曹勇

（中國鐵建十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)地層沉降遮攔疊交效應(yīng)探析

曹勇

（中國鐵建十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

隨著時代的發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，我國的地鐵數(shù)量越來越多。在地鐵隧道的施工中，非常重要的一種施工方法就是盾構(gòu)法，城市地鐵盾構(gòu)隧道近接施工會引起復(fù)雜的地層效應(yīng)，盾構(gòu)隧道施工時，中間土體的變化規(guī)律是地層效應(yīng)的研究重點(diǎn)，對于地面沉降的控制具有重要意義。本文主要探析地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)地層沉降遮攔疊交效應(yīng)，為合理制定施工場地存在復(fù)雜建（構(gòu)）筑物工況條件的地鐵隧道開挖對周圍環(huán)境保護(hù)措施提供一定的理論依據(jù)。

地鐵；盾構(gòu)掘進(jìn)；地層沉降；遮攔疊交效應(yīng)

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加劇，城市發(fā)展與土地資源短缺之間的矛盾日益突出，城市地下空間資源的開發(fā)和利用成為社會可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一。地鐵隧道施工誘發(fā)的土體沉降以及臨近地下構(gòu)筑物變形是我國城市軌道交通施工安全控制和風(fēng)險評估中較為關(guān)心的一類施工問題，對此國內(nèi)目前尚沒有明確的獨(dú)立學(xué)科歸屬，一般將其歸于地下工程施工力學(xué)的研究范疇，本文采用簡化理論方法、三維有限元數(shù)值模擬方法以及現(xiàn)場監(jiān)測方法。我國在近些年內(nèi)，對此做了深入的研究，但是因?yàn)榈刭|(zhì)條件總是特別的復(fù)雜，并且施工參數(shù)也是不斷的變化，所以在一定程度上制約了研究的成效。加之，目前在多數(shù)城市地鐵隧道施工中，施工場地地下環(huán)境較為復(fù)雜，施工盾構(gòu)往往不可避免地疊交穿越或繞行既有地下構(gòu)筑物。因此，較為準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)雜遮攔疊交效應(yīng)下地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層沉降并制定相應(yīng)的工程保護(hù)措施是當(dāng)前亟待解決的一大問題。目前，針對該領(lǐng)域地層沉降的簡化理論研究還僅僅針對自由位移場，沒有考慮臨近既有構(gòu)筑物的遮攔效應(yīng)影響。

2 工程簡介

廣州地鐵六號線某區(qū)間遂道是雙線隧道，覆土厚度在10～25m之間；地面以下3.0m左右含有地下水，施工采用的盾構(gòu)機(jī)是德國生產(chǎn)的。盾構(gòu)區(qū)間屬珠江三角洲平原，沿線道路交通繁忙，為密集的建筑物、高架橋樁基區(qū)，地下管線密布。為確保工程本身及周邊環(huán)境的安全，設(shè)計采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，利用鋼筋混凝土管片襯砌隧道內(nèi)襯，保證一次成型，按照一定的原則來進(jìn)行管片的拼接，將膨脹膠止水條應(yīng)用到管片接縫。盾構(gòu)隧道區(qū)間起止里程：Y（Z）DK12+811.839～YDK13+792.069（ZDK13+793.027）。右線長度為980.230m，左線長度為981.188m，隧道全長1961.418m。

該設(shè)計區(qū)間合設(shè)一座聯(lián)絡(luò)通道及崩間，區(qū)間隧道配備兩臺國產(chǎn)“863”?6340mm土壓平衡盾構(gòu)（如圖1所示）進(jìn)行同向掘進(jìn)，該盾構(gòu)平衡機(jī)為加泥土壓平衡式，平衡壓力的設(shè)定更加符合實(shí)際工程的情況。盾構(gòu)隧道襯砌外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片寬度1200mm，厚度300mm，每環(huán)6片錯縫拼裝，襯砌環(huán)采用通用環(huán)的組合形式。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越紅層中等風(fēng)化帶和紅層微風(fēng)化帶，計算范圍地層相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1 土壓盾構(gòu)機(jī)平衡圖

表1 九三范圍底層相關(guān)參數(shù)

3 現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果與分析

對于大多集中于施工盾構(gòu)平行或同時下穿臨近隧道的施工工況，主要采用了有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行了計算理論研究，而針對多線盾構(gòu)復(fù)雜疊交穿越運(yùn)營地鐵隧道的變形規(guī)律及其施工對策的研究成果還不多見。在施工過程中，需要將地表測點(diǎn)合理地布設(shè)于左右線隧道上方地表中，一般來說，隨著上線隧道的開挖，巖柱在豎直方向不斷向上移動，同時所取點(diǎn)也沿隧道前進(jìn)方向移動。同時，隨著上線隧道的開挖，該點(diǎn)在水平方向的位移增大（土體向右移動），可以將橫斷面布設(shè)于左右線的地面環(huán)境中，要選擇合適的位置，兩個橫斷面之間的距離一般保持在30m左右，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)所導(dǎo)致的沉降坡度以及其他的影響等進(jìn)行觀測和調(diào)查，在5m范圍內(nèi)變化較快，當(dāng)上線隧道開挖過該點(diǎn)后，位移減小（土體向左移動），最終趨于穩(wěn)定。

