地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析

　　摘要以深圳地铁X线某区间隧道为背景，介绍盾构法施工引起的地表沉降的分析方法，结合现场监测结果的对比分析，总结了地表沉降规律，对后续工程施工具有指导意义。
　　关键词隧道工程．盾构法施工，地表沉降，现场监测，有限元法
　　1前言
　　盾构法施工已成为我国城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。同其他施工方法一样，由施工引起的地表沉降及对周围环境的影响是盾构法施工的一个重要问题。本文针对深圳地铁X号线某区间隧道工程，主要研究因开挖、地层损失、地下水位下降等原因引起的地表沉降，通过对施工过程中现场监测结果的统计分析，并结合有限元计算结果对比分析。得出盾构法施工引起的地表沉降规律，为后续工程的设计与施工积累经验。
　　2现场监测结果与分析
　　2．1地表沉降测点布设
　　施工过程中，在左、右线隧道上方地表沿隧道中线每5～8m布置一个地表测点，同时，在左、右线每30m左右在地面环境允许的位置分布设一横断面，了解盾构掘进引起的沉降槽宽度、沉降坡度等。为了解地下水位的变化，分别在隧道两侧布设水位孔，孔底低于隧道仰拱。
　　2．2地表沉降监测结果分析
　　隧道上覆地层主要有人工填土层(1)、淤泥及淤泥质土层(2．1)、冲积．洪积土层(4)、残积土层(5—1)和(5．2)、岩石全风化带(6)及强风化带(7)等地层。
　　2．2．1纵向地表沉降
　　纵向地表沉降监测结果：
　　(1)地质条件与沉降大小密切相关，相对软弱稳定性差的地层．地表沉降量大。中风化地层(8)自稳性较好，即使采用敞开模式开挖，其地表沉降值也仅为5mm左右，最大值为22mm；而在强风化层(7)和全风化地层(6)中，虽然采用了有利于控制降的土压平衡模式开挖，其沉降均值仍达到15～20mm，最大值甚至超过60mm。
　　(2)调整即时注浆参数是控制沉降的关键。中风化地层(8)中，即时注浆填充率一小于1时(即注浆不足)，地表有10mm沉降，最大值约24mm；n在1.1左右时，地表沉降很小，一般不超过5mm。强风化地层(7)和全风化地层(6)qa，注浆填充率"小于1．4时，地表沉降为20～30mm，最大值不超过60mm；n大于1．4时，沉降值在5mm左右，即地表沉降得到了很好的控制。
　　(3)修正盾构掘进参数(土仓压力)，建立有效的土压平衡，是控制地层损失、减小地层变位的有效手段。盾构始发阶段，土仓压力从0开始逐渐增加。在这一阶段，土仓压力未能与盾构前方地层的侧土压力建立平衡，因而地层损失大，地表沉降也火，最大值为24mm；在中风化地层(8)和强风化地层(7)、全风化地层(6)交界处，由于地层条件改变，埋深增大，相应的盾构前方地层侧土压力增加较多，但土仓压力却在减小，不能建立起有效的土压平衡，使地层损失很大，地表沉降达到了60mm以上，其后，土仓压力在调整到位建立平衡后，沉降减小到22mm左右。
　　2．2．2横向地表沉降
　　不同地层的地表横向沉陷槽与隧道中线距离，对地表影响较小。在全风化地层(6)和强风地层(7)，实测沉降结果表明：
　　(1)地层条件是判断盾构掘进对地层影响程度的关键，在自稳性好的地层中，盾构掘进对地表影响小，反之则相反。中风化地层(8)中，地表最大沉降为4．2mm，影响范围在距隧道中线15m左右，地表沉降增大，最大地表沉降达16．8mm，且沉降范围增大到距隧道中线30m左右。
　　(2)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，在距隧道轴线3m范围内，沉降槽体积占总体积的70％，其沉降平均值在中风化和全风化地层中分别为2．8和14mm，是最火沉降值的66．7％和83．3％，这一范围是沉降最大区域(约1倍洞径)，对地表影响最大。在距隧道轴线3--6m，中风化和全风化地层中沉降均值分别为2和10mm，是最大沉降值的47．6％和59．5％，这一范围是次要沉降区域。
