南京地鐵盾構施工引起的地表沉降分析摘 要 結合南京地鐵某區間的盾構施工,分析實測的斷面數據,得出盾構推進對地表影響的主區域和次區域,明確了盾構推進時對地表的影響范圍。通過對比Ｐｅｃｋ法計算值和實測值,驗證現有的經驗參數是否適合南京地區的實際情況。通過對實測曲線的擬合和數值計算得到沉降槽半寬度,改進了地表沉降槽寬度系數的取值范圍,有助于盾構法在南京地區的推廣和應用。關鍵詞 地鐵,隧道施工,盾構法,地表沉降 在人口密集、建筑設施密布的城市中進行盾構法施工,由于巖土開挖不可避免地產生對巖土體的擾動并引起洞室周圍地表發生位移和變形;當位移和變形超過一定限度時,勢必危及周圍地面建筑設施、道路和地下管線的安全。因此,中外學者對盾構施工擾動的機理[1]、地層移動[2]、土體影響范圍[3-5]等做了大量的研究工作,取得了一系列關于盾構施工引起地表沉降的研究成果,其中Ｐｅｃｋ法應用最為廣泛。本文通過對南京地鐵玄武門站———新模范馬路站區間盾構施工的實測沉降分析研究,尋求適合南京地區地鐵盾構工程應用的沉降計算公式及參數確定方法。1工程概況 玄武門———新模范馬路的地鐵盾構掘進區間自玄武門站,沿中央路向北至新模范馬路車站,設計里程為Ｋ11+591.899～Ｋ12+422.189。區間分布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粉質黏土、粉質黏土及中到稍密的粉細砂等,土質不均,黏性土中常局部夾有粉細砂,土質較差。區間隧道在淤泥質粉質黏土、粉質黏土及粉細砂中通過。圍巖劃分為Ⅰ類。土體主要力學性質見表1。
2 測試分析 整個掘進過程采用土壓平衡模式盾構機。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。掘進中一些參數設置為:盾構頂部土壓保持在0.13～0.21ＭＰａ,盾構底部土壓0.19～0.28ＭＰａ,掘進速度60ｍｍ/ｍｉｎ,同步注漿壓力0.25ＭＰａ,注漿量3.2ｍ3/環。2.1 監測斷面的選取及測點布置 根據隧道不同的埋深及地層分布,選擇8個具有代表性的監測斷面,其樁號、里程以及埋深見表2。測點布置如圖1。2.2實測數據分析 對Ｈ1～Ｈ8斷面進行了連續監測,直至沉降穩定。監測結果繪成的曲線圖見圖2。 結合各斷面的具體地質條件以及盾構施工參數,得出實測結果如下。 1)由于盾構穿過的地層其地質條件相對穩定以及各施工參數的接近,8個斷面的曲線沉降規律幾乎保持一致。結果顯示,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,低于設計要求,盾構各項掘進參數設置適當,盾構姿態較好。2)沉降曲線沿線路中心不對稱分布,盾構掘進的影響區域主要在隧道軸線7ｍ范圍內。在此范圍內的沉降槽體積占到總體積的70%,這一范圍(約2.2倍的洞徑)是沉降的最大區域,最大沉降發生在線路中心。距隧道軸線7～20ｍ范圍內沉降均值為2ｍｍ,這一范圍為次要沉降區;離軸線20ｍ以外的地區,地表隆沉數值較小,平均在1ｍｍ以內,考慮到觀測誤差,可認為此區域在盾構掘進影響范圍以外。因此可認為盾構掘進的影響區域為距軸線20ｍ內,約是洞徑的6.2倍。 3)各斷面數據顯示,大部分斷面的最大沉降量均控制在15ｍｍ以內。Ｈ1、Ｈ2斷面由于盾構機放慢速度準備出洞,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,而向盾尾空隙中移動,引起地層損失(特別在含水量不穩定的地層中,這是引起地表沉降的主要原因); ③盾尾出現少量漏漿現象。 根據監測結果顯示,地表沉降在允許范圍內,因此施工中仍采用比較穩定的施工參數,并沒有采取增加注漿量等相應的施工控制手段。3 沉降槽系數的改進3.1Ｐｅｃｋ法理論計算與實測比較 1969年,Ｐｅｃｋ提出了盾構施工引起地面沉降的估算方法,認為地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積,并根據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;Ｚ為隧道中心埋深;?Φ為土的內摩擦角;Ｒ為盾構機外徑;ＶＬ為地層體積損失率。 地層損失的取值,對預測地面沉降槽的準確度有重要的影響,須仔細分析地質和施工條件并參照已有經驗合理確定。