韓 煊， 王 法， 雷崇紅， 尹宏磊

(1. 北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100038； 2. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100068)

?

盾構(gòu)隧道施工引起的土層分層沉降規(guī)律實(shí)測(cè)研究

韓 煊1， 王 法1， 雷崇紅2， 尹宏磊1

(1. 北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100038； 2. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100068)

為了獲得北京地區(qū)盾構(gòu)隧道施工引起地層位移的實(shí)測(cè)資料，并分析不同布置下雙線盾構(gòu)隧道引起的沉降特征，以北京地鐵8號(hào)線二期工程為依托，分別在雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道的平行段和交疊段設(shè)置分層沉降監(jiān)測(cè)斷面，研究盾構(gòu)施工引起的不同深度處地層沉降規(guī)律。分析表明： 北京典型地層不同深度的沉降槽曲線可用高斯分布來描述，沉降槽寬度隨深度的增加不斷減??； 不同深度處，盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前、超過監(jiān)測(cè)斷面1倍埋深距離、后期沉降這3部分大致各占總沉降的1/3； 對(duì)于雙線交疊盾構(gòu)隧道，當(dāng)先開挖下面的隧道再掘進(jìn)上面的隧道時(shí)，沉降槽整體變深； 北京典型地層條件下(地下水位以上)，不同深度處沉降槽對(duì)應(yīng)的地層損失率基本不變； 施工中，盾構(gòu)停機(jī)會(huì)使地層損失率和沉降量明顯增大。

地鐵； 盾構(gòu)； 交疊隧道； 沉降槽； 分層沉降； 沉降預(yù)測(cè)

0 引言

盾構(gòu)隧道施工引起的地層位移不僅影響著道路和地表建筑物，還會(huì)影響甚至損壞地面以下的各種結(jié)構(gòu)[1-3]，因此，對(duì)地層位移的研究具有非常重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。國內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)隧道施工引起地表位移的研究成果有很多[1-5]，但對(duì)地表以下地層的位移規(guī)律研究較少，特別是實(shí)測(cè)資料很少見，其主要原因是實(shí)測(cè)工作難度大且需要較高的資金投入，而目前的成果以理論推導(dǎo)為主[6-8]。

英國學(xué)者R. J. Mair等[5]根據(jù)在黏土中的一些實(shí)測(cè)資料(包括部分采用軟黏土進(jìn)行的離心機(jī)試驗(yàn)成果)，在地表位移預(yù)測(cè)的Peck公式基礎(chǔ)上考慮了沉降槽寬度隨深度的變化，由此得出預(yù)估地表以下地層豎向位移的方法；韓煊等[9]在Mair公式的基礎(chǔ)上提出了修正計(jì)算公式，不僅可以考慮地表沉降槽寬度參數(shù)變化范圍較大的情況，還適用于砂類土地層。但是，當(dāng)時(shí)的研究工作主要基于國外的數(shù)據(jù)，缺乏國內(nèi)第一手實(shí)測(cè)資料，成果在國內(nèi)的適用性未得到驗(yàn)證；研究主要基于單線隧道或平行隧道的成果，沒有考慮隧道不同布置形式對(duì)地層深層沉降規(guī)律的影響等。

本文以北京地鐵8號(hào)線二期南段工程為依托，分別在雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道的平行段和交疊段設(shè)置分層沉降監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)盾構(gòu)推進(jìn)過程中不同深度處的土體沉降情況，以獲得系統(tǒng)完整的監(jiān)測(cè)資料。通過對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，研究了雙線盾構(gòu)隧道布置形式(平行或交疊)對(duì)地層分層位移規(guī)律的影響，得到盾構(gòu)推進(jìn)不同階段引起的沉降量，從而形成了對(duì)盾構(gòu)施工引起的不同深度處地層沉降規(guī)律的較為完整的認(rèn)識(shí)。這些成果對(duì)城市地鐵施工中地下管線、地下既有建筑、既有地鐵影響的風(fēng)險(xiǎn)分析和控制具有重要的意義。

