王國棟，肖 立，張慶賀

(1.天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，天津 300457;2.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092;3.同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷完善，盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為城市地鐵建設(shè)中的一種重要方法。但是，由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制，盾構(gòu)掘進不可避免的會對周圍土體產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生地面沉降［1］。目前對地表沉降的研究大致分為經(jīng)驗公式法、模型試驗法和數(shù)值模擬法等［2-4］。經(jīng)驗公式法主要是 Peck 公式［2］，該法假定地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線，且沉降槽的體積等于地層損失的體積。許多工程實例也證明了它的實際使用效果。但該公式中參數(shù)的選取帶有經(jīng)驗性，未考慮土層條件和施工過程。模型試驗法是研究盾構(gòu)隧道施工問題的有效手段，但因造價較高、難度較大而很少采用。數(shù)值模擬法可以模擬施工的主要步驟，并且可以對盾構(gòu)掘進各階段對周圍環(huán)境的影響作出定量的分析，應(yīng)用越來越廣泛。但是數(shù)值模擬法存在較多的假設(shè)，這就可能造成結(jié)果的失真，另外，參數(shù)的選取也存在較大的主觀性，故數(shù)值模擬法多用于校核監(jiān)測得到的規(guī)律。地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展使得盾構(gòu)穿鐵路的情況時有發(fā)生，但是以上方法中對盾構(gòu)下穿鐵路時造成的地基沉降規(guī)律研究不是很多［5］，尤其是對盾構(gòu)長距離穿越多條鐵路股道的情況更是鮮有涉及。因此有必要對此領(lǐng)域開展研究，以探求地表變形規(guī)律。

1 工程概況

津濱輕軌西段地下線工程，西起市區(qū)天津站，東接已建成并投入運營的河?xùn)|區(qū)中山門站。天津站—七經(jīng)路站為盾構(gòu)施工區(qū)間段，該區(qū)間段沿線兩側(cè)建筑物較多，地下管線復(fù)雜，地面交通比較繁忙，盾構(gòu)掘進施工中須穿越天津站全部鐵路股道(23條)，是西段工程五個區(qū)間段中最困難的施工段之一。工程采用土壓平衡式盾構(gòu)機掘進，盾構(gòu)施工時左右線均以七經(jīng)路站為始發(fā)井，天津站為接收井。第一臺盾構(gòu)右線掘進一個月即試驗段掘進完后，第二臺盾構(gòu)開始左線掘進。管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，厚 350 mm，長1 200 mm，每環(huán)由6塊組成，錯縫拼裝。主要土層自上而下依次為①填土、③3黃色粉質(zhì)黏土、④4灰褐色粉質(zhì)黏土、④5黃灰色粉土、⑤1灰色粉質(zhì)黏土、⑥2灰黃及灰綠色粉質(zhì)黏土、⑦1黃褐色粉質(zhì)黏土、⑦5黃色粉砂、⑧2灰褐色粉質(zhì)黏土、⑨7灰黃色粉砂、⑩黏土。淺層地下水屬孔隙潛水，埋深為0.5～3.8 m。

2 監(jiān)測方案

為確保津濱輕軌西段地下工程天津站～七經(jīng)路站盾構(gòu)區(qū)間隧道施工任務(wù)的順利完成，對整個區(qū)間段實施了地表沉降全程監(jiān)測。具體監(jiān)測方案如下。

1)盾構(gòu)沿道路推進

盾構(gòu)穿越城市道路段地表沉降監(jiān)測點沿盾構(gòu)左右兩線軸線布置，每4環(huán)(4.8 m)設(shè)置一個縱向測點，每24環(huán)(28.8 m)設(shè)置一組橫向測點，采用精密水準儀測量。地表監(jiān)測點的布設(shè)如圖1，圖2所示。

2)盾構(gòu)在鐵路下方推進

盾構(gòu)穿越鐵路股道段地表沉降監(jiān)測點沿盾構(gòu)左右兩線軸線布置，設(shè)置14組橫向測點。由于站場內(nèi)鐵路運輸比較繁忙，無法做到長時間進入站場，地表沉降監(jiān)測采用精密靜力水準系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集。如圖3所示。

