響，實際沉降槽曲線往往并非對稱，本文采用高斯峰值函數（Gaussian Peak Function）進行擬合：

從表1及圖1可見，對稱和非對稱形式沉降槽曲線均可得到很好的擬合，其相關系數R高達0.94以上，擬合效果高度顯著。
從沉降槽曲線形狀可看出，沉降槽沒有明顯的邊界，一般地，將左右兩個反彎點A，A′之間的寬度定義為沉降槽寬度（圖2）。根據數據擬合曲線，求出的最大沉降量和沉降槽寬度（表2）。

根據不同橫斷面沉降槽的統計結果，盡管最大沉降量變化較大（2~40mm），但地面沉降槽寬度基本上都在20~30m以內。雖然沉降槽寬度較大，由于曲線反彎點附近沉降量變化很緩慢，在沉降槽寬度范圍的建筑物并不一定都會受到嚴重影響。參照建筑地基基礎規范的規定，對于框架結構，相鄰兩柱基的允許沉降差為2‰~3‰，為此，將反彎點附近相鄰兩觀測點的沉降變化量（即曲線斜率）大于2‰的點B和B′之間的區域定義為沉降影響范圍（圖2），該范圍之外的區域（曲線斜率小于2‰）基本不影響建筑物的安全。一般地，沉降影響范圍比沉降槽寬度要小，特別是當沉降量較小時，沉降槽寬度可能仍較大，但沉降影響范圍則很小。

4 縱斷面沉降曲線分布
從兩個方面來研究線路中線盾構機機頭前后的縱斷面沉降曲線分布。一方面，考察不同時間同一觀測點沉降量隨機頭位置變化情況。即在盾構機前方20m的線路中線上方地面處布設一個沉降觀測點，當盾構機向前掘進時，盾構機逐漸臨近并通過該點下方，然后又逐漸離去，在這過程觀測該觀測點沉降量隨機頭位置變化的曲線（圖3）；另一方面，考察同一時間沿機頭前后分布的觀測點沉降量的變化情況。即在線路中線上方地面每隔5m間距布設一個沉降觀測點，當這些點位于盾構掘進沉降影響范圍時，考察在同一時間這些觀測點沉降量的分布情況（圖4）。

采用玻爾茲曼（Boltzmann）函數對沉降量隨機頭位置變化曲線進行擬合：

可以看出，從上述兩方面得到的縱斷面沉降曲線分布規律是基本一致的。在敞開式掘進情況下，在機頭前方約6m（約1倍隧道直徑）以外，地面基本無沉降跡象，部分出現輕微隆起趨勢（隆起量小于1mm）；在機頭前方約5m左右開始產生沉降；機頭前方5m至機頭后約8~9m（約等于盾構機長度8.35m）是沉降主要發展階段，這個范圍的地層主要受盾構刀盤旋轉及開挖面出土卸載影響（機頭前方5m）以及盾構機通過時盾殼對圍巖擾動的影響（機頭后約8~9m），沉降量約占總沉降量的80%以上；機頭過去10~15m后沉降趨于穩定，在這個范圍，盾構已通過，對地層的擾動消失，同時，盾尾脫出后產生的圍巖與管片間的建筑空隙得到了盾尾同步注漿的及時同步填充，對地層產生了很好的支撐作用，有效地抑制了地層沉降的進一步發展。值得注意的是，上述結果是在盾尾同步注漿正常發揮作用的情況下得出的，如注漿壓力、注漿量不足或注漿不及時，盾構通過后還會產生相當大的的后期沉降。施工實踐表明，只要注漿不正常，往往就會出現比較大的沉降量。
在存在軟弱地層且周邊環境對地面沉降控制要求較高時，一般采用土壓平衡模式掘進。如洞身或上覆土層為可塑~硬塑狀粘性土及粉土④、可塑狀的粉質粘土、稍密狀的粉土⑤-①以及砂層等情況。在土壓平衡掘進模式情況下，沉降發展規律基本與敞開掘進模式的規律相似，但機頭前方地面（距機頭約6m）往往出現比較明顯的隆起。

5　　沉降隨時間的發展規律
從地面某個觀察點開始產生沉降起，觀測其沉降量隨時間的發展情況(圖5)。

　　　　　　　　　　　　