1 盾構(gòu)施工引起的分層沉降理論

R. J. Mair等[5]認(rèn)為，地表下不同深度沉降槽曲線能夠用高斯分布(即Peck公式)來描述，如圖1所示，即：

(1)

式中:S為地層中某一深度處任一點(diǎn)的沉降值；Smax為該深度處沉降槽的最大值，位于沉降曲線的對(duì)稱中心上(對(duì)應(yīng)于隧道軸線位置)；x為從沉降曲線中心到所計(jì)算點(diǎn)的距離；i為從沉降曲線對(duì)稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離，一般稱為沉降槽寬度。

圖1 地表和地表以下沉降槽的形態(tài)[5]

定義地層損失率(volume loss)Vl為單位長度的地表沉降槽的體積占隧道開挖的名義面積的百分比。對(duì)于不排水條件，地層損失率Vl與最大位移之間的關(guān)系可以通過對(duì)式(1)進(jìn)行積分得到，即：

(2)

式中D為隧道直徑。

地層損失率Vl主要與工程地質(zhì)情況、水文地質(zhì)情況、隧道施工方法、施工技術(shù)水平以及工程管理經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)[1]，因此,這個(gè)參數(shù)的取值依賴于地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

韓煊等[10]基于部分國內(nèi)外實(shí)測(cè)資料[11-12]所反映的規(guī)律，提出不論是砂類土還是黏性土，沉降槽寬度i和相對(duì)埋深(z/z0)的關(guān)系基本符合以下規(guī)律：

i=K(z)·(z0-az);

(3)

K(z)=ηdK;

(4)

(5)

式(3)—(5)中：K為沉降槽寬度參數(shù)(trough width parameter)，主要取決于土性；ηd為歸一化的沉降槽寬度修正系數(shù)；a為考慮地層土質(zhì)情況的參數(shù)，取0～1,對(duì)于黏性土，當(dāng)沒有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.65，對(duì)砂類土可取0.50。

2 分層沉降監(jiān)測(cè)方案

北京城區(qū)為典型的沖洪積扇平原。其中各大河流沖洪積扇頂部及上部以厚層砂土和卵、礫石地層為主；沖洪積扇中部的地層過渡為黏性土、粉土與砂土、卵礫石土互層；沖洪積扇中下部以及沖積平原區(qū)以厚層黏性土、粉土為主，層中分布有砂土層。

北京地鐵8號(hào)線二期南段工程是一條基本沿北京舊城南北向中軸線布置的一條穿越北京老舊核心城區(qū)的地鐵工程，沿線為典型的沖洪積扇中部粗、細(xì)顆粒土互層的地層，同時(shí)周圍環(huán)境非常復(fù)雜。其中，土的分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于鼓樓—什剎海區(qū)間(以下簡稱鼓什區(qū)間)、什剎?！翔尮南飬^(qū)間(以下簡稱什南區(qū)間)。為保證監(jiān)測(cè)精度，采用分層沉降標(biāo)進(jìn)行分層沉降監(jiān)測(cè)工作。兩區(qū)間隧道直徑6.30 m，均采用日本小松公司生產(chǎn)的面板式盾構(gòu)施工，刀盤直徑6.27 m，盾尾直徑6.24 m，主機(jī)長9.05 m。

2.1 分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)

鼓什區(qū)間雙線隧道為平行布置，左線隧道先行施工，拱頂埋深約15.7 m；右線隧道后施工，拱頂埋深約16.7 m。掌子面地層情況為⑤8卵石層、⑥粉質(zhì)黏土層和⑧4細(xì)砂層。鼓什區(qū)間分層沉降標(biāo)設(shè)3組，分別布置于右線隧道中心線正上方及距右線隧道外輪廓西側(cè)1 m和5 m的位置，見圖2。每組分層沉降標(biāo)監(jiān)測(cè)3個(gè)不同深度處的土層沉降，對(duì)應(yīng)埋深約為6、10、13 m，見圖3。

