雙線地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析及 施工控制研究

李春英

摘要：最近幾年以來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)取得較快發(fā)展，由此推動(dòng)城市現(xiàn)代化進(jìn)程，現(xiàn)如今，地面交通已不滿足人們出行的要求，由此國(guó)內(nèi)很多城市更加注重對(duì)地下交通的研發(fā)。由于盾構(gòu)法具有較高速度、較高精度，其與地面交通不沖突，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用于雙線地鐵施工中。本文對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行了分析，對(duì)地表動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行了分析，對(duì)如何有效控制地表沉降進(jìn)行了探討，并提出了幾點(diǎn)建議，希望能幫助到相關(guān)人士。

Abstract： In recent years， the national economy has achieved rapid development， which has promoted the process of urban modernization. Nowadays， ground transportation no longer meets the requirements of people to travel， so many cities in China pay more attention to the research and development of underground transportation. Because of its high speed and high precision， the shield method does not conflict with ground traffic， and is widely used in the construction of double-track subways. This paper analyzes the surface settlement caused by shield tunnel construction and the dynamic changes of the surface， discusses how to effectively control the surface settlement， and puts forward some suggestions， hoping to help relevant people.

關(guān)鍵詞：數(shù)值模型;盾構(gòu)施工;地表動(dòng)態(tài);同步注漿

Key words： numerical model;shield construction;surface dynamics;synchronous grouting

中圖分類號(hào)：P642.26? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）20-0142-02

0? 引言

在地鐵隧道施工中使用盾構(gòu)法，會(huì)對(duì)施工周圍的巖土產(chǎn)生影響，促使其發(fā)生振動(dòng)，隨著時(shí)間不斷推移，會(huì)導(dǎo)致隧道上方地表發(fā)生沉降現(xiàn)象。當(dāng)?shù)乇沓两惮F(xiàn)象發(fā)生之后，會(huì)對(duì)地下建筑物及相關(guān)管道造成影響，甚至能影響到地面交通，由此引起一系列問(wèn)題，因此，對(duì)地表沉降問(wèn)題進(jìn)行研究是非常必要的。本文為研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖時(shí)，地表沉降所呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律，及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，以該區(qū)間影響較小的區(qū)域?yàn)檠芯奎c(diǎn)，具體而言，就是該區(qū)間車輛載荷，即人行載荷。

1? 地表沉降變形特征分析

1.1 工程概況

本文以某市地鐵2號(hào)線為例，選取該地鐵某區(qū)間進(jìn)行研究，該區(qū)間盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)為2.850千米，隧道整體地勢(shì)較為平坦，相對(duì)而言，南面偏高，北面偏低，形成的地面高度差介于1.5米到3.3米之間。盾構(gòu)隧道途徑的范圍有：地面道路、空曠地及城市綠化區(qū)等，平行線之間的距離介于12.5米到14.8米之間，埋入地下的深度介于14.2米到17.7米之間。盾構(gòu)隧道所采用的管片為雙面楔形類，管片內(nèi)部直徑為5.6米，幅寬為1.3米，管片的楔形量為50毫米，每8塊管片組成一環(huán)，并采用錯(cuò)縫的方式進(jìn)行拼裝，對(duì)于聯(lián)絡(luò)管道處而言，采用了較為特殊的管片，并采用通縫的方式進(jìn)行拼裝。本文所研究的區(qū)間盾構(gòu)隧道，其最小埋入深度值為13.4米，由于覆土的深度較淺，因此在隧道施工時(shí)，對(duì)地表有著較大的影響。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖時(shí)，地表沉降所呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律，及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，以該區(qū)間影響較小的區(qū)域?yàn)檠芯奎c(diǎn)，具體而言，就是該區(qū)間車輛載荷，及人行載荷，共設(shè)立2個(gè)檢測(cè)斷面，在橫向上設(shè)立38個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，以便對(duì)沉降值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，S1斷面與地鐵站之間的距離為30米，兩個(gè)斷面之間的距離為10米，每?jī)蓚€(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的距離為4米。

1.3 建立數(shù)值模型

本研究采用分析軟件為ABAQUS軟件，一般而言，采用盾構(gòu)法開(kāi)挖隧道時(shí)，會(huì)對(duì)巖土體產(chǎn)生一定的影響，影響洞徑范圍介于4倍到6倍之間，三維數(shù)值模型該數(shù)據(jù)模型圖的長(zhǎng)度為100米，寬度為60米，高度為80米，盾構(gòu)隧道外直徑為6.4米，隧道埋入地下深度為16米，兩側(cè)面隧道之間的距離為11.8米，所使用到的管片厚度大小為0.45米，管片幅寬為1.4米。

