摘要：為研究地鐵盾構(gòu)下穿城市地表的變形情況，通過研究盾構(gòu)法施工引起地表沉降的變形機理，并結(jié)合長沙市軌道交通4號線的地鐵盾構(gòu)施工的實例，對地表進行安全監(jiān)測，在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，分析盾構(gòu)施工對城市地表沉降影響的變形規(guī)律。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法；安全監(jiān)測；數(shù)據(jù)分析

隨著城市建設(shè)的的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，人口密度不斷增長，使得城市用地越來越緊張，要解決城市建設(shè)與地表空間緊張的矛盾，促進城市的可持續(xù)發(fā)展，合理開發(fā)利用地下空間已成為一條擴大城市容量和功能的有效途徑。地下鐵道具有運輸能力大、速度快等特點，尤其在人口密集的大城市，其對于緩解地面交通壓力有著不可替代的作用，已逐漸成為各大城市的交通骨干[1]。

修建地鐵有明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法等，而盾構(gòu)法卻以其諸多優(yōu)勢使其得到了廣泛的應(yīng)用。工程實踐表明，盡管盾構(gòu)法施工隧道技術(shù)已發(fā)展得很成熟，但不可避免地產(chǎn)生對土體的擾動，引發(fā)不同程度的地層位移和變形，通常表現(xiàn)為地表沉降。當(dāng)?shù)貙游灰坪妥冃纬^一定的限度時，就會危及周圍鄰近建筑物及其基礎(chǔ)和地下管線的安全，引起一系列的工程安全問題[2]。本文主要針對地鐵盾構(gòu)法施工引起的地表沉降的變形機理及變形規(guī)律進行研究和探討。

1 盾構(gòu)施工引起的地表變形的過程

在地鐵隧道盾構(gòu)施工引起地表變形中最有可能出現(xiàn)的就是地表的沉降；通過結(jié)合大量的工程實例情況，可以將地表的沉降變化曲線分為五種情況：盾構(gòu)到達(dá)時的地面變形；盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形；盾構(gòu)通過時的地面變形；盾構(gòu)通過后的瞬時地面變形；地表后期固結(jié)變形[3]。各個階段的變形機理如下：

1.1 盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形

在盾構(gòu)推進過程中，如果出現(xiàn)開挖面涌水和管片安裝不良的話都有可能導(dǎo)致地下水位的降低；而地表監(jiān)測點的沉降一般都是由于地下水位的降低而引起的。

1.2 盾構(gòu)到達(dá)時的地面變形

在盾構(gòu)施工中當(dāng)盾構(gòu)靠近監(jiān)測點的過程中監(jiān)測點會產(chǎn)生的沉降或者隆起現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是因為盾構(gòu)機的正面土層壓力偏小而導(dǎo)致的開挖面土層壓力而引起的。

1.3 盾構(gòu)通過時的地面變形

在盾構(gòu)施工時，盾構(gòu)通過監(jiān)測點時地表監(jiān)測點會發(fā)生沉降變形；這主要是由于盾構(gòu)通過時破壞了原來的土體狀況而引起的。

1.4 盾尾通過后瞬間的地面變形

在盾構(gòu)施工中當(dāng)盾構(gòu)的尾部通過監(jiān)測點后都監(jiān)測點都會發(fā)生沉降的現(xiàn)象，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是盾尾的間隙和周圍的土體引起了彈性變形。

1.5 地表后期固結(jié)沉降

在地鐵隧道盾構(gòu)施工中即使盾構(gòu)通過了，但是在一段時間了地表都會出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是盾構(gòu)對地基所產(chǎn)生的擾動而引起的。

2 工程實例

2.1 工程概況

長沙市軌道交通4號線曲塘東路站工程起始于沙灣公園站，終止于長沙火車南站。車站起點里程YDK42+678.650，有效站臺中心里程YDK42+760.000，車站終點里程YDK42+894.500，車站總長為215.85m，標(biāo)準(zhǔn)的段寬為20.7m，最大的開挖深度為18.164m，在站臺中心處的覆土厚度設(shè)置約為3m，按明挖順做法施工。其中，盾構(gòu)始發(fā)場地分別是車站南北兩端。

2.2 工程監(jiān)測方案

2.2.1監(jiān)測內(nèi)容

對長沙地鐵4號線曲塘東路站施工盾構(gòu)所下穿的城市道路進行監(jiān)測，主要是針對盾構(gòu)下穿城市道路建立的鋼便橋以及與鋼便橋首尾相連的城市道路進行監(jiān)測。

