盾构隧道开挖引起的地表沉降规律

摘　要:地表沉降值是衡量开挖方式是否合适的关键指标,因此监测和预测地表沉降有重要的实际意义。在文中,根据对盾构法开挖隧道引起的地表沉降监测资料,做出了观测断面中心点的速度直方图和观测断面中心点位移随盾构机推进的位移变化图。通过分析,发现当盾构机到达测量断面前5ｍ～8ｍ后,地表测点的变形达到最大隆起值,然后测点的变形速度为负值,开始向下运动;在盾构机通过测量断面大约25ｍ后,测点位移几乎不再增加,变形速度也变得很小。

关键词:地表沉降;盾构机;测量断面

由于盾构法具有不影响地面交通、对周围建(构)筑物影响较小、适应软弱地质条件、施工速度快等优点,在地铁工程中得到广泛应用。地下施工不可避免地会对周围土层产生扰动,从而引起地面沉降(或隆起),这将使邻近建筑物受到不同程度的影响,并可能危及地下电缆、水管、煤气管道等设施的正常使用。因此,究竟会发生多大的沉降或隆起,会不会影响相邻建筑物的安全,是地铁隧道盾构施工中最关键的问题。所以,在施工中对隧道沿线进行地表沉陷监测是必不可少。它能使现场施工人员及时了解由盾构推进所引起的地面沉陷及附近建筑物或地下管线因此受到的危害程度,以便拟定有效保护措施,并对其实施效果进行跟踪监督[1]～[3]。
本文以某地铁盾构隧道的地面沉降观测为基础,详细分析了开挖过程中和完成后的沉降规律,这对评价开挖对地面建筑及地下管线的影响有一定的指导意义。
1 地表沉降的影响因素及其发展过程
影响盾构隧道地表沉降因素有渣土仓压力、地层性质、盾尾注桨开始时刻、注浆量和注浆压力、出土量及盾构推进速度等,而地表沉降是这些因素综合影响的结果。
地层沉降主要取决于地层类型、盾构机类型及施工状况。沉降历时曲线可分为5个阶段,如图1所示[4]:
(1) 先行沉降:指自隧道开挖面距地面观测点还有相当距离(数十米)开始,直到开挖面到达观测点之前所产生的沉降。
(2) 开挖面前的沉降和隆起:指自开挖面距观测点极近(约几米)时直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象。
(3) 盾尾沉降。指从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾构机尾部通过观测点为止这一期间所产生的沉降,主要是土的扰动所致。
(4) 盾尾空隙沉降。指盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的沉降,是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形。
(5) 后续沉降。指固结和蠕变残余变形沉降,主要是地基扰动所致。
这些沉降多非同时发生,地基条件和施工状况不同,沉降的类型也有所不同。

2 地质概况
该隧道位于新华夏系第二沉降带的区域构造背脊之上,在勘探深度范围内未见断层活动迹象。其埋深为15ｍ左右;开挖直径为5.7ｍ。从上往下,土层依次为人工填土层、粘质粉土砂质粉土、粉细砂和中粗砂、圆砾和卵石、粘质粉土砂质粉土。
3 观测数据分析
在隧道沿线地表共连续布置了17个断面,每个断面布置了7个测点。在测量断面上测点分布形式,如图2所示。测量断面上的中心点位于隧道中心线上。随着盾构机推进,测量各个测量断面上各测点的高程变化,得到各点的沉降值。

3.1 观测断面沉降曲线分析
根据观测到的每个断面上各个测点的沉降值,画出测量断面沉降曲线。通过做出的各个断面的沉降曲线,得出如下规律:
(1) 当盾构机工作面在测量断面前大约3ｍ之前,各个测点的沉降值基本相等,即发生整体隆起或下沉,如图3ａ所示。
(2) 当盾构机通过测量断面后9～27ｍ之间位移增加值变小,这说明从这以后盾构的推进对该断面的影响不大。
(3) 位移增加最快的点一般位于盾构机通过测量断面0～12ｍ。在这段距离内,产生的沉降值在4～5ｍｍ之间。因此,在该区间要加强观测,以防发生大的沉降。
(4) 沉降标准正态分布曲线不是在沉降最初阶段就出现,而是在沉降发生的图1所示的第2、3、4阶段出现,如图3ｂ所示;而且其出现点也没有规律。这说明地层沉降的变化过程无法用正态分布曲线(即ｐｅｃｋ公式)描述,只能用它来描述在该点以后的沉降发展。
(5) 在有些断面,沉降标准正态曲线的出现点与位移增加变缓点重合,因此沉降标准正态曲线的出现也在某种意义上说明位移从该时刻起开始缓慢变化。
(6) 从位移增加变缓点开始,地表各点的位移仍然增加,直到出现最大沉降值。
(7) 每个测量断面两个边点的沉降值变化没有明显的规律。但是,在同一个断面的两个边点的沉降规律基本相同。
在盾构机推进过程中,有时由于其它因素的影响地表位移还会发生反弹。