結(jié)合相關(guān)的分析報(bào)告，在對(duì)土地進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用的數(shù)值模型為彈塑性類型，管片則采用彈性模型，將巖土層相關(guān)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均處理，由此使用于數(shù)值模型中，數(shù)值模型四周邊界采用施加法向進(jìn)行限制，數(shù)值模型底部邊界采用完全固定。并設(shè)置盾構(gòu)施工側(cè)面土壓力系數(shù)為0.6，并假設(shè)施工引起的土體損失均勻分布，巖土體損失率為3%左右。

1.4 地表最終沉降預(yù)測(cè)與對(duì)比分析

針對(duì)于地表沉降的計(jì)算，本文采用三維模擬辦法，將實(shí)際測(cè)量所得的沉降值，與通過(guò)用公式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行比較。盾構(gòu)隧道施工完成之后，兩斷面的沉降模擬線，三者之間的模擬情況幾乎一樣，通過(guò)觀察沉降曲線可知，沉降呈W形狀，由于在使用雙孔計(jì)算公式計(jì)算沉降值時(shí)，充分結(jié)合了隧道開(kāi)挖的順序，其所計(jì)算出來(lái)的沉降值更好體現(xiàn)沉降槽的特征，也就是沉降槽的非對(duì)稱性。

當(dāng)完成隧道施工之后，兩個(gè)斷面的沉降槽基本上是對(duì)稱的，將實(shí)際測(cè)量所得的沉降值，與用公式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行比較，沉降槽呈現(xiàn)不對(duì)稱，產(chǎn)生這樣的情況，主要是由于未考慮盾構(gòu)隧道開(kāi)挖的順序，具體而言，就是左右線開(kāi)挖，及盾構(gòu)機(jī)的偏斜。

1.5 地表動(dòng)態(tài)變形特性

在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖時(shí)，會(huì)引起地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，其主要是由于施工對(duì)巖土體造成影響，土體損失不斷累積而致的，為研究地表沉降動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，以盾構(gòu)隧道S2斷面為對(duì)象面，繪制地表沉降動(dòng)態(tài)變化。

通過(guò)分析圖中所含信息可以得知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值變化情況基本吻合，在距離目標(biāo)面（也就是盾構(gòu)隧道S2斷面）一定范圍時(shí)，盾構(gòu)隧道上方地表已出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，從接近目標(biāo)面到遠(yuǎn)離目標(biāo)面的這一階段中，地表沉降程度最大，在通過(guò)目標(biāo)面之前，監(jiān)測(cè)到的最大沉降值為13.5毫米，占沉降變形的46%，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的沉降值，其最大值為12.8毫米，基本上接近于沉降變形的一半，其沉降變形比例為49%。

2? 地表沉降的施工控制措施

針對(duì)于本文所研究的區(qū)間盾構(gòu)隧道而言，其最小埋入深度值為13.4米，由于覆土的深度較淺，因此在隧道施工時(shí)，對(duì)地表有著較大的影響。另一方面，對(duì)于盾構(gòu)隧道施工環(huán)境而言，主要是在黏土層中開(kāi)展，一般而言，黏土層具備較強(qiáng)的滲透能力，而且大部分黏土層介于地下水范圍，當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生變化時(shí)，能加劇地表沉降變化程度，在這樣的情況下，阻礙了盾構(gòu)隧道施工進(jìn)程，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)于地下水位下降時(shí)，土層之間的水壓力降低。由此，有必要采取有效措施，來(lái)對(duì)地表沉降進(jìn)行控制。

2.1 同步注漿改進(jìn)

對(duì)于同步注漿而言，其實(shí)質(zhì)就是指在盾構(gòu)隧道施工時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)尾部注漿，對(duì)于地表沉降控制效果而言，注漿狀態(tài)能決定地表沉降控制效果。為盡最大可能降低盾構(gòu)施工對(duì)地面所造成的影響，及降低應(yīng)力釋放，有效控制地表沉降，在同步注漿時(shí)，應(yīng)在沉降變化程度最大的階段進(jìn)行，并控制注漿的量。在對(duì)注漿進(jìn)行模擬時(shí)，采用三維數(shù)值模型，假設(shè)盾構(gòu)施工引起的巖土體損失均勻，巖土體損失率為5%，把注漿層作用于均布?jí)毫Γ級(jí)毫υ从诙軜?gòu)隧道管片，及洞周圍巖土體，依次設(shè)置2.4立方米注漿量，2.6立方米注漿量，2.8立方米注漿量，及3.0立方米注漿量。依據(jù)數(shù)值模型計(jì)算，得出注漿量與地表沉降值的關(guān)系。

