潘 勇，劉玉勇(.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 70054；.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 673)

砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道施工地表沉降變化規(guī)律及影響因素

潘 勇1，劉玉勇2
(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

文章通過分析成都地鐵3號線、7號線區(qū)間盾構(gòu)隧道的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，研究在砂卵石地層中盾構(gòu)隧道地表沉降值的分布規(guī)律、盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的主要影響范圍及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)總推力、刀盤扭矩、出土量對地表沉降的影響規(guī)律，為盾構(gòu)隧道施工和監(jiān)測提出建議。

砂卵石地層；地鐵；盾構(gòu)隧道；地表沉降；監(jiān)測

成都地鐵區(qū)間隧道以盾構(gòu)法施工為主，而盾構(gòu)施工所引起的地表沉降會破壞隧道周邊基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)以及地下管線和道路，影響公共設(shè)施，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，所以研究盾構(gòu)施工引起的地表沉降變化規(guī)律具有十分重要的意義[1]，而在當(dāng)前很多學(xué)者對地表沉降的規(guī)律也有一定的研究[2-7]。本文主要是分析成都地鐵3號線、7號線的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬來研究在成都砂卵石地層中盾構(gòu)施工在不同的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)條件下地表沉降的變化規(guī)律，以期為成都地鐵盾構(gòu)施工提供參考。

1 工程概況

成都地鐵3號線一期工程土建工程起點為紅牌樓南站，在成都軍區(qū)總醫(yī)院對面設(shè)一期工程終點站，共17站16區(qū)間；成都地鐵7號線是一條環(huán)形線路，換乘站點多，位于成都市二、三環(huán)之間居住用地最密集地帶，串聯(lián)了火車北站、成都東客站(沙河堡)、火車南站三大交通樞紐，并與市區(qū)內(nèi)幾乎所有的軌道交通線有兩次交匯，還將與多條市區(qū)外圍放射狀市域軌道交通線有一次交匯，共25站24區(qū)間，隧道埋深為11～25 m。

盾構(gòu)區(qū)間穿過地層為砂卵石土地層，其特征為灰褐、黃褐等雜色，潮濕～飽和，松散，卵石約占50%～55 %，粒徑約20～200 mm，夾少量圓礫，余為中、細(xì)砂充填。

盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測的地表沉降監(jiān)測測點布設(shè)原則：沿隧道走向每5 m布設(shè)一個測點，每30 m布設(shè)一個橫向監(jiān)測斷面，橫向監(jiān)測斷面內(nèi)從隧道中線向外每3 m布設(shè)一個測點(圖1)。

圖1 地表沉降監(jiān)測點

2 地表沉降累計值的分布規(guī)律

將成都地鐵3號線、7號線的共12 289個測點的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采用兩種方式進(jìn)行統(tǒng)計：第一種按不同沉降值大小的分布區(qū)間進(jìn)行分類統(tǒng)計(表1)；第二種按發(fā)生沉降的監(jiān)測測點到隧道中線的距離進(jìn)行分類統(tǒng)計(表2)。

表1 按地表沉降累計值大小分段統(tǒng)計

表2 按監(jiān)測測點到隧道中線的距離對地表沉降累計值分類統(tǒng)計

備注：距離為12 m、15 m、18 m的測點包括左右線盾構(gòu)掘進(jìn)時，先掘進(jìn)隧道受后掘進(jìn)隧道的影響。

從表1可以看出，96.5 %的測點地表沉降累計值小于18 mm，在地質(zhì)情況較差、特殊地段、盾構(gòu)出渣量超方較大時，地表的沉降將會高于18 mm，此時對周邊環(huán)境會產(chǎn)生一定影響，通過及時預(yù)警提醒，施工單位及時加固處理，消除安全隱患，確保周邊環(huán)境安全。

