關(guān)輝輝

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都610031)

盾構(gòu)法施工中地表沉降的影響因素分析

關(guān)輝輝

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都610031)

盾構(gòu)法施工技術(shù)以其特有的智能、快速、安全、地層適用性強等特點而得到廣泛應(yīng)用，但此法施工不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，引起周邊地表沉降。如何在特定的地質(zhì)環(huán)境中減少盾構(gòu)施工對周邊土體的擾動，一直是工程界所關(guān)注的重點。以石家莊軌道交通1號線時光街站—長城橋站盾構(gòu)區(qū)間為研究對象，通過盾構(gòu)區(qū)間地表沉降數(shù)據(jù)，分析出橫向沉降規(guī)律及縱向沉降規(guī)律。在此基礎(chǔ)上對影響地表沉降的因素進行分析，得出盾構(gòu)掘進中注漿量及注漿時間、出土量是影響地表沉降的重要因素，進而優(yōu)化掘進參數(shù)，有效地控制了地表沉降，為后續(xù)盾構(gòu)施工提供參考和借鑒。

掘進參數(shù)；地表沉降；沉降槽；影響因素

隨著城市軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)法施工技術(shù)以其特有的智能、快速、安全、占地少、地層適用性強等特點得到廣泛應(yīng)用，但此法施工不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，引起周邊地表沉降[1-5]。如果盾構(gòu)施工參數(shù)與地質(zhì)條件不相匹配，將直接影響周邊道路、管線及構(gòu)(建)筑物的正常使用。如何在特定的地質(zhì)環(huán)境中減少盾構(gòu)施工對周邊土體的擾動，一直是工程界所關(guān)注的重點。石家莊軌道交通1號線是石家莊軌道交通的重點工程，本研究以該線路中的時光街站—長城橋站盾構(gòu)區(qū)間為對象，通過監(jiān)測盾構(gòu)區(qū)間的地表沉降，對垂直于區(qū)間的橫向沉降及平行于區(qū)間的縱向沉降進行分析，探討影響地表沉降的因素，以期為后續(xù)盾構(gòu)施工提供參考和借鑒。

1 工程與地質(zhì)概況

1.1工程概況

時光街站—長城橋站盾構(gòu)區(qū)間以時光街站為起點，由西向東沿中山西路敷設(shè)至長城橋站。區(qū)間的起始里程為K3+997.900，終止里程為K4+970.340，區(qū)間右線長度972.44 m，區(qū)間左線長度972.423 m，其中短鏈0.017 m。區(qū)間沿線建筑物及地下管線密集，種類繁多。

1.2地質(zhì)水文概況

根據(jù)勘察資料顯示，該段盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為黏土層、粉質(zhì)黏土層、粉細砂層和中粗砂層，覆土厚度約為7.9 m。地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越地層地質(zhì)縱斷面(單位：m)

盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越的地層地質(zhì)情況描述如下：

①粉質(zhì)黏土層。黃褐色，可塑，中等壓縮性，土質(zhì)不均一，含姜石，局部富集，夾粉土、細砂薄層沿區(qū)間線路零星分布。

②粉細砂層。褐黃色，中密，稍濕，砂質(zhì)較純，以石英、長石為主，含少量粉質(zhì)黏土塊，顆粒均勻，分選較好，沿線路連續(xù)分布。

③中粗砂層。褐黃色，中密，稍濕，砂質(zhì)純凈，主要成分為石英、長石、云母，含少量粉質(zhì)黏土塊，向下粒徑漸粗，層底可見礫砂薄層，沿線路連續(xù)分布。

④黏土層。黃色，孔隙比e=0.712，為密實狀態(tài)，含水量w=16.9%，稍濕，土質(zhì)不均，含石英、長石等雜質(zhì)，沿線路連續(xù)分布。

在勘察深度范圍內(nèi)未能實測到地下水位，根據(jù)對工程周邊水井的調(diào)查資料及區(qū)域水文地質(zhì)資料可知，本段線路賦存一層地下水，埋深大約50～70 m，地下水類型為潛水，未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，擬建區(qū)間場地內(nèi)不排除局部存在上層滯水的可能性。

2 影響地表沉降的因素分析

盾構(gòu)掘進影響地表沉降的因素很多，但歸納起來，其主要原因有地質(zhì)條件、覆土厚度、掘進參數(shù)等。只有通過嚴密監(jiān)測和快速反饋，才能避免事故發(fā)生，從而達到保護環(huán)境的目的[6-10]。

2.1監(jiān)測數(shù)據(jù)及影響參數(shù)統(tǒng)計與分析

選取5個有代表性的斷面作為研究對象，進行地表沉降連續(xù)性監(jiān)測，直至隧道區(qū)間地表沉降區(qū)域穩(wěn)定。將影響參數(shù)匯總，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)繪制沉降曲線，并將影響因素與曲線圖聯(lián)系起來，分析其關(guān)聯(lián)關(guān)系。監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 橫向斷面測點累計沉降值統(tǒng)計