根據玄武門———新模范馬路盾構區間的情況,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Ｐｅｃｋ公式,Ｖｓ=0.32ｍ3,ｉ=6.84ｍ,Ｓｍａｘ=19ｍｍ,其沉降槽分布曲線為。將盾構掘進影響范圍內(隧道軸線兩側20ｍ)各點沉降計算結果和實測結果進行比較,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。說明利用現有參數用Ｐｅｃｋ法預估地表橫向沉降槽分布存在一定的誤差。3.2參數的改進 對各斷面實測曲線進行正態曲線擬合,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(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%。應用改進后得到的Ｐｅｃｋ公式參數取值再次計算Ｈ1斷面上的沉降,ｋ取0.55,ＶＬ取0.39%。改進前、后計算結果與實測數據的比較如圖3所示。可以看出,應用改進后的參數可較好地預測橫斷面地面沉降分布。南京地區盾構區間的土層水平分布比較均勻,由流沙盾構區間隧道和軟土盾構區間隧道組成,研究結果可推廣到整個南京地區的盾構施工。4 結論 1)在黏土性地層中采用土壓平衡模式盾構開挖能很好地控制地表沉降。 2)盾構單線推進對地表影響主區域為軸線兩側7ｍ范圍內,約為洞徑的2.2倍;整個影響區域為軸線兩側20ｍ內,大約為洞徑的6.2倍。根據后續監測結果顯示,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20ｍ內。 3)通過對比Ｐｅｃｋ法計算值和實測值,發現現有的經驗參數不能很好地滿足南京地區的實際情況。本文通過曲線擬合和計算進行參數改正,認為南京地區地表沉降槽寬度系數(ｋ)的取值范圍為0.34～0.74之間。參考文獻[1] 張慶賀.盾構推進引起土體擾動理論分析及試驗研究[Ｊ].巖石力學與工程學報,1999,12(6):699.[2] 孫鈞.盾構施工擾動與地層移動及其智能神經網絡預測[Ｊ].巖土工程學報,2001,5(3):261.[3] ＬＯＧＡＮＮＡＴＨＡＮＮ,ＰＯＵＬＯＳＨＧ.Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｔｅｓ ｔｉｎｇｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄｇｒｏｕｎｄａｎｄｐｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,2000,50(3):283.[4] 候學淵,廖少明.盾構隧道沉降預估[Ｊ].地下工程與隧道,1993,3(4):24.[5] 劉招偉.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[Ｊ].巖石力學與工程學報,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。掘進中一些參數設置為:盾構頂部土壓保持在0.13～0.21ＭＰａ,盾構底部土壓0.19～0.28ＭＰａ,掘進速度60ｍｍ/ｍｉｎ,同步注漿壓力0.25ＭＰａ,注漿量3.2ｍ3/環。2.1 監測斷面的選取及測點布置 根據隧道不同的埋深及地層分布,選擇8個具有代表性的監測斷面,其樁號、里程以及埋深見表2。測點布置如圖1。2.2實測數據分析 對Ｈ1～Ｈ8斷面進行了連續監測,直至沉降穩定。監測結果繪成的曲線圖見圖2。 結合各斷面的具體地質條件以及盾構施工參數,得出實測結果如下。 1)由于盾構穿過的地層其地質條件相對穩定以及各施工參數的接近,8個斷面的曲線沉降規律幾乎保持一致。結果顯示,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,低于設計要求,盾構各項掘進參數設置適當,盾構姿態較好。2)沉降曲線沿線路中心不對稱分布,盾構掘進的影響區域主要在隧道軸線7ｍ范圍內。在此范圍內的沉降槽體積占到總體積的70%,這一范圍(約2.2倍的洞徑)是沉降的最大區域,最大沉降發生在線路中心。距隧道軸線7～20ｍ范圍內沉降均值為2ｍｍ,這一范圍為次要沉降區;離軸線20ｍ以外的地區,地表隆沉數值較小,平均在1ｍｍ以內,考慮到觀測誤差,可認為此區域在盾構掘進影響范圍以外。因此可認為盾構掘進的影響區域為距軸線20ｍ內,約是洞徑的6.2倍。 3)各斷面數據顯示,大部分斷面的最大沉降量均控制在15ｍｍ以內。