從表2可以看出，扣除左右線隧道距離較近先掘進(jìn)隧道受后掘進(jìn)隧道影響的測點，在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，地表產(chǎn)生沉降的測點主要分布在距離隧道中線9 m的范圍內(nèi)，即在砂卵石地層中盾構(gòu)隧道施工的主要影響區(qū)分布在隧道中線兩側(cè)9 m寬的范圍。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對地表沉降的影響

3.1 總推力和地表沉降的關(guān)系

從圖2可知盾構(gòu)機(jī)總推力增大，地表沉降減小，但總推力也不能太大，否則土體在盾構(gòu)機(jī)擠壓下導(dǎo)致地面隆起產(chǎn)生安全問題。

圖2 總推力與地表沉降的關(guān)系曲線

3.2 刀盤扭矩和地表沉降的關(guān)系

由圖3可知，刀盤扭矩對于地表沉降有很明顯的影響，刀盤扭矩增大時，地表沉降增大。

圖3 刀盤扭矩與地表沉降的關(guān)系曲線

3.3 出土量與隧道中線地表沉降的關(guān)系

由圖4可知，盾構(gòu)機(jī)直徑為6 m，不計算松方系數(shù)時每環(huán)進(jìn)尺1.5 m，體積為42.4 m3，出土量越大超方越多，地層損失也就越大，地表沉降值也越大，嚴(yán)重時將出現(xiàn)地表塌陷的險情。

圖4 出土量與隧道中線地表沉降的關(guān)系曲線

綜上所述，盾構(gòu)施工地表沉降的大小取決于隧道的工程地質(zhì)條件和盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，其中盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)包括刀盤扭矩、總推力、出渣量等，在施工過程中，可以通過調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)來控制地表沉降。

4 數(shù)值模擬

模型尺寸及邊界條件：模型寬度x軸方向取10D，掘進(jìn)方向y軸方向取5D，隧道埋深z軸方向取6D，D為盾構(gòu)直徑；模型的邊界條件為在x軸上，對模型的右邊界和左邊界施加水平方向的約束；在y軸上，對模型的前邊界和后邊界施加掘進(jìn)方向的約束；在z軸上，模型頂端為地面，不施加約束，模型底端施加約束[8-11]。采用shell襯砌單元，來模擬管片，并考慮同步注漿的效果，同時在第二步之后考慮漿液硬化的效果，每一步計算收斂后再進(jìn)行下一步，直到將模型隧道貫通。

材料參數(shù)：盾構(gòu)區(qū)間支護(hù)管片的混凝土等級為C50，厚度30 cm，寬度1.5 m(表3)。

表3 材料參數(shù)

建立模型如圖5所示。

圖5 計算模型

由圖6可知，比較數(shù)值分析的結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，地表沉降值大小和變化規(guī)律以及盾構(gòu)隧道施工引起的沉降槽的范圍基本一致。

圖6 模擬計算與現(xiàn)場實測的地表沉降值對比

5 結(jié)論及建議

(1)砂卵石地層盾構(gòu)隧道96.5 %的測點其地表沉降值小于18 mm，施工監(jiān)測預(yù)警控制值可設(shè)為18 mm。

(2)在成都地鐵3號線、7號線隧道埋深為11～25 m的條件下，砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工的主要影響區(qū)為隧道中線兩側(cè)9 m寬的范圍。

(3)盾構(gòu)總推力增大，地表沉降值會減小，有利于控制地面沉降。

(4)盾構(gòu)出土量超方越大，地表沉降值越大，嚴(yán)重時會出現(xiàn)塌方。

(5)應(yīng)根據(jù)施工監(jiān)測提供的數(shù)據(jù)及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，控制盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的地表沉降，做到信息化施工，防止地面塌陷等險情發(fā)生。

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潘勇(1980～)，男，本科，工程師，從事長大線路工程測量與控制、研究等方面的工作；劉玉勇(1980～)，男，碩士研究生，高級工程師，從事隧道及地下工程科研、咨詢及監(jiān)測等方面的工作。

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[定稿日期]2016-11-22