3.2 观测断面中心点的沉降速度分析
沉降速度柱状图中的速度是指盾构机每推进1ｍ,在测量断面中心点产生的沉降值。因为,在开挖中,影响测点沉降值的关键因素不是时间,而是盾构机的推进,虽然土也会随时间发生固结和蠕变变形,但是,所监测到的仍是土的瞬时变形。另外,图中负距离表示盾构机已经通过测量断面,下同。从做出的观测断面中心点的沉降速度直方图,可见:
(1) 沉降速度一般为-0.5～1ｍｍ/ｍ之间,最大值一般不超过2.5ｍｍ/ｍ。
(2) 沉降速度一般在盾构机通过测量断面30ｍ后,变得非常小,如图4ａ和图4ｂ所示,这与位移呈线性增加段基本吻合。
(3) 当盾构机通过某段时,对测量断面的位移影响很大,这时沉降速度大,且沉降速度在该段上基本保持不变。这种现象当盾构机推进到测量断面附近时容易出现。在这些区域,位移增加迅速;并且位移最大值,位移迅速增加点或位移正态分布标准曲线一般出现在该区域。

3.3 观测断面中心点沉降值随盾构机推进变化的分析
因为,沉降最大值一般发生在与隧道中心线对应的地表点;所以,选择做出观测断面的中心点位移随盾构机推进的位移变化很有意义。根据观测断面中心点位移随盾构机推进的位移变化图,可以得出如下规律:
(1)在盾构机通过测量断面20ｍ到40ｍ后,位移基本停止增加,如图5ａ和图5ｂ所示。一般,如果盾构机通过测量断面约为25ｍ时,就可以认为盾构机的推进对该断面无影响。此后,随着时间的增加,将发生小的后续沉降。
(2)从工作面距测量断面5～-25ｍ间,位移增加较迅速,位移值与距工作面距离之间的关系近乎线性,如图5ａ和图5ｂ所示。
(3)当盾构机在测量断面前5～8ｍ时,地表位移随时间增加,略有隆起。但相对于最大沉降值,其值很小。
(4)观测断面两个边点的位移变化规律基本相同,位移值有差别。

4 结论
根据对各个断面的沉降曲线、观测断面中心点的位移速度直方图和观测断面中心点位移随盾构机推进的位 移变化图分析,得出如下规律:
(1)在盾构机通过测量断面25ｍ左右后,位移几乎不增加,变形速度很小;
(2)一般在盾构机通过测量断面0～12ｍ之间,位移增加最快;
(3)当盾构机工作面在测量断面前大约3ｍ之前,各个测点的沉降值基本相等,即发生土层的整体下沉。
(4)当盾构机在测量断面前5～8ｍ时,地表位移随时间增加,且略有隆起。但相对于最大沉降值,其值很小。
(5)观测断面两个边点的位移变化规律基本相同,位移值有差别。
(6)沉降速度一般在盾构机通过测量断面30ｍ后,变得非常小,这与位移呈线性增加段基本重合。上述认识对于盾构隧道沉降监测设计、盾构施工等有使用价值。

参考文献:
[1]　沈培良,张海波,殷宗泽.上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析[ｊ].河海大学学报(自然科学版),2003,31(5):556-559
[2]　刘洪震,赵运臣.广州地铁“越—三”区间盾构工程地表沉降原因分析[ｊ].隧道建设,2002,22(1):20-23
[3]　周文波.盾构施工地表沉陷测量和地面沉降预测软件的编制[ｊ].计算机应用,2002,3:105-109
[4]　尹旅超,朱振宏,李玉珍.袁少军,等译.日本隧道盾构新技术[ｍ].武汉:华中理工大学出版社,1999