廣州地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道盾構(gòu)施工引起的地面沉降規(guī)律分析
【提 要】：本文對(duì)廣州地鐵2號(hào)線赤—鷺區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討了盾構(gòu)施工過程地表沉降規(guī)律及其影響范圍和程度，包括沉降槽分布形式、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律、沉降量概率分布的統(tǒng)計(jì)分析等，并用數(shù)學(xué)函數(shù)加以表達(dá)。研究結(jié)果對(duì)今后類似工程施工過程的隧道周邊建（構(gòu)）筑物的保護(hù)，施工參數(shù)的優(yōu)化以及工程的順利實(shí)施具有參考價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：地鐵盾構(gòu)沉降統(tǒng)計(jì)
Abstract: Analysis of monitored ground settlement data upon shield driving at Chi Lu running section, Guangzhou Metro No.2 line, to make an approach to ground settlement mechanism during shield driving and its affected scope and extent, including settlement trough distribution pattern, settlement vs time graphic, settlement probability distribution, and other statistical analyses, expressed in mathematical functions, the resulting findings could be referenced for peripheral buildings/structures protection of similar construction sites, optimization of construction parameters and smooth execution of similar projects.
Keywords: Metro, shield, ground settlement, statistics.
1 引言
地鐵交通在我國正處于發(fā)展階段，由于盾構(gòu)施工法的安全性和先進(jìn)性，盾構(gòu)技術(shù)在城市地鐵隧道施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，我國采用盾構(gòu)技術(shù)修建地鐵的城市主要有：上海、北京、廣州、深圳、南京、杭州、成都等，廣州是國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道發(fā)展最快的城市之一。
由于地鐵隧道多位于城市中心繁華地帶，地下管線和地面建筑物眾多，施工過程多少都會(huì)擾動(dòng)地層，要完全消除地表沉降是很困難的。盾構(gòu)施工過程的沉降會(huì)對(duì)地面建筑物的安全造成威脅甚至引起破壞，國內(nèi)外已對(duì)施工沉降進(jìn)行了大量研究，提出了許多沉降計(jì)算模型［1，2］，如Peck模型（1969），Attewell模型（1981），O’Reilly-New模型（1982），藤田模型（1982）等。國內(nèi)專家也對(duì)上海地鐵、廣州地鐵1號(hào)線等盾構(gòu)施工過程的沉降規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)［3］-［5］，得到了許多具有共性的認(rèn)識(shí)。但由于廣州地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)沉降規(guī)律的定量研究還比較少。本文對(duì)廣州地鐵2號(hào)線赤—鷺區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程的地表沉降規(guī)律及其影響范圍進(jìn)行研究，以期對(duì)今后類似工程建（構(gòu)）筑物的保護(hù)，施工參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。
2 工程概況
廣州地鐵2號(hào)線赤崗—鷺江區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間隧道由兩條并行的單線隧道組成，左右線隧道間距8~12m，左右線隧道總長4342.3m，隧道埋深8~14m，線路最小水平曲線半徑350m，最大坡度9.636‰。