什南區(qū)間監(jiān)測(cè)斷面處隧道為雙線隧道豎向交疊布置。隧道開挖方向均為自西向東開挖，開挖順序?yàn)橄仁┕ぽ^深的右線隧道，后施工較淺的左線隧道。交疊段范圍內(nèi)，區(qū)間左線隧道拱頂埋深11.6～14.8 m，右線隧道拱頂埋深20.0～22.8 m，雙線隧道豎向凈距2.0～2.7 m。

圖2 鼓什區(qū)間分層沉降標(biāo)平面布置方案

Fig. 2 Plan of layout of layered monitoring of ground settlement of Gulou-Shichahai Section

圖3 鼓什區(qū)間分層沉降標(biāo)與隧道相對(duì)位置關(guān)系

Fig. 3 Relationships between layered monitoring of ground settlement and shield tunnel on Gulou-Shichahai Section

什南區(qū)間分層沉降標(biāo)設(shè)3組，分別布置于交疊隧道中心線正上方及隧道外輪廓南側(cè)1 m和5 m的位置，見圖4和圖5。監(jiān)測(cè)斷面處右線隧道(即埋深較深的隧道)拱頂埋深約22.8 m，左線隧道拱頂埋深約14.6 m。每組分層沉降標(biāo)監(jiān)測(cè)3個(gè)不同深度處的土層沉降，對(duì)應(yīng)埋深約為4、8、12 m。

圖4 什南區(qū)間分層沉降標(biāo)平面布置方案

Fig. 4 Plan of layout of layered monitoring of ground settlement of Shichahai-Nanluoguxiang Section

圖5 什南區(qū)間分層沉降標(biāo)與隧道相對(duì)位置關(guān)系

Fig. 5 Relationships between layered monitoring of ground settlement and shield tunnel on Shichahai-Nanluoguxiang Section

2.2 分層沉降監(jiān)測(cè)頻率及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工況

鼓什區(qū)間分層監(jiān)測(cè)從2012年7月3日11：00開始進(jìn)行首次監(jiān)測(cè)，此時(shí)盾構(gòu)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面15.6 m，由于施工速度很快，當(dāng)天22：00即距離監(jiān)測(cè)斷面僅1.2 m；從7月4日開始，盾構(gòu)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面僅2～3環(huán)位置，即因故停機(jī)，直至7月6日恢復(fù)，隨后又以較快的速度掘進(jìn)，直至貫通。鼓什區(qū)間分層沉降監(jiān)測(cè)工況見表1。

表1 分層沉降監(jiān)測(cè)工況(鼓什區(qū)間)(2012年)

Table 1 Ground settlement layered monitoring of Gulou-Shichahai Section (in 2012)

監(jiān)測(cè)日期監(jiān)測(cè)時(shí)間掌子面距監(jiān)測(cè)斷面距離/m7月3日11:00—12:00-15.67月3日22:00—23:00-1.27月4日02:00—03:00 1.27月4日12:00—13:00 2.47月4日14:00—15:00 3.6(停機(jī))7月5日02:00—03:00 3.6(停機(jī))7月5日09:00—10:00 3.6(停機(jī))7月6日11:00—12:00 4.8(恢復(fù))7月7日 —39.67月9日11:00—12:0082.8

什南區(qū)間右線隧道于2012年7月2日實(shí)現(xiàn)洞通；左線隧道于2012年8月13日開始掘進(jìn)，于11月8日開始監(jiān)測(cè)，此時(shí)距離監(jiān)測(cè)斷面有近300 m，然后以每天10 m以上的速度掘進(jìn)，12月12日到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面，12月13日通過斷面3.6 m，但于12月14日開始停機(jī)，此時(shí)通過監(jiān)測(cè)斷面6 m，直至12月22日才恢復(fù)掘進(jìn)，24日實(shí)現(xiàn)洞通。什南區(qū)間左線分層沉降監(jiān)測(cè)工況見表2。

表2 分層沉降監(jiān)測(cè)工況(什南區(qū)間左線)(2012年)

Table 2 Ground settlement layered monitoring of Shichahai-Nanluoguxiang Section (in 2012)

