南京地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析摘 要 結(jié)合南京地鐵某區(qū)間的盾構(gòu)施工,分析實測的斷面數(shù)據(jù),得出盾構(gòu)推進對地表影響的主區(qū)域和次區(qū)域,明確了盾構(gòu)推進時對地表的影響范圍。通過對比Ｐｅｃｋ法計算值和實測值,驗證現(xiàn)有的經(jīng)驗參數(shù)是否適合南京地區(qū)的實際情況。通過對實測曲線的擬合和數(shù)值計算得到沉降槽半寬度,改進了地表沉降槽寬度系數(shù)的取值范圍,有助于盾構(gòu)法在南京地區(qū)的推廣和應(yīng)用。關(guān)鍵詞 地鐵,隧道施工,盾構(gòu)法,地表沉降 在人口密集、建筑設(shè)施密布的城市中進行盾構(gòu)法施工,由于巖土開挖不可避免地產(chǎn)生對巖土體的擾動并引起洞室周圍地表發(fā)生位移和變形;當(dāng)位移和變形超過一定限度時,勢必危及周圍地面建筑設(shè)施、道路和地下管線的安全。因此,中外學(xué)者對盾構(gòu)施工擾動的機理[1]、地層移動[2]、土體影響范圍[3-5]等做了大量的研究工作,取得了一系列關(guān)于盾構(gòu)施工引起地表沉降的研究成果,其中Ｐｅｃｋ法應(yīng)用最為廣泛。本文通過對南京地鐵玄武門站———新模范馬路站區(qū)間盾構(gòu)施工的實測沉降分析研究,尋求適合南京地區(qū)地鐵盾構(gòu)工程應(yīng)用的沉降計算公式及參數(shù)確定方法。1工程概況 玄武門———新模范馬路的地鐵盾構(gòu)掘進區(qū)間自玄武門站,沿中央路向北至新模范馬路車站,設(shè)計里程為Ｋ11+591.899～Ｋ12+422.189。區(qū)間分布3組平面曲線,半徑分別為1000ｍ、1500ｍ、800ｍ;隧道縱坡為Ｖ形,最大縱坡為30‰;隧道埋深在8.0～14.5ｍ之間。 該區(qū)間屬古河道漫灘地貌,基巖埋藏較深,均大于25ｍ;軟弱土層較厚,主要為低塑性淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及中到稍密的粉細砂等,土質(zhì)不均,黏性土中常局部夾有粉細砂,土質(zhì)較差。區(qū)間隧道在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及粉細砂中通過。圍巖劃分為Ⅰ類。土體主要力學(xué)性質(zhì)見表1。
2 測試分析 整個掘進過程采用土壓平衡模式盾構(gòu)機。本文選取左線掘進過程中引起的地表沉降進行分析,整個掘進過程歷時4個月。掘進中一些參數(shù)設(shè)置為:盾構(gòu)頂部土壓保持在0.13～0.21ＭＰａ,盾構(gòu)底部土壓0.19～0.28ＭＰａ,掘進速度60ｍｍ/ｍｉｎ,同步注漿壓力0.25ＭＰａ,注漿量3.2ｍ3/環(huán)。2.1 監(jiān)測斷面的選取及測點布置 根據(jù)隧道不同的埋深及地層分布,選擇8個具有代表性的監(jiān)測斷面,其樁號、里程以及埋深見表2。測點布置如圖1。2.2實測數(shù)據(jù)分析 對Ｈ1～Ｈ8斷面進行了連續(xù)監(jiān)測,直至沉降穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果繪成的曲線圖見圖2。 結(jié)合各斷面的具體地質(zhì)條件以及盾構(gòu)施工參數(shù),得出實測結(jié)果如下。 1)由于盾構(gòu)穿過的地層其地質(zhì)條件相對穩(wěn)定以及各施工參數(shù)的接近,8個斷面的曲線沉降規(guī)律幾乎保持一致。結(jié)果顯示,在黏土性地層中采用土壓平衡模式開挖能很好地控制地表沉降,最大沉降為22.8ｍｍ,低于設(shè)計要求,盾構(gòu)各項掘進參數(shù)設(shè)置適當(dāng),盾構(gòu)姿態(tài)較好。