盾構(gòu)機(jī)采用德國HERRENK AG公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)（EPB），盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6 280mm，采用盾尾同步注漿（砂漿）方式。隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片環(huán)外徑6 000mm，內(nèi)徑5 400mm，管片寬度1 500mm。
隧道洞身巖土層以Ⅱ，Ⅲ類圍巖為主，局部為Ⅳ，Ⅴ類圍巖。從上到下主要地層為：松散、稍濕的人工填土層①；可塑—硬塑狀，粘性強(qiáng)的粘性土及粉土⑤；可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土和稍密狀的粉土⑤～①；硬塑—堅(jiān)硬狀的粉質(zhì)粘土及呈中密—密實(shí)狀粘土⑤～②；隧道洞身地層為較密實(shí)、堅(jiān)硬、含少量礫石的巖石全風(fēng)化帶⑥。地下水位平均埋深1.75m。
區(qū)間線路基本沿新港中路（城市交通主干道）兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道下通過，隧道上方路面交通繁忙，道路兩側(cè)地下管線和地面建筑物眾多，隧道常常需從建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)下方或側(cè)面通過。其中，新南方購物中心（7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)）基礎(chǔ)底部距隧道最近距離僅7.79m，客村立交橋（3層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）橋基側(cè)面距隧道最近距離僅0.9m。
3 沉降觀測方法
3.1 觀測儀器及要求
采用精密水準(zhǔn)尺儀，銦鋼水準(zhǔn)尺、30m檢定過的鋼卷尺進(jìn)行沉降觀測。線路沿線一般的多層建筑物和地表沉降，按國家三等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求作業(yè)，高程中誤差≤±2.0mm，相鄰點(diǎn)高差中誤差≤±1.0 mm。
3.2 沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)
正常情況下，沿隧道中線上方地面每隔5m布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，每隔20m建立一個(gè)監(jiān)測橫斷面，該斷面垂直于隧道中線，每個(gè)斷面上布設(shè)5個(gè)觀測點(diǎn)，其中隧道中線上方一個(gè)點(diǎn)，左右間隔5m各一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于軟弱土層、或埋深較淺的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)隧道埋深和圍巖地質(zhì)條件，加密監(jiān)測斷面和測點(diǎn)。
當(dāng)隧道上方為混凝土路面時(shí)，常布設(shè)兩種沉降觀測點(diǎn)，即分混凝土路面及路面以下土層兩種，路面部分沿線路中線每20m布設(shè)一個(gè)觀測斷面，觀測點(diǎn)直接布設(shè)在路面上，以量測路面沉降量；為了防止路面硬殼層不能及時(shí)、準(zhǔn)確反映地層實(shí)際沉降情況，造成路面下方虛空，需鉆穿混凝土路面并在路面以下地層中打入短鋼筋布設(shè)觀測點(diǎn)，以便對(duì)地層的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。
3.3 沉降觀測頻率
盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭前10m和后20m范圍每天早晚各觀測一次，并隨施工進(jìn)度遞進(jìn)；范圍之外的監(jiān)測點(diǎn)每周觀測一次，直至穩(wěn)定。當(dāng)沉降或隆起超過規(guī)定限差（-30/+10 mm）或變化異常時(shí)，則加大監(jiān)測頻率和監(jiān)測范圍。
4 沉降槽分布形式分析
4.1 橫斷面沉降曲線
圖1是不同里程處隧道上方地表橫斷面沉降槽分布曲線。一般地，隧道中線上方沉降量最大，沿兩側(cè)逐漸減小，大部分沉降曲線形狀基本符合PECK的正態(tài)分布曲線。但有一部分沉降曲線左右并不對(duì)稱，特別是左線隧道（后行）沉降曲線，大部分向右偏移，即左線隧道右上方地表沉降量較大，這除了與左右地質(zhì)條件差異有關(guān)外，主要是由于受先行隧道（右線隧道）的影響，此外還可能與注漿以及刀盤旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中線上方，而是出現(xiàn)在左右線隧道之間偏向后行隧道中線附近，當(dāng)左右線間距較小時(shí)，這種情況更為明顯。
圖1 橫斷面沉降槽分布曲線