6　沉降量概率分布的統計分析
6.1　沉降量概率分布曲線
如前所述，沿隧道中線上方地面每隔5m布設一個沉降觀測點，各點一般需連續觀測5~7d，視沉降發展情況，逐漸降低觀測頻率，直至沉降穩定。圖6是赤崗—容村區間左右線隧道中線上方地面累計沉降量（沉降穩定后）的分布圖，可以看出：

（1） 由于左右線地質情況相近，施工參數相似，左右線縱斷面沉降分布規律總體上也是基本一致的；
（2） 在敞開式掘進地段，地面基本無隆起現象；在土壓平衡掘進地段地面出現輕微隆起；
（3） 在覆土厚度較薄，洞身巖土層下硬上軟，掘進速度慢，又未采用土壓平衡方式掘進的地段，地面沉降較大，如圖中里程3 840~3 900和4 315~4 370cm等。
6.2　沉降量分布的統計分析
將沉降量看作隨機變量，對赤崗—客村區間左右線隧道中線上方地面沉降量概率分布進行統計分析：
習慣上，負號表示地表沉降，正號表示地表隆起，為便于數據處理，對數據進行線性變換（平移），使其全部變為正號：
Si=S′i+10　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）
式中S′i——沉降量（小于0表示沉降，大于0表示隆起）（mm）；
Si——變換后的沉降量（大于10表示沉降，0~10表示隆起）（mm）。
累計有754個沉降量樣本，按從小到大將其劃分為16組（區間），各組的頻數及頻率統計結果見表5。


6.2.1　沉降量分布密度函數
根據表中統計結果作出沉降量分布頻率直方圖(圖7)。

7　　結語
通過對廣州地鐵2號線赤—鷺區間盾構隧道施工過程的地面沉降監測數據進行定量統計分析，基本上掌握了盾構施工過程的地表沉降規律，并用數學函數加以表達，包括：沉降槽分布形式、沉降隨時間發展規律、沉降量的概率分布、沉降影響范圍等。經過研究得到了以下認識：
（1） 橫斷面沉降槽曲線可用高斯峰值函數（Gaussian Peak Function，式（1））擬合。受先行隧道影響，后行隧道沉降曲線左右往往并不對稱，地表最大沉降量向先行隧道一側偏移，地面沉降槽寬度一般在20~30m范圍。
（2） 盾構機頭前后的沉降量分布可用玻爾茲曼（Boltzmann，式（2））函數擬合。在敞開式掘進情況下，機頭前方約5m處開始產生沉降，機頭前方5m至盾尾是沉降的主要發展區域，沉降量約占總沉降量的80%以上，機頭過去10-15m后沉降趨于穩定。
（3） 沉降量隨時間變化規律可采用對數方程（Logistical Eqation，式（4））擬合。沉降發展過程可分為3個階段：第1~2d沉降緩慢發展，第3~5d沉降快速增長，第6~7d沉降變化減緩，并逐漸趨于穩定。
(4) 隧道中線上方沉降量概率密度服從對數正態分布（式(6)）。赤—鷺區間隧道盾構施工過程的地面沉降平均值為 14.2mm，沉降量大于30mm的僅占6.23%。
參考文獻
［1］ B.Maidl,M.Herrenknecht,L.Anheuser.Mechanised Shield Tunnelling［M］. Berlin:Ernst & Sohn,1996:21-22
［2］ 尹超旅等編.日本隧道盾構新技術.武漢：華中理工大學出版社，1999
［3］ 付德明.上海地鐵區間隧道土壓平衡盾構施工及地面沉降控制［A］.見：上海隧道工程股份有限公司編.軟土地下工程施工技術論文集.166-170
［4］ 唐益群 葉為民.上海地鐵盾構施工引起地面沉降的分析研究［J］.地下空間, 1995，Vol. 15, No. 4
［5］ 竺維彬. 廣州地鐵一號線盾構東段地面沉降規律及其影響因素的研究［J］. 廣州建筑，1999（增刊）：135-143
［6］ Fang,Y.-S.Lin S.-J.Time & settlement in EPB shield tunneling［J］.Tunnels & tunneling,25(November 1993),27-28
［7］ 唐啟義，馮明光. 實用統計分析及其DPS數據處理系統［M］.北京：科學出版社，2002

文章出處：《城市交通隧道工程最新技術》