根據(jù)各斷面地表沉降(圖2)、各斷面地層情況及施工參數(shù)(表2)對比分析可知：

圖2 各斷面地表累計沉降曲線

①在不同地段地表的最大沉降量差異很大，其中黏性土地層段的地表沉降量約占砂土地層段的1/2。

②斷面DB1沉降槽較為陡立，且最大沉降值較小，主要是由于黏土地層有較強的自穩(wěn)能力，使兩側(cè)地層受到較小擾動，而粉質(zhì)黏土及砂土地層中沉降槽范圍較大。在相似地質(zhì)條件下的斷面DB1和DB5，兩者隧道埋深、盾構(gòu)掘進速度、土倉壓力、總推力參數(shù)相近時，出土量及注漿量成為控制地表沉降的重要參數(shù)。DB1斷面由于出土量及注漿量與設(shè)計值相近，且注漿及時，地表沉降累計值較小，最大僅為-7.90 mm；而斷面DB5沒有控制好這兩項參數(shù)導(dǎo)致地表沉降累計值較大。

表2 各斷面地層情況及掘進參數(shù)統(tǒng)計

③對比DB2斷面及DB4斷面可知，在盾構(gòu)掘進參數(shù)相近的情況下，隧道周圍土體在斷面以上的豎向位移隨埋深的增大逐漸減小。

2.2預(yù)警情況預(yù)測及工程處理措施

2.2.1 監(jiān)測點布設(shè)

地表沉降監(jiān)測斷面上的測點如圖3所示，按照施工圖設(shè)計中監(jiān)控量測要求并參照工程實際情況，在施工影響范圍內(nèi)布置，沿線路中線每20 m設(shè)置1點，每隔100 m布設(shè)一常規(guī)沉降觀測斷面(每斷面7測點或11測點)，在始發(fā)、接收段及地質(zhì)變化較為復(fù)雜區(qū)段應(yīng)做適當加密。管線沉降測點依據(jù)設(shè)計文件沿管線走向每10 m布置1個測點。

圖3 隧道地表沉降監(jiān)測斷面測點布設(shè)圖

2.2.2 地表沉降預(yù)警情況

2015年7月31日，DB52斷面地表沉降(3 mm控制值)及管線沉降(2mm控制值)測點出現(xiàn)10.11 mm的沉降，判定為橙色預(yù)警，同時盾構(gòu)姿態(tài)偏差較大，如圖4所示。

圖4 DB52地表沉降橫斷面曲線

2.2.3 地表沉降預(yù)警原因分析

①地質(zhì)條件從黏性地層進入中粗砂地層，盾構(gòu)機沒有及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，特別是沒有注意注漿量及注漿時間的調(diào)整；

②本段臨近暗挖區(qū)間正在拆除臨時支撐，沒有及時施作二襯，臨近隧道施工干擾，導(dǎo)致地表沉降數(shù)據(jù)增大；

③盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn) “栽頭”現(xiàn)象，盾構(gòu)機操作手急于調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

2.2.4 工程處理措施

①針對地表發(fā)生較大沉降的情況，施工單位緊急組織人員對沉降段周邊管片進行注漿，注漿量在5.5～7.5 m3，并及時優(yōu)化掘進參數(shù)(參數(shù)見表3)，在沉降較大處通過二次注漿的手段控制。

表3 進入砂質(zhì)地層段盾構(gòu)施工參數(shù)

②盾構(gòu)機掘進過程中嚴格控制好盾構(gòu)姿態(tài)，且糾偏不宜過急，在糾偏過程中，每一環(huán)盾構(gòu)的水平方向糾偏值≤9 mm，豎直方向糾偏值≤5 mm。

2.2.5 效果分析

①通過參數(shù)優(yōu)化以及地面的監(jiān)測情況進行二次注漿，能及時有效控制地表的沉降，確保盾構(gòu)的施工安全質(zhì)量，發(fā)生橙色預(yù)警處最終的地面下沉量為-11.35 mm；

②通過選擇合適的注漿點位及控制注漿量、勤量測、嚴格執(zhí)行螺栓復(fù)緊程序等技術(shù)手段，能有效控制盾構(gòu)機掘進的姿態(tài)；

③通過及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，盾構(gòu)機安全盾構(gòu)地質(zhì)突變段。

3 地表沉降規(guī)律分析

地表沉降及管線沉降是隧道施工中面臨的重要風險，通過分析盾構(gòu)掘進過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，準確掌握盾構(gòu)掘進參數(shù)與地質(zhì)情況的匹配程度，優(yōu)化掘進參數(shù)。