關(guān)于橫斷面沉降槽分布規(guī)律前人已進(jìn)行過大量研究，提出了很多沉降槽計(jì)算模型，如Peck公式（1969），Attewell公式（1981），O’Reilly-New法（1982），藤田法（1982）等。其中應(yīng)用最廣泛的是Peck公式，其他公式基本可看作是對(duì)Peck公式的修正，仍保留沉降槽形狀服從正態(tài)分布的假定。Peck公式對(duì)描述均勻地層條件下單線隧道的對(duì)稱沉降槽分布較適合，但如前所述，由于地質(zhì)原因、線路轉(zhuǎn)彎以及先行隧道的影響，實(shí)際沉降槽曲線往往并非對(duì)稱，本文采用高斯峰值函數(shù)（Gaussian Peak Function）進(jìn)行擬合：
從表1及圖1可見，對(duì)稱和非對(duì)稱形式沉降槽曲線均可得到很好的擬合，其相關(guān)系數(shù)R高達(dá)0.94以上，擬合效果高度顯著。
從沉降槽曲線形狀可看出，沉降槽沒有明顯的邊界，一般地，將左右兩個(gè)反彎點(diǎn)A，A′之間的寬度定義為沉降槽寬度（圖2）。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合曲線，求出的最大沉降量和沉降槽寬度（表2）。
根據(jù)不同橫斷面沉降槽的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，盡管最大沉降量變化較大（2~40mm），但地面沉降槽寬度基本上都在20~30m以內(nèi)。雖然沉降槽寬度較大，由于曲線反彎點(diǎn)附近沉降量變化很緩慢，在沉降槽寬度范圍的建筑物并不一定都會(huì)受到嚴(yán)重影響。參照建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范的規(guī)定，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，相鄰兩柱基的允許沉降差為2‰~3‰，為此，將反彎點(diǎn)附近相鄰兩觀測點(diǎn)的沉降變化量（即曲線斜率）大于2‰的點(diǎn)B和B′之間的區(qū)域定義為沉降影響范圍（圖2），該范圍之外的區(qū)域（曲線斜率小于2‰）基本不影響建筑物的安全。一般地，沉降影響范圍比沉降槽寬度要小，特別是當(dāng)沉降量較小時(shí)，沉降槽寬度可能仍較大，但沉降影響范圍則很小。
4 縱斷面沉降曲線分布
從兩個(gè)方面來研究線路中線盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭前后的縱斷面沉降曲線分布。一方面，考察不同時(shí)間同一觀測點(diǎn)沉降量隨機(jī)頭位置變化情況。即在盾構(gòu)機(jī)前方20m的線路中線上方地面處布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)逐漸臨近并通過該點(diǎn)下方，然后又逐漸離去，在這過程觀測該觀測點(diǎn)沉降量隨機(jī)頭位置變化的曲線（圖3）；另一方面，考察同一時(shí)間沿機(jī)頭前后分布的觀測點(diǎn)沉降量的變化情況。即在線路中線上方地面每隔5m間距布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，當(dāng)這些點(diǎn)位于盾構(gòu)掘進(jìn)沉降影響范圍時(shí)，考察在同一時(shí)間這些觀測點(diǎn)沉降量的分布情況（圖4）。
采用玻爾茲曼（Boltzmann）函數(shù)對(duì)沉降量隨機(jī)頭位置變化曲線進(jìn)行擬合：
可以看出，從上述兩方面得到的縱斷面沉降曲線分布規(guī)律是基本一致的。在敞開式掘進(jìn)情況下，在機(jī)頭前方約6m（約1倍隧道直徑）以外，地面基本無沉降跡象，部分出現(xiàn)輕微隆起趨勢（隆起量小于1mm）；在機(jī)頭前方約5m左右開始產(chǎn)生沉降；機(jī)頭前方5m至機(jī)頭后約8~9m（約等于盾構(gòu)機(jī)長度8.35m）是沉降主要發(fā)展階段，這個(gè)范圍的地層主要受盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)及開挖面出土卸載影響（機(jī)頭前方5m）以及盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)盾殼對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響（機(jī)頭后約8~9m），沉降量約占總沉降量的80%以上；機(jī)頭過去10~15m后沉降趨于穩(wěn)定，在這個(gè)范圍，盾構(gòu)已通過，對(duì)地層的擾動(dòng)消失，同時(shí)，盾尾脫出后產(chǎn)生的圍巖與管片間的建筑空隙得到了盾尾同步注漿的及時(shí)同步填充，對(duì)地層產(chǎn)生了很好的支撐作用，有效地抑制了地層沉降的進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是，上述結(jié)果是在盾尾同步注漿正常發(fā)揮作用的情況下得出的，如注漿壓力、注漿量不足或注漿不及時(shí)，盾構(gòu)通過后還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的的后期沉降。施工實(shí)踐表明，只要注漿不正常，往往就會(huì)出現(xiàn)比較大的沉降量。