地表沉降監(jiān)測點布設(shè)如圖4，圖5所示。

圖1 盾構(gòu)穿越道路段地表監(jiān)測點布設(shè)平面

圖2 盾構(gòu)穿越道路段地表橫向監(jiān)測點布設(shè)剖面

圖3 靜力水準儀及布設(shè)

圖4 盾構(gòu)穿越鐵路股道段地表監(jiān)測點布設(shè)平面

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 縱向沉降

圖5 盾構(gòu)穿越鐵路股道段地表橫向監(jiān)測點布設(shè)剖面

1)盾構(gòu)在道路下方推進

圖6為盾構(gòu)(埋深14 m)掘進時，地表縱向觀測點某一時刻沉降曲線。右線沉降曲線代表右線盾構(gòu)通過時，導(dǎo)致的其上方測點的沉降;左線沉降曲線代表左線盾構(gòu)通過時，導(dǎo)致的其上方測點的沉降。曲線顯示，右線盾尾位于96環(huán)時，盾構(gòu)機上方測點沉降速率快，距離開挖斷面50～60環(huán)處(即40環(huán)位置)，沉降基本完成，沉降量約為28 mm。左線盾尾位于96環(huán)時，盾構(gòu)機上方測點沉降速率比右線小，但盾尾后方5～6環(huán)范圍內(nèi)沉降速率與右線相當(dāng)，距離開挖斷面60～70環(huán)處(即30環(huán)位置)，沉降基本完成，沉降量約為10 mm。左線沉降量比右線小得多，僅占右線的36%。盾構(gòu)通過后，在不同位置測點沉降有所減少，曲線甚至在個別區(qū)段發(fā)生回彈，為補漿作用引起。需要說明的是，圖6為瞬時沉降曲線，左右線的總沉降要大于此值，因為左(右)線推進時對右(左)線上方的測點都會有影響。

圖6 道路地表測點瞬時沉降曲線

2)盾構(gòu)在鐵路下方推進

圖7為盾構(gòu)在鐵路下方(埋深為22 m)掘進時，地表測點瞬時沉降曲線，曲線意義與圖6類似，但左線測點沉降考慮了右線盾構(gòu)通過時的影響。鐵路段監(jiān)測斷面沒有道路段密集，監(jiān)測斷面間距較大，縱向點較少，故采用了擬合曲線表示。曲線顯示，左右線盾尾處于794環(huán)時，盾尾附近的測點沉降速率較快，距離斷面60環(huán)處(即735環(huán)位置)，沉降基本完成。右線推進導(dǎo)致其上方測點沉降約為14 mm，左右線推進導(dǎo)致左線上方測點總沉降約為13 mm。與道路段相比，補漿對鐵路地表測點的沉降影響不明顯，沉降曲線沒有減小的過程。

圖7 鐵路地表測點瞬時沉降曲線

3.2 橫向沉降

1)盾構(gòu)在道路下方推進

圖8為右線R120橫斷面沉降曲線。由圖可見，右線盾尾脫出時的橫斷面沉降曲線較盾構(gòu)機頭到達時有明顯的整體下移，變化量在5 mm左右，且距盾構(gòu)中線水平距離較遠處與盾構(gòu)正上方的沉降增量相差不大(即橫斷面沉降曲線呈現(xiàn)平行下移的趨勢)。而最終沉降量則是盾構(gòu)正上方最大，與盾構(gòu)水平距離越遠，沉降量越小，說明盾構(gòu)達到前與到達時的擾土范圍大，而盾尾拖出后擾土范圍減小，主要發(fā)生在盾構(gòu)隧道及其上方位置。從數(shù)值上來看，盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量占最終沉降量的比例較大，為80%左右。

圖8 右線R120橫斷面沉降曲線

圖9為左線L120橫斷面沉降曲線。由圖可見，左線橫斷面沉降規(guī)律與右線類似。盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量也占到最終沉降量的80%左右。由于兩條隧道施工相互影響，監(jiān)測到橫向沉降曲線不完全對稱，最大值偏向先期施工隧道一側(cè)。

2)盾構(gòu)在鐵路下方推進

圖9 左線L120橫斷面沉降曲線

圖10為右線R690橫斷面沉降曲線。曲線顯示，橫斷面的總體沉降規(guī)律與道路段有相似之處，也能形成規(guī)則的沉降槽。右線機頭到達和盾尾脫出時間段內(nèi)，距盾構(gòu)中心水平距離較遠處沉降變化不明顯，右線盾構(gòu)引起的最大沉降為14 mm，盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量也占到最終沉降量的80%。左線通過后，圖形左側(cè)的總沉降量高于右側(cè)，最大總沉降達到20 mm。右線盾構(gòu)施工引起的沉降遠大于左線，占到總沉降的70%。

