孟慶明+唐黎明+林富志+房師濤

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富水卵漂石地層盾構(gòu)隧道地表沉降特征試驗(yàn)分析

孟慶明+唐黎明+林富志+房師濤

摘 要：卵漂石地層周圍巖土介質(zhì)具有高度非線性的特點(diǎn)，導(dǎo)致盾構(gòu)施工引起地表沉降規(guī)律與軟土地區(qū)盾構(gòu)引起的沉降規(guī)律有著明顯不同。文章基于成都地鐵4號(hào)線西沿線土壓平衡盾構(gòu)隧道區(qū)間的地表沉降的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地表沉降的橫向沉降變形規(guī)律和橫向沉降槽進(jìn)行分析，對(duì)比軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道地表沉降槽特性，分析了卵漂石地層盾構(gòu)隧道地表沉降曲線，總結(jié)了富水卵漂石盾構(gòu)隧道地表沉降槽窄而深的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；卵漂石地層；地表沉降；特征分析

孟慶明：中水電成都建設(shè)投資有限公司，高級(jí)工程師，四川成都610212

0　引言

關(guān)于盾構(gòu)隧道穿越各種地層地表沉降規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了不少有益的探索。如，馮超［2］以黃土地區(qū)某城市地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)施工工程為依托，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了盾構(gòu)隧道施工時(shí)地表沉降的規(guī)律。呂培林［3］基于軟土地區(qū)地鐵隧道地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了地表沉降發(fā)展的時(shí)間歷程、施工各階段沉降量所占比例及地面沉降槽的特征。姜忻良［4］假定由于隧道開(kāi)挖在地表以下土層所形成的沉降槽的體積等于地層損失，以及各土層沉降槽曲線仍可用正態(tài)分布函數(shù)表示，提出用于計(jì)算不同深度土層沉降槽曲線寬度系數(shù)的公式。滕麗［5］、蔡真［6］以成都砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工為研究背景，結(jié)合地表觀測(cè)數(shù)據(jù)、采用PFC2D 二維顆粒流程序和 Plaxis3D 有限元軟件對(duì)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地表沉降特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了盾構(gòu)隧道穿越砂卵石地層的失穩(wěn)機(jī)制。王振飛［7］通過(guò)對(duì)北京富水砂卵石地層泥水盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的地表沉降和地下深部土體水平位移的實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，得出盾構(gòu)隧道施工引起地層變形的規(guī)律?？梢?jiàn)，各位學(xué)者研究盾構(gòu)法施工在軟土中引起的土層移動(dòng)規(guī)律和地表沉陷的研究較為深入，但針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越富水卵漂石地層引起地表的具體沉降特征的研究非常有限。

本文依托成都地鐵4號(hào)線西沿線土壓平衡盾構(gòu)區(qū)間工程，利用地表沉降的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地表沉降的橫向沉降變形規(guī)律和橫向沉降槽進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道地表沉降槽特性，分析卵漂石地層盾構(gòu)隧道地表沉降曲線，揭示了富水卵漂石盾構(gòu)隧道地表沉降槽窄而深的特點(diǎn)，為地表沉降監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1　工程概況

成都地鐵4號(hào)線西沿線為連接市區(qū)至西部溫江區(qū)的線路，全長(zhǎng)10.8 km，全線共設(shè)8站8區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間6個(gè)，盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度6.7 km，盾構(gòu)區(qū)間平面圖如圖1所示。區(qū)間采用海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，螺旋輸送機(jī)最大出渣能力400 m3/h，最大通過(guò)粒徑340 mm×560 mm，采用正反旋轉(zhuǎn)，最大扭矩210 kN·m。設(shè)置3道閘門以及9個(gè)渣土改良注入口，隧道主線最大縱坡25‰，最小曲線半徑為300 m，區(qū)間最小埋深約9.7 m，最大埋深約15.5 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，盾構(gòu)區(qū)間隧道所穿越的地層以 〈2-9-3〉 卵石土（密實(shí)）、〈3-8-3〉 卵石土（密實(shí)）為主。區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖見(jiàn)圖2，穿越段由上往下地層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。地層中漂石含量5%～20%，粒徑一般為20～40 cm，地質(zhì)勘察探坑所揭露漂石的最大長(zhǎng)度為57 cm，最大抗壓強(qiáng)度高達(dá)170 MPa，破碎困難。

