基于監測數據的地鐵盾構施工對周邊地表影響分析

□文/劉 龍 余 洋

隨著經濟的發展，城市建設快速發展，城市人口增多，造成交通擁擠、用地緊張，地鐵的興起能夠很好的緩解交通擁擠。在地鐵的建設過程中，盾構法[1]以獨有的安全、智能、快速等特點與優勢，其應用也越來越廣泛。同時，盾構法施工時會對土體造成擾動，從而對地表及周圍的管線、建（構）筑物等造成影響，使其產生較大沉降變形甚至破壞，故在盾構施工的時候要對周圍地表、管線、建（構）筑等進行沉降監測，從而根據監測數據及時調整各項施工參數，使施工處于最佳狀態。本文利用佛山地鐵3號線3201標大墩站—東平站區間的監測數據來分析盾構施工對地表沉降的影響并研究其變形規律，驗證Peck公式在佛山的適用性。

1 工程概況

1.1 工程背景

大墩站—東平站區間從大墩站出發，向北延伸，沿規劃道路文華路敷設，下穿小涌村電排站、小涌村村民房、佛山新城CBD基坑和廣佛環城際東平站，沿著規劃路最后到達東平站。區間穿越的主要建筑物有小涌村電排站、小涌村村民房、佛山新城CBD基坑和廣佛環城際東平站。區間采用盾構法施工，右線起訖里程YDK43+019.268～YDK44+031.886，長1012.618m；左線起訖里程ZDK43+019.268～ZDK44+031.886，長鏈0.06m，長1012.678m；區間在里程YDK43+510.889、YDK 43+707.610處設置1#、2#聯絡通道，其中2#聯絡通道兼廢水泵房。

1.2 工程地質條件

地層由上往下依次為人工雜填土、海陸交互相淤泥層、海陸交互相粉細砂層、海陸交互相淤泥質土層、海陸交互相粉質粘土層、花崗巖硬料性殘積土、紅層強風化帶、泥質粉砂巖中風化帶。隧道穿越土層主要為海陸交互相淤泥質土層、海陸交互相粉質粘土層、花崗巖硬料性殘積土、紅層強風化帶、泥質粉砂巖中風化帶。線路軌面埋深12.2～25 m，隧道覆土7.2～25 m。

1.3 水文地質條件

地貌上屬于海陸交互相沖洪積平原地貌，所揭露第四系地層為人工填土層，海陸交互相沉積層砂層、土層及沖洪積砂層、土層，基巖為古近系 心組碎屑巖，地下水位的變化受地形地貌和地下水補給來源等因素控制，地下水位埋深較淺。每年4～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位變化幅度為2.5～3.0 m/a。本次勘察所揭露的地下水位埋藏變化較小，主要為第四系松散孔隙水，地下水位普遍較淺，實測鉆孔砂層靜止水位埋深為0.10～4.60 m，平均埋深為2.57 m，高程為－0.59～6.30 m，平均高程為2.00 m，基巖地下水位略低。

2 監測方案

2.1 監測點布設原則

1)縱向沿隧道軸線上方地表設置，由始發井開始，始發和到達井100 m范圍內測點間距10 m，其他范圍內測點間距20 m。

2）橫向斷面布置在距始發井、到達井50～100 m，聯絡通道位置處、其余位置間隔約100～150 m。一般在地鐵結構兩側50 m范圍內布設，每個橫斷面布置7～11個測點，依據近密遠疏的原則布置。見圖1。

圖1 橫向斷面測點布置

3）道路和地表沉降點應結合地下管線沉降測點布設。

2.2 監測方法

沉降監測采用精度為0.3 mm/km的精密電子水準儀。測點采用長鋼筋擊入原狀土中，上部設置監測點保護蓋；若測點位于剛性路面上，則需穿越地表路面硬化層并用黃砂充填，噴射明顯標志進行示意保護。

2.3 監測范圍及頻率

監測范圍以盾構刀盤所在位置為基點，向前30 m，向后50 m，共計80 m。范圍內的測點每天測量一次，直到測點退出影響范圍，若發生報警情況則需加測。

3 地表沉降變形分析

3.1 橫向地表沉降變形分析

朱紅坤[2]提到Peck在大量隧道開挖施工引起的地表沉降實測資料的基礎上，系統地提出了估算隧道開挖地表下沉的方法，即Peck公式

式中：S（x）為距隧道中心處的沉降值，m；x為橫向上距隧道中心的距離，m；Smax為隧道中心處最大沉降量，m；Vi為盾構施工引起推進方向地層失量，m3/m；i為地表沉降槽寬度系數；Vs（%）為地層損失率；r0為隧道外半徑，m；φ為地層內摩擦角，（°）；Z為地表至隧道中心的深度，m。

計算Peck曲線的相關參數取值及依據見表1，計算結果

表1 Peck曲線相關參數取值

式（5）即為結合佛山地鐵實際工況通過Peck公式計算得到的橫向沉降變形理論曲線。

選取的斷面的測點數據見表2，因所取測點的原始高度都不相同，所以在繪圖分析時用測點的沉降累積變化量來進行分析，繪圖采用origin軟件見圖2。

表2 橫向斷面測點監測數據 mm

圖2 橫向地表沉降曲線

從圖2可以得出如下結論：

1）測點數據所繪的沉降曲線與Peck公式計算得到的沉降曲線規律基本相同，說明了Peck公式在佛山地鐵施工監測中的適用性；

2）部分測點斷面如LMC-21和LMC-56的沉降曲線開口較大、線型較平緩，這是因為各個斷面的地表沉降槽寬度系數的不同。

3.2 縱向地表沉降變形分析

盾構施工引起的縱向地表沉降可分為5個階段[2～6]（也有的學者分為3個[1，7]或4個階段[8]）：Ⅰ盾構到達前的地表沉降、Ⅱ盾構到達時的地表沉降、Ⅲ盾構通過時的地表沉降、Ⅳ盾構通過后的瞬時地表沉降、Ⅴ地表后期固結沉降，見圖3。

本文選取多個測點的沉降監測數據以監測天數為自變量，沉降值為因變量，用Excel進行數據的分析，得到縱向地表沉降的變形公式

用式（6）來預測幾個測點的沉降變形并與檢測數據作對比來驗證所得公式的適用性，驗證結果見表3。

圖3 縱向地表沉降過程

表3 縱向測點監測數據

從表3可以看出，除個別點的預測誤差＞10%外，總體預測誤差基本在8%以內，這樣的相對誤差說明了公式預測沉降變形的準確性。

4 結論

1）盾構隧道縱向地表沉降主要分為5個階段：Ⅰ盾構到達前的地表沉降、Ⅱ盾構到達時的地表沉降、Ⅲ盾構通過時的地表沉降、Ⅳ盾構通過后的瞬時地表沉降、Ⅴ地表后期固結沉降。

2）盾構隧道橫向地表沉降基本符合Peck模型，說明Peck公式在佛山地鐵盾構施工中的適用性；部分測點斷面的沉降曲線開口較大、線型較平緩，這是因為各個斷面的地表沉降槽寬度系數的不同，從Peck公式的結構來看，地表沉降槽寬度系數對線型的影響是最大的，所以準確計算斷面處的地表沉降槽寬度系數尤為重要。

3）縱向沉降變形擬合公式較準確，但該公式適用于施工連續、進度均勻的情況，若發生施工停滯、施工進度忽快忽慢、地面荷載突變等情況則不能使用此公式進行變形的預測。