監(jiān)測路線的長度為鋼便橋向兩端延伸一直到跨越變形區(qū)域，關(guān)于監(jiān)測路線具體跨越變形區(qū)域多遠(yuǎn)，就要根據(jù)曲塘東路站施工場地的水文地質(zhì)以及地形地貌來確定。

2.2.2監(jiān)測點的布設(shè)

在長沙市軌道交通4號線曲塘東路站的施工工程中，由監(jiān)測的范圍主要在鋼便橋上，所以監(jiān)測點就布設(shè)在鋼便橋和與鋼便橋首尾相連的城市道路上，而工作基點不能布設(shè)在鋼便橋上。監(jiān)測點主要是以間隔為5～20m不等的間距進行布設(shè)的，測點在埋設(shè)的時候必須埋設(shè)在觀測路線上，而且要彼此平行。監(jiān)測點布設(shè)情況如圖1所示：

2.2.3監(jiān)測周期

監(jiān)測頻率主要是通過變形體的變形大小、速度以及對變形體觀測目的來確定的。在監(jiān)測施工中監(jiān)測頻率的大小可以映出變形體的變形規(guī)律；根據(jù)長沙市軌道交通4號線在曲塘東路站的盾構(gòu)施工的情況來確定相應(yīng)監(jiān)測周期。

2.2.4監(jiān)測方法

1）水平控制測量。根據(jù)長沙市軌道交通4號線在曲塘東路站施工現(xiàn)場監(jiān)測點的布設(shè)情況來確定二等水準(zhǔn)測量的路線，然后建立相應(yīng)的水準(zhǔn)控制網(wǎng)；然后根據(jù)城市道路上監(jiān)測點的布設(shè)情況，進行相應(yīng)的水準(zhǔn)測量，在水準(zhǔn)測量中，對數(shù)據(jù)進行有效的記錄和現(xiàn)場的粗計算。

2）使用儀器。在本次盾構(gòu)施工工程中，所采用的儀器是徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀、銦瓦水準(zhǔn)尺進行水準(zhǔn)測量，而且在項目進行之前要對水準(zhǔn)儀進行檢校，并在項目進行中進行定期的檢校。對于水準(zhǔn)儀的檢校要求就是水準(zhǔn)儀的i角誤差應(yīng)當(dāng)小于15″，對銦瓦尺的要求就是分米刻度線與米刻度線的差值應(yīng)當(dāng)小于0.1mm。在水準(zhǔn)儀和銦瓦尺都滿足以上要求的條件下，再利用水準(zhǔn)儀按照《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ82007）的規(guī)定進行沉降觀測；在對閉合水準(zhǔn)路線觀測時，要滿足水準(zhǔn)測量規(guī)范如表1，在本次實例中采用的是二等水準(zhǔn)測量。

2.3 數(shù)據(jù)分析與地表沉降規(guī)律

2.3.1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測方案，在曲塘東路站的城市道路上布設(shè)了20個監(jiān)測點，實施動態(tài)監(jiān)測城市道路的變形情況，便及時的對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反饋，由于在第一個周是盾構(gòu)只施工到了JC03和JC08之間所以第一個周只監(jiān)測了JC01到JC10這十個監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)如下表2所示。

通過表2的數(shù)據(jù)可以得到監(jiān)測點中JC03在2月4日的沉降量是最大的為4.6mm，是本周十個監(jiān)測點沉降量最大的監(jiān)測點，結(jié)合實際施工情況分析，在2月11日這天盾構(gòu)在距離監(jiān)測點JC03有27m的地方進行施工。通過對數(shù)據(jù)和圖的分析處理可以得到JC03在2月4日后就慢慢的趨近于穩(wěn)定了，而在這天里監(jiān)測點沉降值最小的是JC06沉降值有0.1mm，在2月1日至2月3日里監(jiān)測點JC06到監(jiān)測點JC10所以的監(jiān)測點的變形量都非常之小，而監(jiān)測點JC01、JC02、JC03、JC04和JC05這五個監(jiān)測點在2月1日至2月7日這幾天里變形量都較大，而監(jiān)測點JC06、JC07、JC08、JC09和JC10這五個監(jiān)測點在2月4日至2月7日這幾天里變形量都比較小。結(jié)合實際的盾構(gòu)施工進行分析，在2月4日盾構(gòu)還沒有施工到JC03處，所以在2月1日至2月3日里監(jiān)測點JC01到監(jiān)測點JC05受到的影響較小進而它們的變形量都較小。