監(jiān)測(cè)日期掌子面距監(jiān)測(cè)斷面距離/m12月9日-19.212月10日-18.012月11日-4.812月12日(第1次)012月12日(第2次)3.612月13日3.612月14—22日6.0(停機(jī))12月24日 隧道貫通

3 平行布置雙線盾構(gòu)施工引起的分層沉降規(guī)律

3.1 盾構(gòu)施工引起不同深度地層沉降

依據(jù)8號(hào)線二期南段工程施工進(jìn)度，分別對(duì)鼓什區(qū)間各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)的分層沉降規(guī)律進(jìn)行分析。圖6為其中2012年7月6日測(cè)得的盾構(gòu)施工引起鼓什區(qū)間監(jiān)測(cè)斷面的分層沉降情況。為了研究其內(nèi)在規(guī)律，圖6中同時(shí)給出了采用式(1)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合曲線。從圖6可以看到： 總體上各個(gè)深度地層位移均能夠與Peck公式很好地?cái)M合，即表明不同深度的地層沉降均滿足正態(tài)分布曲線的基本規(guī)律；隨著深度的增加，沉降槽逐步加深(最大沉降加大)、變窄(影響范圍變小)；其他各個(gè)時(shí)間(施工進(jìn)度)段的數(shù)據(jù)具有同樣的規(guī)律。

圖6 盾構(gòu)施工引起不同深度地層沉降(鼓什區(qū)間)(2012年)

Fig. 6 Ground settlement in different depths induced by shield tunneling in Gulou-Shichahai Section (in 2012)

分析認(rèn)為： 由于盾構(gòu)掘進(jìn)的影響形成了地層損失，拱頂上方土層向下位移，這種位移逐步向上傳遞，最終到達(dá)地面；由于土的剪切剛度的作用，在向上傳遞的過程中變形影響范圍不斷向兩側(cè)擴(kuò)展，在地層損失率基本不變的情況下，中心點(diǎn)的最大沉降隨深度的減小而逐漸減小。

3.2 不同深度地層沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)的演變規(guī)律

圖7—10為某一深度隨開挖(時(shí)間)過程的實(shí)測(cè)沉降和采用式(1)擬合的結(jié)果，可以看到某一深度地層沉降隨著盾構(gòu)施工掘進(jìn)的演變過程。從2012年7月3日開始監(jiān)測(cè)，直至盾構(gòu)洞通，各個(gè)深度地層位移基本都處于不斷增大的狀態(tài)，但在盾構(gòu)停機(jī)時(shí)，由于盾構(gòu)土壓力的維持和調(diào)整以及背后注漿的影響，靠近隧道拱頂?shù)妮^深層(埋深10 m和13 m處)的沉降會(huì)出現(xiàn)“先減小、再增大”的微小變化過程。

圖7 地層沉降隨開挖施工的變化(鼓什區(qū)間，地表)(2012年)

Fig. 7 Relationships between vertical ground surface settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section and in 2012)

圖8 地層沉降隨開挖施工的變化(鼓什區(qū)間，6 m深處)(2012年)

Fig. 8 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section, buried depth of 6 m and in 2012)

圖9 地層沉降隨開挖施工的變化(鼓什區(qū)間，10 m深處)(2012年)

Fig. 9 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section, buried depth of 10 m and in 2012)

圖10 地層沉降隨開挖施工的變化(鼓什區(qū)間，13 m深處)(2012年)

Fig. 10 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section, buried depth of 13 m and in 2012)

圖11是隧道中心線正上方不同深度沉降(即沉降曲線中心點(diǎn)最大值)隨盾構(gòu)掌子面推進(jìn)的變化過程。可見： 隨著盾構(gòu)靠近監(jiān)測(cè)斷面，各測(cè)點(diǎn)的沉降均迅速增大，特別是在通過掌子面前后5～10 m，沉降增加較快，隨后沉降速度放緩；后期進(jìn)一步產(chǎn)生的沉降是不容忽視的。

圖11 各測(cè)點(diǎn)沉降隨盾構(gòu)施工進(jìn)度的變化過程(鼓什區(qū)間)