Ｈ1、Ｈ2斷面由于盾構機放慢速度準備出洞,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,而向盾尾空隙中移動,引起地層損失(特別在含水量不穩定的地層中,這是引起地表沉降的主要原因); ③盾尾出現少量漏漿現象。 根據監測結果顯示,地表沉降在允許范圍內,因此施工中仍采用比較穩定的施工參數,并沒有采取增加注漿量等相應的施工控制手段。3 沉降槽系數的改進3.1Ｐｅｃｋ法理論計算與實測比較 1969年,Ｐｅｃｋ提出了盾構施工引起地面沉降的估算方法,認為地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積,并根據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;Ｚ為隧道中心埋深;?Φ為土的內摩擦角;Ｒ為盾構機外徑;ＶＬ為地層體積損失率。 地層損失的取值,對預測地面沉降槽的準確度有重要的影響,須仔細分析地質和施工條件并參照已有經驗合理確定。根據玄武門———新模范馬路盾構區間的情況,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Ｐｅｃｋ公式,Ｖｓ=0.32ｍ3,ｉ=6.84ｍ,Ｓｍａｘ=19ｍｍ,其沉降槽分布曲線為。將盾構掘進影響范圍內(隧道軸線兩側20ｍ)各點沉降計算結果和實測結果進行比較,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。說明利用現有參數用Ｐｅｃｋ法預估地表橫向沉降槽分布存在一定的誤差。3.2參數的改進 對各斷面實測曲線進行正態曲線擬合,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(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%。應用改進后得到的Ｐｅｃｋ公式參數取值再次計算Ｈ1斷面上的沉降,ｋ取0.55,ＶＬ取0.39%。改進前、后計算結果與實測數據的比較如圖3所示。可以看出,應用改進后的參數可較好地預測橫斷面地面沉降分布。南京地區盾構區間的土層水平分布比較均勻,由流沙盾構區間隧道和軟土盾構區間隧道組成,研究結果可推廣到整個南京地區的盾構施工。4 結論 1)在黏土性地層中采用土壓平衡模式盾構開挖能很好地控制地表沉降。 2)盾構單線推進對地表影響主區域為軸線兩側7ｍ范圍內,約為洞徑的2.2倍;整個影響區域為軸線兩側20ｍ內,大約為洞徑的6.2倍。根據后續監測結果顯示,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20ｍ內。 3)通過對比Ｐｅｃｋ法計算值和實測值,發現現有的經驗參數不能很好地滿足南京地區的實際情況。本文通過曲線擬合和計算進行參數改正,認為南京地區地表沉降槽寬度系數(ｋ)的取值范圍為0.34～0.74之間。參考文獻[1] 張慶賀.盾構推進引起土體擾動理論分析及試驗研究[Ｊ].巖石力學與工程學報,1999,12(6):699.[2] 孫鈞.盾構施工擾動與地層移動及其智能神經網絡預測[Ｊ].巖土工程學報,2001,5(3):261.[3] ＬＯＧＡＮＮＡＴＨＡＮＮ,ＰＯＵＬＯＳＨＧ.Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｔｅｓ ｔｉｎｇｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄｇｒｏｕｎｄａｎｄｐｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,2000,50(3):283.[4] 候學淵,廖少明.盾構隧道沉降預估[Ｊ].地下工程與隧道,1993,3(4):24.[5] 劉招偉.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[Ｊ].巖石力學與工程學報,2003,8(8):1297.[6] ＰＥＣＫＰＢ.Ｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ[Ｃ].Ｐｒｏｃ7ｔｈＩｎｔＣｏｎｆｏｎＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｄＦｏｕｎｄＥｎｇｒｇＭｅｘｉｃｏ,1969:225.