3.1區(qū)間橫截面的地表沉降分析

選取時光街站—長城橋站有代表性的DB39和DB52監(jiān)測斷面進行分析。根據(jù)盾構(gòu)掘進情況進行連續(xù)測量，對2個斷面從盾構(gòu)距離該斷面60 m開始測量，直至盾構(gòu)通過該斷面100 m后降低監(jiān)測頻率，在該斷面地表沉降趨于穩(wěn)定后停止監(jiān)測。兩斷面地表沉降槽如圖5、圖6所示。

圖5 DB39斷面地表沉降槽歷程圖

根據(jù)地表沉降槽曲線可以看出：

①地表沉降槽類似于正態(tài)分布曲線，一般最大沉降值發(fā)生在隧道中心上。

②施工因素對地表沉降槽有著較大的影響。對比2個斷面的掘進參數(shù)可知，在注漿量、出土量相同的情況下，盾構(gòu)到達時由于DB52斷面土倉壓力增大，使刀盤前方的地表稍微隆起，這樣可以減小地表的沉降量，因此，通過調(diào)整盾構(gòu)掘進相關(guān)參數(shù)可以控制地表沉降。

③地表沉降隨斷面的展開逐漸減小，且盾構(gòu)掘進的橫向影響范圍為20 m左右，盾構(gòu)掘進主要影響區(qū)在隧道軸線7 m范圍內(nèi)，且沉降槽體積約占總體積的60%～75%，其沉降的平均值約占最大沉降值的58%。

3.2區(qū)間縱截面的地表沉降分析

分別選取該區(qū)間3段不同地層隧道中線地表沉降數(shù)據(jù)進行分析，曲線如圖7所示。

圖7 典型地層地表縱向沉降曲線

由圖可得出盾構(gòu)掘進過程中區(qū)間縱向地表沉降規(guī)律：

①當測點處于刀盤前方時，三段地層的地表沉降值變化均較小，其沉降量約占總沉降量的10%；當測點處于或靠近刀盤時，地表沉降開始迅速發(fā)生，其沉降量約占總沉降量的25%；當盾構(gòu)通過時，由于盾構(gòu)機在推進過程中對土的擾動，該時段沉降速率較大，且持續(xù)2 d，沉降量約占總沉降量的35%；盾構(gòu)通過后由于盾構(gòu)注漿等措施填充了孔隙，使沉降速率減緩，該時段沉降量約占總沉降量的20%；由固結(jié)引起的后續(xù)沉降約占總沉降量的10%，三種地層符合盾構(gòu)沉降規(guī)律。

②盾構(gòu)推進對前方土體影響范圍約為15 m。前方土體沉降量一般不超過3 mm，但是在盾尾脫出后有較大沉降，之后將區(qū)域穩(wěn)定。

③隨著盾構(gòu)的不斷推進，地表的沉降不斷增大，在開挖面后30 m處趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過對地表沉降數(shù)據(jù)及盾構(gòu)影響因素進行分析，得出：

1)盾構(gòu)在砂土地層中掘進，地表沉降槽影響范圍較黏土地層影響范圍廣，且最大沉降量約為黏土地層的2倍；

2)在相似地層條件下，出土量、注漿量及注漿時效性是盾構(gòu)掘進過程中控制地表沉降的施工影響參數(shù)；

3)盾構(gòu)掘進橫向影響范圍為20 m，主要影響區(qū)在隧道軸線7 m范圍內(nèi)；縱向影響范圍約為15 m，且在開挖面后30 m趨于穩(wěn)定。

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責任編輯：唐海燕

FactorsofGroundSurfaceSettlementinShieldTunneling

GUANHuihui

(China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610031)

Shield tunneling technique has been widely used because it is intelligent,fast,safe,and well applicable in different soil strata.But shield tunneling will inevitably disturb strata and cause surface settlement.Therefore,reducing soil disturbance by shield tunneling in specific geological environment is the focus of geotechnical engineering.Based on a case study of the shield interval from Shiguang Street to Changchengqiao Station of Shijiazhuang rail transit Line 1,surface settlement data are analyzed,and transverse settlement law and the vertical settlement rule are obtained.On this basis,factors of surface subsidence are analyzed,which shows that grouting,grouting time and unearthed amount during the shield tunneling are important factors.With excavation parameters optimized,the surface subsidence can be controlled effectively,which offers reference for the follow-up shield construction.

tunneling parameter;ground surface settlement;settlement trough;factor

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.03.003

2017- 03- 01

常州工學(xué)院科研基金項目(YN1501)

關(guān)輝輝(1984— )，男，碩士，工程師。

TU444

：A

：1671- 0436(2017)03- 0011- 05