Fig. 11 Relationships between ground settlements with different depths and distances between working face and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section)

結(jié)合具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于北京地區(qū)上述典型地層條件，盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面、超過監(jiān)測(cè)斷面1倍埋深距離、后期沉降這3部分沉降大致各占總沉降的1/3。

3.3 盾構(gòu)施工引起不同深度地層沉降槽擬合規(guī)律

如前所述，各個(gè)深度地層沉降符合式(1)所描述的分布規(guī)律(正態(tài)分布規(guī)律)，表3為數(shù)據(jù)擬合得到的參數(shù)(參見式(1)—(5))，可以進(jìn)一步分析不同深度沉降槽寬度和地層損失率的變化規(guī)律(為節(jié)省篇幅，僅給出一部分?jǐn)?shù)據(jù))。

圖12為沉降槽寬度參數(shù)ηd隨深度的變化規(guī)律，可見各種工況下，ηd都隨深度的增加而增大，且基本符合式(5)，其中參數(shù)a=0.5。

關(guān)于不同深度地層沉降槽的地層損失率，有學(xué)者曾經(jīng)分析過各種可能的變化，即隨深度地層損失可能增加、減小或不變，這主要和地層的土性(黏性土或無黏性土)、密實(shí)程度(密實(shí)或松散)、地下水條件(是否存在固結(jié))等有關(guān)。由表1可知，對(duì)于本工程的地層條件，在各個(gè)工況下，不同深度沉降槽地層損失率基本相同，可認(rèn)為是常數(shù)。

表3 分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果(鼓什區(qū)間)(2012年)

圖12 沉降槽寬度參數(shù)ηd隨深度的變化規(guī)律(鼓什區(qū)間)(2012年)

Fig. 12 Relationships between width of settlement grooveηdand ground depths (Gulou-Shichahai Section and in 2012)

圖13為沉降槽地層損失率(取各個(gè)深度的平均值)隨盾構(gòu)施工掘進(jìn)的變化規(guī)律。可以看出，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，地層損失率不斷增大。特別需要注意的是，在盾構(gòu)停機(jī)期間，地層損失率在不斷增大，由停機(jī)前的0.24%增大至0.30%左右，增加了約25%。由此可見，盾構(gòu)停機(jī)對(duì)地層沉降的控制是很不利的。

4 交疊盾構(gòu)施工引起的分層沉降規(guī)律

什南區(qū)間盾構(gòu)為交疊布置，這里主要分析右線洞通后，左線施工期間監(jiān)測(cè)到的分層沉降規(guī)律。其中深度為8 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅取到1個(gè)測(cè)點(diǎn)值，難以分析沉降槽規(guī)律，因此主要分析深度為4 m和12 m時(shí)的沉降規(guī)律。由于交疊隧道的影響，什南區(qū)間的分層沉降規(guī)律呈現(xiàn)出與前文中平行布置的隧道既類似又有不同的特征。

圖13 地層損失率隨盾構(gòu)施工掘進(jìn)的變化規(guī)律(鼓什區(qū)間)

Fig. 13 Relationships between ground losses and distances between working face and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section)

4.1 盾構(gòu)施工引起不同深度地層沉降

圖14為2012年12月25日測(cè)得的分層沉降情況(為節(jié)省篇幅，僅給出了其中部分?jǐn)?shù)據(jù))，同樣采用Peck公式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合?？傮w來看，各個(gè)深度地層位移均與Peck公式能夠很好地?cái)M合，即表明不同深度的地層沉降均滿足正態(tài)分布曲線的基本規(guī)律；同時(shí)，隨著深度的增加，沉降槽逐步加深(最大沉降加大)、變窄(影響范圍變小)。上述規(guī)律與鼓什區(qū)間監(jiān)測(cè)斷面反映的沉降特征基本相同，但是本監(jiān)測(cè)斷面較深層的監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成的沉降槽明顯要窄而深得多(可以與鼓什區(qū)間進(jìn)行對(duì)比)，這主要和左線隧道下已施工完畢的右線隧道產(chǎn)生的后期沉降疊加有直接關(guān)系。