2)沉降曲線沿線路中心不對稱分布,盾構(gòu)掘進的影響區(qū)域主要在隧道軸線7ｍ范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)的沉降槽體積占到總體積的70%,這一范圍(約2.2倍的洞徑)是沉降的最大區(qū)域,最大沉降發(fā)生在線路中心。距隧道軸線7～20ｍ范圍內(nèi)沉降均值為2ｍｍ,這一范圍為次要沉降區(qū);離軸線20ｍ以外的地區(qū),地表隆沉數(shù)值較小,平均在1ｍｍ以內(nèi),考慮到觀測誤差,可認為此區(qū)域在盾構(gòu)掘進影響范圍以外。因此可認為盾構(gòu)掘進的影響區(qū)域為距軸線20ｍ內(nèi),約是洞徑的6.2倍。 3)各斷面數(shù)據(jù)顯示,大部分斷面的最大沉降量均控制在15ｍｍ以內(nèi)。Ｈ1、Ｈ2斷面由于盾構(gòu)機放慢速度準(zhǔn)備出洞,且覆土為雜填土和低壓縮性粉土,使得地表沉降量變得更小。而Ｈ5、Ｈ7斷面,雖然埋深大于Ｈ1、Ｈ2等斷面,理論上隧道覆蓋層厚度與盾構(gòu)外徑之比越大,地表土體受到的擾動越小,地表中心總沉降量越小,但這2個斷面的沉降量大于其他斷面,是由于下述3個原因: ①上覆土有軟流塑等中壓縮性土,易受擾動; ②盾構(gòu)推進的過程中,由于向盾尾隧道外周建筑空隙中注漿不及時、注漿量不足,使得盾尾隧道周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài),而向盾尾空隙中移動,引起地層損失(特別在含水量不穩(wěn)定的地層中,這是引起地表沉降的主要原因); ③盾尾出現(xiàn)少量漏漿現(xiàn)象。 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示,地表沉降在允許范圍內(nèi),因此施工中仍采用比較穩(wěn)定的施工參數(shù),并沒有采取增加注漿量等相應(yīng)的施工控制手段。3 沉降槽系數(shù)的改進3.1Ｐｅｃｋ法理論計算與實測比較 1969年,Ｐｅｃｋ提出了盾構(gòu)施工引起地面沉降的估算方法,認為地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積,并根據(jù)這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式[6]: 式中:Ｓ(ｘ)為沉降量;Ｖｓ為盾構(gòu)施工隧道單位長度的地層損失;Ｓｍａｘ為距隧道中心線的最大沉降量;ｘ為距隧道中心線的距離;ｉ為沉降槽半寬度;ｋ為沉降槽寬度系數(shù);Ｚ為隧道中心埋深;?Φ為土的內(nèi)摩擦角;Ｒ為盾構(gòu)機外徑;ＶＬ為地層體積損失率。 地層損失的取值,對預(yù)測地面沉降槽的準(zhǔn)確度有重要的影響,須仔細分析地質(zhì)和施工條件并參照已有經(jīng)驗合理確定。根據(jù)玄武門———新模范馬路盾構(gòu)區(qū)間的情況,ＶＬ取1.0%,Ｒ=3.2ｍ,選取隧道埋深在12ｍ的Ｈ1斷面作為比較對象,根據(jù)Ｐｅｃｋ公式,Ｖｓ=0.32ｍ3,ｉ=6.84ｍ,Ｓｍａｘ=19ｍｍ,其沉降槽分布曲線為。將盾構(gòu)掘進影響范圍內(nèi)(隧道軸線兩側(cè)20ｍ)各點沉降計算結(jié)果和實測結(jié)果進行比較,詳見圖3。 從圖3中可看出,不論是沉降值還是沉降槽的分布上,計算沉降曲線與實測沉降曲線存在較大的差異。說明利用現(xiàn)有參數(shù)用Ｐｅｃｋ法預(yù)估地表橫向沉降槽分布存在一定的誤差。3.2參數(shù)的改進 對各斷面實測曲線進行正態(tài)曲線擬合,找出曲線反彎點,得到沉降槽半寬度(ｉ)。再反算出ＶＬ和不同觀測斷面沉降槽寬度系數(shù)(ｋ)。ＶＬ和ｋ值列于表3。 從表3可以看出,ｋ的取值范圍為0.34～0.74,ＶＬ的取值范圍為0.39%～0.89%。應(yīng)用改進后得到的Ｐｅｃｋ公式參數(shù)取值再次計算Ｈ1斷面上的沉降,ｋ取0.55,ＶＬ取0.39%。