4 地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)地層沉降遮攔疊交效應(yīng)探析

4.1 遣攔效應(yīng)下隧道施工引起土體沉降分析

結(jié)合廣州地鐵5號線隧道工程，采用MIDAS（GTS）有限元軟件開展數(shù)值分析，對近接施工的三種形態(tài)，即水平、斜45°平行和重疊進(jìn)行了有限元模擬。在本文研究中，采用隨機(jī)介質(zhì)理論針對遮攔效應(yīng)條件下的隧道施工引起的周圍土體沉降進(jìn)行研究。以廣州地鐵6號線下行線盾構(gòu)施工為例，假定坐標(biāo)原點(diǎn)在地表，盾構(gòu)開挖斷面區(qū)域?yàn)椋淼拦芷囱b完成后，開挖斷面收縮，此時區(qū)域變化為ù。模型邊界條件嚴(yán)格按照隧道力學(xué)分析結(jié)果，其橫向邊界到隧道邊界的距離約3～5倍洞徑，垂直方向上，模型下邊界到隧道底部邊界的距離大于3倍洞徑，向上取至地表。在具體分析時，選定一組初始參數(shù)值，應(yīng)用Powell優(yōu)化方法，迅速自動搜索一組參數(shù)，使得目標(biāo)函數(shù)滿足精度要求。

4.2 地表沉降監(jiān)測

針對本文涉及的軌道交通項(xiàng)目，為進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化反分析，選取廣州地鐵6號線上行線盾構(gòu)正式疊交穿越既有構(gòu)筑物工況之前進(jìn)行地表沉降監(jiān)測。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道上覆地層有著很多的地質(zhì)種類，比如人工填土層、淤泥及淤泥質(zhì)土層、殘積土層以及巖石全風(fēng)化帶等等，通過一段時期的觀測，地表沉降監(jiān)測的結(jié)果主要有以下幾點(diǎn)：①上下重疊段隨著上線隧道的開挖，巖柱在豎直方向不斷向上移動，同時所取點(diǎn)也沿隧道前進(jìn)方向移動。當(dāng)掌子面開挖過該點(diǎn)后，該點(diǎn)向上移動，同時沿隧道前進(jìn)方向反向移動；②地質(zhì)條件會在很大程度上影響到沉降的大小，如果地層相對比較軟弱，并且沒有較好的穩(wěn)定性，那么就會有較大的地表沉降；③由于優(yōu)化算法中選取了現(xiàn)場監(jiān)測值，使得主要影響角參數(shù)a體現(xiàn)了臨近既有構(gòu)筑物對土體位移場的遮攔效應(yīng)影響；④盾構(gòu)施工完成后，地表沉降曲線圖與Peck提出的盾構(gòu)施工引起地面橫向沉降槽公式計算出的結(jié)果基本一致，最大沉降量出現(xiàn)在盾構(gòu)施工隧道的正上方，且隧道完工后地表沉降基本上是兩次盾構(gòu)施工引起的地表沉降之和；⑤隨著隧道結(jié)構(gòu)剛度的增大，遮攔效應(yīng)影響程度隨之增大，而盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層沉降值則顯著減??；⑥對于橫向地表沉降，地層條件對盾構(gòu)掘進(jìn)對地層影響程度起決定性作用，如果地層有著良好的自穩(wěn)性，那么地表就不會受到盾構(gòu)掘進(jìn)十分大的影響。

4.3 地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)地層沉降遮攔疊交效應(yīng)探析總結(jié)

近距離交疊隧道施工會引起變化復(fù)雜的地層效應(yīng)，相互影響顯著。交疊隧道多作為城市軌道交通設(shè)施出現(xiàn)在人口稠密的城市，埋深一般在10～20m，屬淺理隧道，研究的首要問題便是如何正確理解和評估兩隧道的相互作用，同時充分考慮既有構(gòu)筑物帶來的遮攔效應(yīng)。本文通過對地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降的分析，可以得出這些結(jié)論：①通過分析我們可以發(fā)現(xiàn)造成地表沉降的主要因素是初始應(yīng)力狀態(tài)改變造成的土層變形、地層損失等等；②漿液質(zhì)量也是影響地表變形的重要因素之一，為了更好地控制地面沉降以及既有運(yùn)營隧道變形，采用壓注大比重單液漿的同步注漿系統(tǒng)；③采用Powell優(yōu)化方法進(jìn)行施工場地位移反分析來確定隧道開挖變形主要影響角a，可以充分體現(xiàn)臨近既有構(gòu)筑物遮攔效應(yīng)對盾構(gòu)施工的影響。

5 結(jié)語

綜上所述，盾構(gòu)法施工會影響到環(huán)境，并且還會引起地表的沉降，那么就需要加強(qiáng)監(jiān)測，依據(jù)反饋的信息來對施工方案進(jìn)行及時的調(diào)整。本文依托廣州軌道交通6號線北段二期施工工程，提出了復(fù)雜遮攔疊交效應(yīng)下地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層位移以及既有構(gòu)筑物影響的簡化理論分析方法。

[1]張治國.遮攔疊交效應(yīng)下地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層沉降分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013（9）：58～64.

[2]吳張中.地鐵隧道盾構(gòu)施工地表沉降的預(yù)測分析[J].路基工程，2012（4）：23～24.

U455.43

A

1004-7344（2016）03-0125-02

2016-1-11

曹勇（1979-），男，工程師，本科，2002年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，機(jī)械工程及自動化專業(yè)，主要從事地鐵車站及盾構(gòu)隧道施工管理工作。