圖10 右線R690橫斷面沉降曲線

4 Peck 公式［2］反演地層損失率

Peck提出了盾構(gòu)施工引起地面沉降的估算方法。此法假定地層損失在隧道長度方向上均勻分布，地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線，如圖11所示。

式中，S(x)為沉降量(m);Smax為隧道中心線處的最大沉降量(m);x為距隧道中心線的距離(m);Vl為單位長度地層損失量(m2);i為沉降槽寬度系數(shù) (自隧道中心至沉降曲線反彎點的距離)(m)。

式中，ζ為地層損失率(%);r為隧道外徑(m)。

圖11 Peck法地表沉降槽曲線

i的計算公式［6］為

式中，Z為地面至隧道中心深度(m);φ為土的內(nèi)摩擦角，對于成層土取加權(quán)平均值。

Peck公式適用于自由場的工況，對于盾構(gòu)穿越鐵路股道的工況，由于地表有較大的鐵路活載，Peck公式不再適用。下面僅對盾構(gòu)穿越道路段的工況(由于道路荷載較小，可近似按照自由場考慮)，用Peck法反演地層損失率。盾構(gòu)過道路段埋深在14 m左右，上覆土主要為粉質(zhì)黏土，內(nèi)摩擦角φ為17.1°。根據(jù)式2～式4，當(dāng)沉降量為30 mm時，地層損失率為0.471%。Peck沉降曲線與實測曲線對比如圖12所示。

圖12 Peck沉降曲線與實測對比

由圖12可以看出，測點沉降規(guī)律與Peck沉降曲線較吻合，說明Peck法有較好的適用性。R96監(jiān)測斷面最大沉降量為33 mm，超過限值30 mm，可以推算出此測點處的地層損失率為0.518%＞0.471%。經(jīng)過調(diào)整推進參數(shù)，減小了R120和R144監(jiān)測斷面處的地層損失率(分別為0.439%和0.424%)，沉降得到了較好的控制，都在30 mm以內(nèi)?？梢钥闯觯粢獙⒊两悼刂圃?0 mm以內(nèi)，必須保證地層損失率＜0.471%。

5 結(jié)論

1)盾構(gòu)下穿道路段，地表總沉降量基本維持在30 mm以內(nèi)，左線推進造成的地表最大沉降在10 mm以內(nèi)(未考慮右線推進的影響)。盾構(gòu)下穿鐵路股道段，右線推進造成的地表最大沉降在14 mm左右，左線通過后導(dǎo)致的地表最大總沉降達到20 mm。左線造成的沉降量較小主要原因是，周圍土體得到了右線施工時的注漿加固，另外盾構(gòu)推進參數(shù)的調(diào)整對其也有影響。

2)盾構(gòu)穿越鐵路股道段的總沉降小于道路段，與盾構(gòu)施工參數(shù)的調(diào)整有關(guān)(增大了注漿壓力和注漿量)，另外盾構(gòu)埋深的不同也是一個方面的因素(道路段埋深14 m，鐵路段埋深22 m)，埋深越深對地表的影響越小。

3)道路段和鐵路段沉降都是在盾構(gòu)通過約60環(huán)(72 m)后基本完成，盾尾脫出后又發(fā)生的沉降量占到最終沉降量的80%左右。

4)用Peck公式反演了盾構(gòu)過道路段的地層損失率，通過計算得出，要將沉降控制在30 mm以內(nèi)，必須保證地層損失率＜0.471%。

5)盾構(gòu)過道路段的總體沉降可控制在 +10 mm至-30 mm范圍內(nèi)。盾構(gòu)過鐵路段的最大沉降達到了20 mm，超出了規(guī)定的沉降控制范圍，變化區(qū)域很大，相對差異沉降不顯著。由于嚴密監(jiān)測與列車運營配合，對地面軌道進行調(diào)整，施工期間仍然保證了列車的安全運營。但是必須采取一定的補救措施，如后期的地表加固等，以保證列車長期的順利運營。

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