改進前、后計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較如圖3所示。可以看出,應(yīng)用改進后的參數(shù)可較好地預(yù)測橫斷面地面沉降分布。南京地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間的土層水平分布比較均勻,由流沙盾構(gòu)區(qū)間隧道和軟土盾構(gòu)區(qū)間隧道組成,研究結(jié)果可推廣到整個南京地區(qū)的盾構(gòu)施工。4 結(jié)論 1)在黏土性地層中采用土壓平衡模式盾構(gòu)開挖能很好地控制地表沉降。 2)盾構(gòu)單線推進對地表影響主區(qū)域為軸線兩側(cè)7ｍ范圍內(nèi),約為洞徑的2.2倍;整個影響區(qū)域為軸線兩側(cè)20ｍ內(nèi),大約為洞徑的6.2倍。根據(jù)后續(xù)監(jiān)測結(jié)果顯示,隧道左右線全部貫通后,地表沉降量最大累計為42.1ｍｍ,推進影響范圍仍在軸線兩側(cè)20ｍ內(nèi)。 3)通過對比Ｐｅｃｋ法計算值和實測值,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的經(jīng)驗參數(shù)不能很好地滿足南京地區(qū)的實際情況。本文通過曲線擬合和計算進行參數(shù)改正,認為南京地區(qū)地表沉降槽寬度系數(shù)(ｋ)的取值范圍為0.34～0.74之間。參考文獻[1] 張慶賀.盾構(gòu)推進引起土體擾動理論分析及試驗研究[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1999,12(6):699.[2] 孫鈞.盾構(gòu)施工擾動與地層移動及其智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[Ｊ].巖土工程學(xué)報,2001,5(3):261.[3] ＬＯＧＡＮＮＡＴＨＡＮＮ,ＰＯＵＬＯＳＨＧ.Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｔｅｓ ｔｉｎｇｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄｇｒｏｕｎｄａｎｄｐｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,2000,50(3):283.[4] 候?qū)W淵,廖少明.盾構(gòu)隧道沉降預(yù)估[Ｊ].地下工程與隧道,1993,3(4):24.[5] 劉招偉.地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,8(8):1297.[6] ＰＥＣＫＰＢ.Ｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ[Ｃ].Ｐｒｏｃ7ｔｈＩｎｔＣｏｎｆｏｎＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｄＦｏｕｎｄＥｎｇｒｇＭｅｘｉｃｏ,1969:225.
2 測試分析 整個掘進過程采用土壓平衡模式盾構(gòu)機。本文選取左線掘進過程中引起的地表沉降進行分析,整個掘進過程歷時4個月。掘進中一些參數(shù)設(shè)置為:盾構(gòu)頂部土壓保持在0.13～0.21ＭＰａ,盾構(gòu)底部土壓0.19～0.28ＭＰａ,掘進速度60ｍｍ/ｍｉｎ,同步注漿壓力0.25ＭＰａ,注漿量3.2ｍ3/環(huán)。2.1 監(jiān)測斷面的選取及測點布置 根據(jù)隧道不同的埋深及地層分布,選擇8個具有代表性的監(jiān)測斷面,其樁號、里程以及埋深見表2。測點布置如圖1。2.2實測數(shù)據(jù)分析 對Ｈ1～Ｈ8斷面進行了連續(xù)監(jiān)測,直至沉降穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果繪成的曲線圖見圖2。 