通過表3的數(shù)據(jù)反映了，可以知道在十個監(jiān)測點中JC08在2月11日的沉降量是3.7mm，是本周所以監(jiān)測點沉降量最大的監(jiān)測點，結(jié)合實際施工情況分析，在2月11日這天盾構(gòu)在距離監(jiān)測點JC08有27m的地方進行施工。通過對表3的數(shù)據(jù)分析可以得到JC03在2月4日后就慢慢的趨近于穩(wěn)定了，在2月11日以后幾乎不再變化；而在2月11日監(jiān)測點沉降值最小的是JC05、JC016、JC17、JC19和JC20沉降值有0.0mm，在2月8日至2月10日里監(jiān)測點JC01到監(jiān)測點JC05和監(jiān)測點JC11到監(jiān)測點JC20所以的監(jiān)測點的變形量都非常之小，而監(jiān)測點JC06到監(jiān)測點JC10在2月8日至2月14日里監(jiān)測點的變形量的較大，而監(jiān)測點JC11到監(jiān)測點JC15在2月4日至2月7日這幾天里變形量都較大。結(jié)合實際的盾構(gòu)施工進行分析，在2月11日盾構(gòu)還沒有施工到JC08處，所以在2月8日至2月10日里除了監(jiān)測點JC06、JC07、JC08、JC09和JC10這五個監(jiān)測點以外其他的監(jiān)測點受到的影響較小進而它們的變形量都較小。

2.3.2 盾構(gòu)下穿城市道路施工地表沉降規(guī)律

通過對圖2分析可以得到縱向上監(jiān)測點在盾構(gòu)施工時的沉降量變化，在盾構(gòu)施工到距離監(jiān)測點接近22.5m的時候，監(jiān)測點就會因為受到盾構(gòu)施工的影響而產(chǎn)生沉降，而且在盾構(gòu)推進的越來越接近監(jiān)測點時監(jiān)測點的沉降量就會越來越大，當(dāng)盾構(gòu)通過監(jiān)測點且建立好支護工程后，監(jiān)測點就會慢慢的穩(wěn)定下來。

通過對以上所以監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析可以得到，所以點中沉降量最大的點是JC08沉降值為18.9mm，變形速率為135mm/天；結(jié)合在工程中的實地勘察情況，城市道路沒有出現(xiàn)裂縫和空洞等現(xiàn)象，最后在盾構(gòu)施工完成后再以月為周期，每個月對城市道路進行一次安全監(jiān)測，最終將所得到的監(jiān)測結(jié)果通過參照規(guī)范《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ82007）的規(guī)定，可以得到長沙市軌道交通4號線在曲塘東路站盾構(gòu)下穿的城市地表是穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

（1）盾構(gòu)施工中盾構(gòu)推進距監(jiān)測點一定的范圍之內(nèi)才會對監(jiān)測點產(chǎn)生影響。隨著盾構(gòu)沿地表監(jiān)測點方向的掘進，監(jiān)測點的沉降量和速度逐漸增大，最大沉降量發(fā)生在盾構(gòu)通過監(jiān)測點且支護工程完成后的一周時間內(nèi)。而后監(jiān)測點就會趨近于穩(wěn)定。

（2）橫向上監(jiān)測點越靠近盾構(gòu)施工的中心線，沉降量越大。偏離中心線距離越遠(yuǎn)，沉降量越小，在盾構(gòu)施工影響范圍以外的監(jiān)測點幾乎不會受到盾構(gòu)施工的影響。

參考文獻：

[1]叢恩偉.北京地鐵盾構(gòu)法施工引起地表沉降的分析與預(yù)測研究[D].天津大學(xué)，2004.

[2]駱建軍.地鐵施工對鄰近建筑物安全風(fēng)險管理[J].巖土力學(xué)，2007，07：14771482.

[3]陳偉珂.地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2013，4：345351.

基金項目：邵陽學(xué)院—長沙理工大學(xué)—中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司測繪工程類專業(yè)校企合作人才培養(yǎng)示范基地

作者簡介：王亮（1987），男，漢族，碩士，注冊測繪師，主要從事GPS測量、施工環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理方面的研究。