成都區(qū)間地下水季節(jié)性變化明顯，水位總體規(guī)律是水位西北高、東南低，沿河一帶高，河間階地中部低的特點(diǎn)。地表水以河流為主，地下水主要為第四系孔隙潛水，其補(bǔ)給源主要為大氣降水，測(cè)得地下水位埋深一般4.30～15.60 m。

圖1　盾構(gòu)區(qū)間平面圖

2　地表沉降理論分析

2.1地表沉降因素

結(jié)合國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道施工的成功經(jīng)驗(yàn)，隧道施工應(yīng)依據(jù)隧道斷面尺寸、隧道埋深和地層特征綜合考慮。研究者們認(rèn)為造成地表沉降的主要原因是隧道的開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)，因此，引起的地層損失和受擾動(dòng)土體重新固結(jié)使地層產(chǎn)生移動(dòng)［9］。其中 Lee 和 Mair 將影響地表沉降原因進(jìn)行了歸納［10］，總結(jié)為如下5個(gè)方面：

（1）在降水過(guò)程中，地下水位下降，土體有效應(yīng)力增加，引起土層壓縮變形；

（2）開(kāi)挖面土體移動(dòng)，破壞了原來(lái)的地層應(yīng)力平衡狀態(tài)；

（3）注漿不充分或不夠、盾構(gòu)機(jī)殼移動(dòng)與地層的摩擦和剪切作用、盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變等造成地層損失；

（4）盾體本身變形或盾構(gòu)機(jī)自身振動(dòng)導(dǎo)致土體壓密；

（5）隧道襯砌變形，以及長(zhǎng)期次固結(jié)沉降。

2.2地表沉降變形機(jī)理

2.2.1地表沉降橫向變化規(guī)律

隧道開(kāi)挖引起的地表沉降曲線一般被稱為“沉降槽”，表征了隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表位移的形態(tài)。1969年P(guān)eck 第一次提出了地層損失的概念，并建議用 Gauss 分布函數(shù)，即 Peck 公式來(lái)描述盾構(gòu)法施工引起的地表沉降［11］。Peck 認(rèn)為隧道開(kāi)挖后引起的地面沉降是在不排水條件下發(fā)生的，沉降槽體積等于地層損失的體積，地面沉降橫向分布可采用正態(tài)分布曲線來(lái)描述，由式（1）～（4）和圖3表示（圖中 W 沉降槽寬度）：

式（1）、（2）中，x 為距隧道中線的距離，m；Smax為隧道中線處最大地面沉降，m；Vs為盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度地層損失，m3/m；Sx為距離隧道中線處的地表沉降，m；i 為沉降槽的半寬度，m；r0為盾構(gòu)機(jī)外徑，m；Vl為地層體積損失率；R 為計(jì)算半徑，m；φ 為土的內(nèi)摩擦角，°；Z 為地面距離隧道中心深度，m。

圖2　盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

表1　地層參數(shù)表

圖3　沉降槽橫向分布圖

2.2.2地表沉降縱向變化規(guī)律

地表沉降縱向規(guī)律既能夠體現(xiàn)開(kāi)挖區(qū)間的地層情況，也能顯示出對(duì)盾構(gòu)施工的控制水平。大量學(xué)者研究表明，地表縱向變形分為5個(gè)階段［13］，如圖4所示。有學(xué)者認(rèn)為式（5）的指數(shù)曲線函數(shù)可以模擬隧道軸線地表沉降的歷時(shí)關(guān)系：