結(jié)合各斷面的具體地質(zhì)條件以及盾構(gòu)施工參數(shù),得出實測結(jié)果如下。 1)由于盾構(gòu)穿過的地層其地質(zhì)條件相對穩(wěn)定以及各施工參數(shù)的接近,8個斷面的曲線沉降規(guī)律幾乎保持一致。結(jié)果顯示,在黏土性地層中采用土壓平衡模式開挖能很好地控制地表沉降,最大沉降為22.8ｍｍ,低于設(shè)計要求,盾構(gòu)各項掘進參數(shù)設(shè)置適當(dāng),盾構(gòu)姿態(tài)較好。2)沉降曲線沿線路中心不對稱分布,盾構(gòu)掘進的影響區(qū)域主要在隧道軸線7ｍ范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)的沉降槽體積占到總體積的70%,這一范圍(約2.2倍的洞徑)是沉降的最大區(qū)域,最大沉降發(fā)生在線路中心。距隧道軸線7～20ｍ范圍內(nèi)沉降均值為2ｍｍ,這一范圍為次要沉降區(qū);離軸線20ｍ以外的地區(qū),地表隆沉數(shù)值較小,平均在1ｍｍ以內(nèi),考慮到觀測誤差,可認為此區(qū)域在盾構(gòu)掘進影響范圍以外。因此可認為盾構(gòu)掘進的影響區(qū)域為距軸線20ｍ內(nèi),約是洞徑的6.2倍。 3)各斷面數(shù)據(jù)顯示,大部分斷面的最大沉降量均控制在15ｍｍ以內(nèi)。Ｈ1、Ｈ2斷面由于盾構(gòu)機放慢速度準(zhǔn)備出洞,且覆土為雜填土和低壓縮性粉土,使得地表沉降量變得更小。而Ｈ5、Ｈ7斷面,雖然埋深大于Ｈ1、Ｈ2等斷面,理論上隧道覆蓋層厚度與盾構(gòu)外徑之比越大,地表土體受到的擾動越小,地表中心總沉降量越小,但這2個斷面的沉降量大于其他斷面,是由于下述3個原因: ①上覆土有軟流塑等中壓縮性土,易受擾動; ②盾構(gòu)推進的過程中,由于向盾尾隧道外周建筑空隙中注漿不及時、注漿量不足,使得盾尾隧道周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài),而向盾尾空隙中移動,引起地層損失(特別在含水量不穩(wěn)定的地層中,這是引起地表沉降的主要原因); ③盾尾出現(xiàn)少量漏漿現(xiàn)象。 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示,地表沉降在允許范圍內(nèi),因此施工中仍采用比較穩(wěn)定的施工參數(shù),并沒有采取增加注漿量等相應(yīng)的施工控制手段。3 沉降槽系數(shù)的改進3.1Ｐｅｃｋ法理論計算與實測比較 1969年,Ｐｅｃｋ提出了盾構(gòu)施工引起地面沉降的估算方法,認為地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積,并根據(jù)這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式[6]: 式中:Ｓ(ｘ)為沉降量;Ｖｓ為盾構(gòu)施工隧道單位長度的地層損失;Ｓｍａｘ為距隧道中心線的最大沉降量;ｘ為距隧道中心線的距離;ｉ為沉降槽半寬度;ｋ為沉降槽寬度系數(shù);Ｚ為隧道中心埋深;?Φ為土的內(nèi)摩擦角;Ｒ為盾構(gòu)機外徑;ＶＬ為地層體積損失率。 地層損失的取值,對預(yù)測地面沉降槽的準(zhǔn)確度有重要的影響,須仔細分析地質(zhì)和施工條件并參照已有經(jīng)驗合理確定。根據(jù)玄武門———新模范馬路盾構(gòu)區(qū)間的情況,ＶＬ取1.0%,Ｒ=3.2ｍ,選取隧道埋深在12ｍ的Ｈ1斷面作為比較對象,根據(jù)Ｐｅｃｋ公式,Ｖｓ=0.32ｍ3,ｉ=6.84ｍ,Ｓｍａｘ=19ｍｍ,其沉降槽分布曲線為。將盾構(gòu)掘進影響范圍內(nèi)(隧道軸線兩側(cè)20ｍ)各點沉降計算結(jié)果和實測結(jié)果進行比較,詳見圖3。 