圖14 盾構(gòu)施工引起不同深度地層沉降(什南區(qū)間)(2012年)

Fig. 14 Ground settlement in different depths induced by shield tunneling in Shichahai-Nantongluoxiang Section (in 2012)

4.2 不同深度地層沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)的演變規(guī)律

圖15和圖16分別是深度為4 m和12 m處的沉降槽隨開挖(時(shí)間)過程的實(shí)測(cè)沉降和Peck公式模擬結(jié)果。同樣，從2012年12月12日開始，直至盾構(gòu)出井，各個(gè)深度地層位移基本都處于不斷增大的狀態(tài)。

圖15 地層沉降隨開挖施工的變化(什南區(qū)間，4 m深處)(2012年)

Fig. 15 Relationships between vertical ground surface settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section and in 2012)

圖16 地層沉降隨開挖施工的變化(什南區(qū)間，12 m深處)(2012年)

Fig. 16 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section, buried depth of 12 m and in 2012)

對(duì)比圖15和圖16可以看出，深度4 m處和12 m處的沉降槽有較大的不同，即4 m處沉降槽基本上是緩慢的發(fā)展演化過程(2012年12月12日最大沉降為13.50 mm，12月13日為14.28 mm)，而對(duì)于12 m處沉降槽，12月12日監(jiān)測(cè)到的最大沉降為16.75 mm，12月13日則驟然增加到40.92 mm，這是十分反常的。根據(jù)施工記錄可知，12月12—13日盾構(gòu)處于停機(jī)狀態(tài)。很有可能由于交疊雙線隧道凈距較小，且后建左線隧道處于卵石、圓礫土層中，土質(zhì)松散，穩(wěn)定性較差，在隧道拱頂產(chǎn)生砂土或卵石局部陷落，造成其上部土體沉降的驟然增大。

由圖16可知，12 m深度處2012年12月13日最大沉降為40.92 mm，隨后幾天內(nèi)由于注漿的作用，沉降不斷回落減小，12月17日控制到28.26 mm，然后逐漸趨于穩(wěn)定(見圖17)。

圖17 不同深度最大沉降隨盾構(gòu)施工進(jìn)度的變化過程(什南區(qū)間)

Fig. 17 Relationships between maximum ground settlements with different depths and distances between working face and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section)

4.3 盾構(gòu)施工引起不同深度地層沉降槽擬合參數(shù)規(guī)律

對(duì)于交疊盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)斷面，各個(gè)深度地層沉降與Peck公式反映的沉降分布規(guī)律(正態(tài)分布規(guī)律)吻合(見圖14)。表4為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的修正Miar公式的參數(shù)(見式(1)—(5))。

表4 分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果(什南區(qū)間)(2012年)

Table 4 Analytical results of monitoring data measured at Shichahai-Nantongluoxiang Section in 2012

日期工況深度z/mz/z0Smax/mmKηdVl/%12月12日000.00(0.38)1.0040.2313.960.491.290.73120.6816.010.721.890.5612月15日600.00(0.38)1.00—40.2315.830.411.080.79120.6832.680.571.500.9312月21日600.00(0.38)1.00—40.2316.50.431.130.86120.6830.240.591.550.8912月25日貫通00.00(0.38)1.00—40.2317.940.461.210.98120.6829.360.641.680.93

注： 括號(hào)中數(shù)值為經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值。

圖18為沉降槽寬度參數(shù)ηd隨深度的變化規(guī)律，其中同時(shí)給出了式(5)所定義的曲線，其中參數(shù)a=0.5。由圖18可知，本監(jiān)測(cè)斷面沉降槽寬度參數(shù)ηd雖然符合隨深度增大而增大的基本規(guī)律，但類似于線性增大，與式(5)的結(jié)果差別較大。這主要是由于在左線隧道施工前，其正下方的右線隧道已經(jīng)施工完畢，并在左線隧道施工期間產(chǎn)生一定的后期沉降(根據(jù)前面對(duì)鼓什區(qū)間的研究，后期沉降占相當(dāng)?shù)谋壤?；因此，左線施工引起的沉降與右線后期沉降疊加，使沉降槽整體變深，且深度越大，沉降槽受此因素影響越大，使ηd隨深度的變化與式(5)反映的規(guī)律有所偏離。