圖4　地表沉降縱向變化歷時(shí)曲線

式（5）中，Sy為隧道軸線上的最大沉降值，mm；A、B、y0、S0為回歸參數(shù)；y 為距開(kāi)挖面的距離，m。

3　卵漂石地層地表沉降特征試驗(yàn)分析

3.1地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

土壓平衡盾構(gòu)穿越成都地區(qū)富水卵漂石地層的地質(zhì)條件變化多樣，地層巖土的物理力學(xué)性質(zhì)也異常復(fù)雜，而前期的地質(zhì)勘察數(shù)量少、局限性大，因而對(duì)地質(zhì)條件和巖土介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)存在許多不確定性和不完善性。針對(duì)本區(qū)間的特殊地段，進(jìn)行必要的施工監(jiān)測(cè)是保障施工順利開(kāi)展，避免重大安全事故的前提，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：地表沉降、鄰近建筑物、構(gòu)筑物的沉降與傾斜、外表觀測(cè)、各聯(lián)絡(luò)橫通道施工監(jiān)測(cè)。而隧道軸線地表沉降量可以反映盾構(gòu)施工參數(shù)配置是否合理，隧道軸線的地表沉降監(jiān)測(cè)顯得尤其重要。本工程根據(jù)國(guó)家相關(guān)的地下鐵道、軌道交通工程測(cè)量規(guī)范開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，考慮盾構(gòu)始發(fā)區(qū)段的特殊性，橫向沉降監(jiān)測(cè)斷面在盾構(gòu)始發(fā)100 m 內(nèi)均勻設(shè)10個(gè)，間隔為10 m，隧道軸線上方其他地區(qū)隔30 m 設(shè)1處橫向監(jiān)測(cè)斷面；每個(gè)橫斷面7點(diǎn)，隧道軸線上方設(shè)1監(jiān)測(cè)點(diǎn)4，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4左右各設(shè)置間距為3 m 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的右方設(shè)置間距為3.5 m 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的左方設(shè)置間距為3.5 m 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)6和7，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示。

圖5　隧道斷面地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：m）

3.2地表沉降橫向變化特征分析

橫向地表沉降因離隧道掘進(jìn)軸線遠(yuǎn)近不同而存在較大差異，當(dāng)盾構(gòu)未掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)斷面下方的開(kāi)挖面時(shí)，地表存在略微隆起現(xiàn)象，原因是后方盾構(gòu)機(jī)向開(kāi)挖面掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生的頂推力使得前方地表出現(xiàn)隆起；當(dāng)盾構(gòu)抵達(dá)開(kāi)挖面時(shí)，地表沉降開(kāi)始逐漸發(fā)展，待盾構(gòu)通過(guò)開(kāi)挖面后，土體之間的黏聚力和相互作用力減小，隧道掘進(jìn)引起的滯后沉降明顯，沉降值有較大變化；之后沉降值仍舊持續(xù)變化，但變化幅度較小，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本工程選取了 DB19988監(jiān)測(cè)斷面作為代表，土壓平衡盾構(gòu)隧道穿越富水卵漂石地層隧道軸線上方橫向地表沉降歷程如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，盾構(gòu)掘進(jìn)后15天地表沉降最大值為21.32mm，出現(xiàn)在隧道軸線上方，沉降主要分布在隧道軸線2D（D 為隧道直徑）范圍內(nèi)，沉降槽曲線非對(duì)稱，與地層分布的不均勻性有關(guān)。

利用 Peck 公式擬合盾構(gòu)掘進(jìn)后15天的數(shù)據(jù)，地層損失率為0.5%，沉降槽寬度參數(shù)0.2，擬合的結(jié)果顯示在距離隧道軸線1D 左右的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，沉降槽具有窄而深的特點(diǎn)，距離隧道軸線1D～2D 之間的擬合沉降值小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，如圖7所示。

3.3地表沉降縱向變化特征分析

縱向地表沉降可以明顯反應(yīng)出土壓平衡盾構(gòu)隧道穿越富水卵漂石地層地表沉降的變化特征，對(duì)本工程DB19988斷面沉降點(diǎn)的縱向沉降歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)位于隧道軸線上方的測(cè)點(diǎn)4的累計(jì)沉降值最大，離隧道軸線越遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值依次呈減小的趨勢(shì)，與地表橫向沉降槽特征相符。距離開(kāi)挖面距離為0 m 時(shí)，累計(jì)沉降陡增，在距離開(kāi)挖面0～10 m 之間累計(jì)沉降增加最為明顯。DB19988斷面測(cè)點(diǎn)縱向沉降歷程如圖8所示。