在存在軟弱地層且周邊環(huán)境對(duì)地面沉降控制要求較高時(shí)，一般采用土壓平衡模式掘進(jìn)。如洞身或上覆土層為可塑~硬塑狀粘性土及粉土④、可塑狀的粉質(zhì)粘土、稍密狀的粉土⑤-①以及砂層等情況。在土壓平衡掘進(jìn)模式情況下，沉降發(fā)展規(guī)律基本與敞開掘進(jìn)模式的規(guī)律相似，但機(jī)頭前方地面（距機(jī)頭約6m）往往出現(xiàn)比較明顯的隆起。
5 沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律
從地面某個(gè)觀察點(diǎn)開始產(chǎn)生沉降起，觀測其沉降量隨時(shí)間的發(fā)展情況(圖5)。
6 沉降量概率分布的統(tǒng)計(jì)分析
6.1 沉降量概率分布曲線
如前所述，沿隧道中線上方地面每隔5m布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，各點(diǎn)一般需連續(xù)觀測5~7d，視沉降發(fā)展情況，逐漸降低觀測頻率，直至沉降穩(wěn)定。圖6是赤崗—容村區(qū)間左右線隧道中線上方地面累計(jì)沉降量（沉降穩(wěn)定后）的分布圖，可以看出：
（1） 由于左右線地質(zhì)情況相近，施工參數(shù)相似，左右線縱斷面沉降分布規(guī)律總體上也是基本一致的；
（2） 在敞開式掘進(jìn)地段，地面基本無隆起現(xiàn)象；在土壓平衡掘進(jìn)地段地面出現(xiàn)輕微隆起；
（3） 在覆土厚度較薄，洞身巖土層下硬上軟，掘進(jìn)速度慢，又未采用土壓平衡方式掘進(jìn)的地段，地面沉降較大，如圖中里程3 840~3 900和4 315~4 370cm等。
6.2 沉降量分布的統(tǒng)計(jì)分析
將沉降量看作隨機(jī)變量，對(duì)赤崗—客村區(qū)間左右線隧道中線上方地面沉降量概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：
習(xí)慣上，負(fù)號(hào)表示地表沉降，正號(hào)表示地表隆起，為便于數(shù)據(jù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換（平移），使其全部變?yōu)檎?hào)：
Si=S′i+10 （5）
式中S′i——沉降量（小于0表示沉降，大于0表示隆起）（mm）；
Si——變換后的沉降量（大于10表示沉降，0~10表示隆起）（mm）。
累計(jì)有754個(gè)沉降量樣本，按從小到大將其劃分為16組（區(qū)間），各組的頻數(shù)及頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。
6.2.1 沉降量分布密度函數(shù)
根據(jù)表中統(tǒng)計(jì)結(jié)果作出沉降量分布頻率直方圖(圖7)。
7 結(jié)語
通過對(duì)廣州地鐵2號(hào)線赤—鷺區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析，基本上掌握了盾構(gòu)施工過程的地表沉降規(guī)律，并用數(shù)學(xué)函數(shù)加以表達(dá)，包括：沉降槽分布形式、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律、沉降量的概率分布、沉降影響范圍等。經(jīng)過研究得到了以下認(rèn)識(shí)：
（1） 橫斷面沉降槽曲線可用高斯峰值函數(shù)（Gaussian Peak Function，式（1））擬合。受先行隧道影響，后行隧道沉降曲線左右往往并不對(duì)稱，地表最大沉降量向先行隧道一側(cè)偏移，地面沉降槽寬度一般在20~30m范圍。
（2） 盾構(gòu)機(jī)頭前后的沉降量分布可用玻爾茲曼（Boltzmann，式（2））函數(shù)擬合。在敞開式掘進(jìn)情況下，機(jī)頭前方約5m處開始產(chǎn)生沉降，機(jī)頭前方5m至盾尾是沉降的主要發(fā)展區(qū)域，沉降量約占總沉降量的80%以上，機(jī)頭過去10-15m后沉降趨于穩(wěn)定。
（3） 沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律可采用對(duì)數(shù)方程（Logistical Eqation，式（4））擬合。沉降發(fā)展過程可分為3個(gè)階段：第1~2d沉降緩慢發(fā)展，第3~5d沉降快速增長，第6~7d沉降變化減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。
(4) 隧道中線上方沉降量概率密度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布（式(6)）。赤—鷺區(qū)間隧道盾構(gòu)施工過程的地面沉降平均值為 14.2mm，沉降量大于30mm的僅占6.23%。
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文章出處：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》