圖18 沉降槽寬度參數(shù)ηd隨深度的變化規(guī)律(什南區(qū)間)(2012年)

Fig. 18 Relationships between width of settlement grooveηdand ground depths (Shichahai-Nantongluoxiang Section and in 2012)

圖19進(jìn)一步分析了深度為4 m和12 m的沉降槽地層損失率的變化規(guī)律?？梢钥闯?，由于交疊盾構(gòu)的影響，同時(shí)由于監(jiān)測(cè)斷面距離盾構(gòu)接收井很近，盾構(gòu)即將出洞；因此，監(jiān)測(cè)斷面附近的盾構(gòu)施工引起了較大的地層損失率(沉降)，最大接近1.2%，而鼓什區(qū)間最大僅0.4%左右，說明盾構(gòu)出洞會(huì)造成較大的沉降。

圖19 地層損失率隨時(shí)間的變化規(guī)律(什南區(qū)間)(2012年)

Fig. 19 Relationships between ground losses and distances between working face and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section and in 2012)

同時(shí)，本監(jiān)測(cè)斷面不同深度地層損失率有較大的不同，特別是2012年12月12—17日盾構(gòu)通過監(jiān)測(cè)斷面前后差異較大，這與鼓什區(qū)間的情況也存在不同。如前所述，12月13日12 m深度處沉降突然增大，隨后逐漸回落減小。

5 結(jié)論與討論

針對(duì)北京地鐵盾構(gòu)區(qū)間工程，開展了2個(gè)斷面的分層沉降監(jiān)測(cè)工作，分析了隧道平行布置、交疊布置2種情況下地層的分層沉降規(guī)律，可得到如下結(jié)論。

1)北京典型地層不同深度的沉降槽曲線可用高斯分布來描述，沉降槽寬度隨深度的增加不斷減小，沉降槽寬度參數(shù)隨深度的增加不斷增大。

2)對(duì)于北京地區(qū)上述典型地層條件，不同深度處，盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面、超過監(jiān)測(cè)斷面1倍埋深距離、后期沉降這3部分沉降大致各占總沉降的1/3。

3)單洞隧道或平行布置的隧道，沉降槽寬度修正系數(shù)符合韓煊等[10]提出的公式規(guī)律，但對(duì)于雙線交疊盾構(gòu)隧道，先開挖下面的隧道，再掘進(jìn)上面的隧道時(shí)，沉降槽整體變深，且監(jiān)測(cè)越靠近拱頂，沉降槽受此影響越大。

4)北京典型地層條件下(地下水位以上)，不同深度處沉降槽對(duì)應(yīng)的地層損失率基本不變。盾構(gòu)停機(jī)會(huì)引起地層損失率和沉降量的明顯增大。

目前關(guān)于地表沉降規(guī)律的研究已相對(duì)成熟，但對(duì)于分層沉降規(guī)律還需要進(jìn)一步開展深入的研究，特別是基于實(shí)測(cè)工作的沉降數(shù)據(jù)需要不斷積累，才能在此基礎(chǔ)上對(duì)隧道施工引起的周邊建(構(gòu))筑物的影響進(jìn)行合理的分析和評(píng)價(jià)。

[1] Peck R B. Deep excavations and tunnelling in soft ground[C]//Proceedings of 7th International Conference of SMFE. Mexico City: State of the Art Volume, 1969: 225-290.

[2] Attewell P B, Yeates J, Selby A R. Soil movements induced by tunnelling and their effects on pipelines and structures[M]. Glasgow: Blackie, 1986: 10-50.

[3]Rankin W J. Ground movement resulting from urban tunnelling: predictions and effects[C]//Bell. Engineering Geology of Underground Movements. Nottingham: The University of Nottingham, 1988: 79-92.