同時(shí)，對(duì) DB19988斷面正上方地面縱向沉降曲線進(jìn)行了擬合，如圖9所示，結(jié)合式（5），利用非線性最小二乘法進(jìn)行回歸分析，可得到適應(yīng)本工程及成都地區(qū)富水卵漂石地層條件下的盾構(gòu)隧道施工工藝參數(shù)的具體取值范圍：A = -13～-21 mm，B =0.04～0.08，S0= -2～-7 mm，y0=0～10 m。

圖6　DB19988斷面處地表橫向沉降槽發(fā)展歷程

圖7　盾構(gòu)通過(guò)后DB19988地表沉降變形槽

圖8　DB19988斷面測(cè)點(diǎn)縱向沉降歷程

圖9　DB19988斷面正上方地面縱向沉降歷程擬合曲線

3.4地表沉降歷程

根據(jù)一般的盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)掘進(jìn)后的滯后沉降將占地表總沉降的25%～40%［14］，而通過(guò)對(duì)本工程地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)其滯后沉降量所占比例較其他地層隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的地表沉降大，其中滯后沉降的沉降量占到了69.75%。由于滯后沉降至今仍然沒(méi)有結(jié)束，本工程中滯后沉降占最終總沉降量的比例應(yīng)該更大。盾構(gòu)推進(jìn)各階段地表沉降占目前總沉降比例如表2所示。

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)富水卵漂石地層土壓平衡盾構(gòu)地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合地表沉降理論，從橫向、縱向地表沉降特征入手，研究了地表沉降歷程，并探討了縱向沉降理論曲線的范圍取值。研究表明：

（1）盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，富水卵漂石地層的地表沉降仍可分為5個(gè)階段，盾構(gòu)通過(guò)后的滯后沉降最大；

表2　各階段地表沉降占總沉降比例

（2）隧道橫斷面影響范圍為2D；

（3）盾構(gòu)穿越富水卵漂石地層時(shí)地表沉降槽呈現(xiàn)窄而深的特點(diǎn)，Peck 公式可以擬合富水卵漂石地層盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降槽曲線；

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表縱向變化經(jīng)歷4個(gè)階段：微小變形—變形急劇增大—緩慢變形—變形基本趨于穩(wěn)定，建議在施工期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；

（5）富水卵漂石地層地表監(jiān)測(cè)預(yù)警值、報(bào)警值的上限應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程性質(zhì)確定，避免使用常規(guī)軟土地區(qū)沉降規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)致使施工過(guò)程中經(jīng)常暫停施工，減少因?yàn)橥C(jī)造成地表坍塌影響施工過(guò)程。

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責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Test and Analysis of Ground Surface Settlement Characteristics under Shield Tunneling of Rich Water Content Cobble Stratum

Meng Qingming, Tang Liming, Lin Fuzhi, et al.

Abstract:The cobble stratum surrounding rock and soil has highly nonlinear characteristics, leading to a markedly difference of surface subsidence patterns in shield tunneling and settlement patterns caused by shield excavation in soft soil area. Based on the actual observation data of ground surface settlement along the line in the west of the earth pressure balance shield tunneling of Chengdu metro line4, the paper makes analysis on the surface settlement of transverse settlement deformation pattern and transverse settlement trough and comparison of ground surface settlement slot characteristics by shield tunneling in soft soil area, ground surface settlement curve by shield tunneling in cobble stratum, and it summarizes the characteristics of ground surface settlement with narrow and deep trough in rich water content cobble by shield tunneling.

Keywords:shield tunnel, cobble stratum, surface settlement, analysis on characteristics

中圖分類號(hào)：U231.3

收稿日期2016-01-20