通過(guò)分析所含的信息可以得知，注漿量從2.4立方米增加到2.6立方米的這一階段，地表沉降值大概降低了1.2毫米，當(dāng)注漿量增加至2.8立方米時(shí)，地表沉降值大概降低了0.8毫米，當(dāng)注漿量增加至3.0立方米時(shí)，地表沉降值大概降低了0.4毫米，由此可以得知，從注漿量為2.4立方米到注漿量為3.0立方米之間，地表沉降值最終為25.5毫米，總共降低了2.4毫米。因此可以得知，增加注漿量能在一定程度上控制地表沉降，從注漿量為2.4立方米到注漿量為3.0立方米之間，地表沉降大概降低了6.6%，因此在盾構(gòu)隧道施工時(shí)，注漿量應(yīng)介于2.4立方米到2.8立方米范圍之間。另一方面，為有效控制地表沉降，需對(duì)漿液進(jìn)行改進(jìn)，具體而言，縮短漿液凝固所需時(shí)間，減小凝固之后的收縮率。

2.2 土艙壓力設(shè)定

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)而言，土艙壓力值設(shè)定是否合理，不僅能決定盾構(gòu)施工的安全性，而且能決定地表沉降控制效果。當(dāng)盾構(gòu)隧道施工時(shí)，為確保開(kāi)挖面穩(wěn)定，降低對(duì)巖土體的擾動(dòng)，可以加大土艙壓力，及縮小開(kāi)挖面得以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭s小開(kāi)挖面能降低變形程度。借助于數(shù)值模型來(lái)計(jì)算，有效結(jié)合土艙壓力情況，在數(shù)值模型中分別設(shè)置0.12兆帕土艙壓力，0.15兆帕土艙壓力，0.18兆帕土艙壓力，及0.21兆帕土艙壓力，每開(kāi)挖一次隧道，其開(kāi)挖位移為1.2米。依據(jù)數(shù)值模型計(jì)算方法，針對(duì)于不同的土艙壓力值，得出了工作面開(kāi)挖距離與地表沉降值之間的關(guān)系，如圖1所示。

通過(guò)分析圖1中所含的信息可以得知，土艙壓力值從0.12兆帕增至0.21兆帕的過(guò)程中，對(duì)于盾構(gòu)隧道施工而言，地表沉降值共降低了4.4毫米，當(dāng)完成盾構(gòu)隧道施工時(shí)，地表最終沉降值為2.6毫米。當(dāng)工作面的開(kāi)挖距離逐漸接近于目標(biāo)面時(shí)，各土艙壓力下的地表動(dòng)態(tài)沉降變化情況基本吻合，當(dāng)開(kāi)挖面距離目標(biāo)面的一定范圍之內(nèi)，隨著土艙壓力值不斷增大，地表沉降情況呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)。當(dāng)土艙壓力增至0.21兆帕?xí)r，當(dāng)開(kāi)挖面剛開(kāi)始通過(guò)目標(biāo)面時(shí)，0.21兆帕土艙壓力下的沉降值竟然大于0.18兆帕土艙壓力下的沉降值，產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象主要因?yàn)殚_(kāi)挖面受到不均衡的土壓力。通過(guò)以上的分析可以得知，通過(guò)適當(dāng)提高土艙壓力值，能有效控制地表沉降情況。土艙壓力值從0.12兆帕增至0.18兆帕的過(guò)程中，地表沉降值大約降低了6.2%，因此，若土體壓力系數(shù)為0.6時(shí)，在調(diào)整土艙壓力值時(shí)，應(yīng)介于0.12兆帕到0.18兆帕之間，由此能確保開(kāi)挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)，能確保開(kāi)挖面受力平衡，這樣的力主要是土壓力。

3? 結(jié)論

通過(guò)以上的分析可以得知，為盡最大可能降低盾構(gòu)施工對(duì)地面所造成的影響，及降低應(yīng)力釋放，有效控制地表沉降，在同步注漿時(shí)，應(yīng)在沉降變化程度最大的階段進(jìn)行，并控制注漿的量;在盾構(gòu)隧道施工時(shí)，注漿量應(yīng)介于2.4立方米到2.8立方米范圍之間;為有效控制地表沉降，需對(duì)漿液進(jìn)行改進(jìn)，縮短漿液凝固所需時(shí)間，減小凝固之后的收縮率;在盾構(gòu)隧道施工時(shí)，為確保開(kāi)挖面穩(wěn)定，降低對(duì)巖土體的擾動(dòng)，可以加大土艙壓力，及縮小開(kāi)挖面得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鞠鑫.雙線地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析及施工控制[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2019，63（08）：120-125，139.

[2]歐孝奪，羅炳雄，江杰，等.南寧地鐵盾構(gòu)雙線隧道地表沉降預(yù)測(cè)模型研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，44（04）：1010-1020.

[3]鞠鑫.雙線地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析及施工控制[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2019，63（08）：120-125，139.

[4]楊成永，馬文輝，彭華，等.地鐵雙線盾構(gòu)近距下穿盾構(gòu)隧道施工沉降控制[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2018，35（07）：91-98.