　　(3)在软弱地层中，后建隧道(左线)掘进对地表沉降影响较大。对于右线轴线地表沉降．在中风化地层(8)中，左线掘进时引起的沉降值占总沉降值的17％，左线掘进影响小：而全风化地层(6)和强风化地层(7)中，左线掘进沉降引起的沉降值占总沉降的25％以上。部分地段甚至达到50％。
　　(4)盾构通过和盾尾脱出后沉降是控制沉降的关键阶段。盾构通过和盾尾脱出阶段，地表沉降值和沉降速率都较大。中风化地层(8)中，盾构通过和盾尾脱出阶段地表沉降值分别为0．5和1．0mm，是地表总沉降值的17％和34．4％；全风化地层(6)和强风化地层(7)，盾构通过和盾尾脱出阶段地表沉降值分别为4．2和7．1mm，约为地表沉降值的24％和4l％，最大沉降速率为2．2和4．0mm／d。以上说明，盾构通过和盾尾脱出是沉降的主要阶
　　段。
　　（5)水位实测显示，对于土压平衡模式，盾构到达和通过时，地下水位上升0．3m左右，盾尾通过后，由于孔隙水压力消散，地下水位下降，与原水位相比，水位下降0．11m，后受左线涌水影响，水位下降3m左右。对于敞开模式，地下水位始终呈下降趋势，地下水损失较大，个别地段水位最大下降13．3m。虽然最终水位得到恢复，但地下水位下降对地表沉降有一定影响。因此，在施工过程中必须严格控制隧道涌水。在地下水富集、水压力比
　　较大的地段，必须采用土压平衡模式。
　　3地表沉降的有限元计算与分析
　　3．1计算模型及计算参数
　　采用大型通用有限元程序ANSYS计算，管片的力学参数按《混凝土结构设计规范》GBJl，89)选取。其中，弹性模量E取3．15×104MPa。对力学效应采用了三维计算模型。计算范围为：长为75m，宽为30m。隧道自距边界15m处开挖，以避免边界效应。
　　3．2地表最大沉降值
　　地表最大沉降值是施工中最为关心的控制指标之一，本文用三维方法对测点数据比较完整的R1．和L1测点进行了计算分析，分别为R1和L1最大值时，沿隧道左、右线中线分布情况。盾构掘进引起的蜀的地表最大沉降值为4．69mm(实测结果为3．4mm，L1．测点的地表最大沉降值为8．7mm(实测结果为10．8mm)。折减情况一般根据现场进行孔内水平荷载试验测出的弹模按50％折减。计算得到的沉降槽形态与实际的沉降情况相符。
　　3．3地表沉降横向分布规律
　　将典型横断面z=54m处的地表沉降中(隧道开挖从z=75m处开始开挖，至z=45m处结束)．并把Peck曲线(沉陷槽宽度(m)系数分别为i=6．0和9．5m时的实测回归值)一同绘出。
　　3．4地表沉降纵向分布规律
　　为开挖至z=45m时，隧道中线纵向沉降曲线。可以看出，隧道影响距离基本在15rn左右。为对应测点R1．沉降随隧道向前推进的变化过程。
　　3．5固结沉降
　　在本计算中，假定地下水位下降2m(实测值为2．8m）。对L1测点，计算所得的地表最大沉降为2mm对地表的沉降有不可忽视的影响
　　4结语
　　本文通过对深圳地铁X号线某区间隧道盾构施工过程中的地表沉降的现场监测及有限元分析，得出以下几点主要结论：
　　(1)盾构施工引起的地表沉降是由多种因素产生的，它既与地层情况、土(岩)的性质、地下水、
　　隧道的埋深及截面特性等客观因素有关，也与施工方法、技术水平等主观因素密切相关。
　　(2)监测和计算结果均表明，因初始应力状态改变造成土层变形、地层损失、降水引起的同结变形均是造成地表沉降的主要因素。
　　(3)监测结果表明，即使地层情况相同，但采用的施工方案和质量不同，相应的地表沉降也会有很大的差异。
　　(4)本文采用有限元法得到的结果与实测结果基本吻合。
　　(5)隧道盾构开挖是一个三维力学问题，掌子面的受力和变形对地表的沉降值尤其是沉降过程的发展有重要的影响

《地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析》

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