從圖3中可看出,不論是沉降值還是沉降槽的分布上,計算沉降曲線與實測沉降曲線存在較大的差異。說明利用現(xiàn)有參數(shù)用Ｐｅｃｋ法預(yù)估地表橫向沉降槽分布存在一定的誤差。3.2參數(shù)的改進 對各斷面實測曲線進行正態(tài)曲線擬合,找出曲線反彎點,得到沉降槽半寬度(ｉ)。再反算出ＶＬ和不同觀測斷面沉降槽寬度系數(shù)(ｋ)。ＶＬ和ｋ值列于表3。 從表3可以看出,ｋ的取值范圍為0.34～0.74,ＶＬ的取值范圍為0.39%～0.89%。應(yīng)用改進后得到的Ｐｅｃｋ公式參數(shù)取值再次計算Ｈ1斷面上的沉降,ｋ取0.55,ＶＬ取0.39%。改進前、后計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較如圖3所示。可以看出,應(yīng)用改進后的參數(shù)可較好地預(yù)測橫斷面地面沉降分布。南京地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間的土層水平分布比較均勻,由流沙盾構(gòu)區(qū)間隧道和軟土盾構(gòu)區(qū)間隧道組成,研究結(jié)果可推廣到整個南京地區(qū)的盾構(gòu)施工。4 結(jié)論 1)在黏土性地層中采用土壓平衡模式盾構(gòu)開挖能很好地控制地表沉降。 2)盾構(gòu)單線推進對地表影響主區(qū)域為軸線兩側(cè)7ｍ范圍內(nèi),約為洞徑的2.2倍;整個影響區(qū)域為軸線兩側(cè)20ｍ內(nèi),大約為洞徑的6.2倍。根據(jù)后續(xù)監(jiān)測結(jié)果顯示,隧道左右線全部貫通后,地表沉降量最大累計為42.1ｍｍ,推進影響范圍仍在軸線兩側(cè)20ｍ內(nèi)。 3)通過對比Ｐｅｃｋ法計算值和實測值,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的經(jīng)驗參數(shù)不能很好地滿足南京地區(qū)的實際情況。本文通過曲線擬合和計算進行參數(shù)改正,認為南京地區(qū)地表沉降槽寬度系數(shù)(ｋ)的取值范圍為0.34～0.74之間。參考文獻[1] 張慶賀.盾構(gòu)推進引起土體擾動理論分析及試驗研究[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1999,12(6):699.[2] 孫鈞.盾構(gòu)施工擾動與地層移動及其智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[Ｊ].巖土工程學(xué)報,2001,5(3):261.[3] ＬＯＧＡＮＮＡＴＨＡＮＮ,ＰＯＵＬＯＳＨＧ.Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｔｅｓ ｔｉｎｇｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄｇｒｏｕｎｄａｎｄｐｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,2000,50(3):283.[4] 候?qū)W淵,廖少明.盾構(gòu)隧道沉降預(yù)估[Ｊ].地下工程與隧道,1993,3(4):24.[5] 劉招偉.地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析[Ｊ].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,8(8):1297.[6] ＰＥＣＫＰＢ.Ｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ[Ｃ].Ｐｒｏｃ7ｔｈＩｎｔＣｏｎｆｏｎＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｄＦｏｕｎｄＥｎｇｒｇＭｅｘｉｃｏ,1969:225.