[4] O’Reilly M P, New B M. Settlements above tunnels in the United Kingdom:their magnitude and prediction[C]//Proceedings of Tunnelling 82. London: Institution of Mining and Metallurgy, 1982: 173-181.

[5] Mair R J, Taylor R N, Bracegirdle A. Subsurface settlement profiles above tunnels in clays[J]. Geotechnique， 1993, 43(2): 315-320.

[6] 曾彬，黃達(dá)，顧東明.盾構(gòu)法隧道施工引起土體變形的三維彈性計(jì)算[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015(6): 63-69,84. ZENG Bin, HUANG Da, GU Dongming. 3D analysis of the elasticity calculation of ground deformation induced by shield tunnel construction[J].Modern Tunnelling Technology, 2015(6): 63-69,84.

[7] 趙智濤，劉軍，王霆，等.地鐵暗挖施工引起的管線與地層沉降關(guān)系研究[J]. 巖土力學(xué)，2015, 36(4): 33-37. ZHAO Zhitao，LIU Jun，WANG Ting，et al.Relationship between the surface subsidence and the pipeline displacement induced by Metro tunnel construction[J].Rock and Soil Mechanics， 2015, 36(4): 33-37.

[8] 王劍晨，張頂立，張成平，等.淺埋暗挖隧道近距施工引起的上覆地鐵結(jié)構(gòu)變形分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014, 33(1): 90-97. WANG Jianchen， ZHANG Dingli， ZHANG Chengping， et al. Analysis of structural deformation of overlying subway station induced by approaching tunnel excavation in shallow depth[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014, 33(1): 90-97.

[9] 韓煊, 李寧, Jamie R Standing. 地鐵隧道施工引起地層位移規(guī)律的探討[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(3): 609-613. HAN Xuan, LI Ning, Jamie R Standing. Study of subsurface ground movement caused by urban tunneling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(3): 609-613.

[10] 韓煊, 羅文林, 李寧. 地鐵隧道施工引起沉降槽寬度的影響因素 [J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2009, 5(6): 1188-1193, 1219. HAN Xuan, LUO Wenlin, LI Ning. The width of settlement trough influenced by tunneling in soft ground[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(6): 1188-1193, 1219.

[11] Moh Z C, Ju D H, Hwang R N. Ground movements around tunnels in soft ground[C]// R J Mair, R N Taylor. Proceedings of International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. London: Balkema, 1996: 725-730

[12]Dyer M R, Hutchinson M T, Evans N. Sudden Valley sewer: A case history[C]//R J Mair, R N Taylor. Proceedings of International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. London: Balkema, 1996: 671-676.

Study of Rules of Ground Layered Settlement Induced by Shield Tunneling

HAN Xuan1, WANG Fa1, LEI Chonghong2, YIN Honglei1
(1.BGIEngineeringConsultantsLtd.,Beijing100038,China; 2.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100068,China)

It is very important to learn the rules of ground settlement induced by shield tunneling in Beijing area. Ground settlement monitoring cross-sections are set on parallel section and overlapped section of double-line shield tunnel respectively, so as to study the rules of ground settlement induced by shield tunneling. The analytical results show that: 1) The curves of settlement groove in different depths of ground in Beijing area can be described by Gaussian distribution; the width of settlement groove decreases with the depth of ground increase. 2) The ground settlement before shield reaches monitoring cross-section,after shield reaches the point away from monitoring cross-section equals to tunnel buried depth and later ground settlement takes 1/3 of total settlement respectively. 3) For overlapped tunnel, the lower tunnel should be constructed firstly. 4) The relevant ground losses of settlement groove with different depths are almost the same. 5) Larger ground settlement would be induced by shield stop.

Metro; shield; overlapped tunnel; settlement groove; ground layered settlement; settlement prediction

2016-07-26;

2016-09-26

韓煊(1972—)，男，陜西西安人，1998年畢業(yè)于西安理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程與地下工程的設(shè)計(jì)咨詢與應(yīng)用研究工作。E-mail： xuanhan2002@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.003

U 455.43

A

1672-741X(2017)04-0401-08