地铁隧道盾构施工引起的地面沉降规律分析

土压平衡盾构施工引起的地面沉降规律分析城轨公司杨小飞【摘要】本文对广州地铁6号线盾构2标区间盾构隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，探讨了盾构施工过程地表沉降规律及其影响范围和程度，包括沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律、沉降量概率分布的统计分析等，并用数学函数加以表达。

研究结果对今后类似工程施工过程的隧道周边建（构）筑物的保护，施工参数的优化以及工程的顺利实施具有参考价值。

【关键词】盾构沉降拟合1.引言地铁交通在我国正处于发展阶段，由于盾构施工法的安全性和先进性，盾构技术在城市地铁隧道施工中得到越来越广泛的应用。

由于地铁隧道多位于城市中心繁华地带，地下管线和地面建筑物众多，施工过程多少都会扰动地层，要完全消除地表沉降是很困难的。

盾构施工过程的沉降会对地面建筑物的安全造成威胁甚至引起破坏，国内外已对施工沉降进行了大量研究，提出了许多沉降计算模型［1,2］，如Peck 模型（1969），Attewell 模型（1981），O’Reilly-New 模型（1982），藤田模型（1982）等。

国内专家也对国内地铁盾构施工过程的沉降规律进行了总结［3 ］- ［5 ］，得到了许多具有共性的认识。

但由于广州地区地质条件复杂，对沉降规律的定量研究还比较少。

本文对广州地铁6号线2标区间盾构隧道施工过程的地表沉降规律及其影响范围进行研究，以期对今后类似工程建（构）筑物的保护，施工参数的优化提供参考依据。

2.工程概况广州地铁6号线2标区间隧道采用盾构法施工。

区间隧道由两条并行的单线隧道组成，其中已完成施工的【大坦沙站-如意坊站盾构区间】左右线隧道间距8.1～26m，左右线隧道总长2859.2m，隧道埋深4.7～27.8m，线路最小水平曲线半径500m，最大坡度30‰。

盾构机采用德国HERRENK AG 公司生产的土压平衡式盾构（EPB），盾构机刀盘直径6280mm，采用盾尾同步注浆（砂浆）方式。

隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片环外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1500mm。

【大-如盾构区间】上覆第四系为人工填土层、淤泥层、淤泥质土层、淤泥质粉细砂层、粉质粘土、粉土层、冲积－洪积粉细砂层、冲积－洪积中、粗、砾砂层、冲积－洪积土层、可塑或稍密~中密残积土层、硬塑或密实状残积土层。

下伏基岩白垩系、石炭系棕红色、红褐色岩石，风化程度不均一，软硬夹层较多。

3.沉降观测方法3.1 观测仪器及要求采用精密水准尺仪，铟钢水准尺、30m 检定过的钢卷尺进行沉降观测。

线路沿线一般的多层建筑物和地表沉降，按国家三等水准测量技术要求作业，高程中误差≤±2.0mm，相邻点高差中误差≤±1.0mm。

3.2 沉降观测点的布设正常情况下，沿隧道中线上方地面每隔5m 布设一个沉降观测点，每隔20m 建立一个监测横断面，该断面垂直于隧道中线，每个断面上布设5个观测点，其中隧道中线上方一个点，左右间隔5m 各一个点。

对于软弱土层、或埋深较浅的区域，应根据隧道埋深和围岩地质条件，加密监测断面和测点。

当隧道上方为混凝土路面时，常布设两种沉降观测点，即分混凝土路面及路面以下土层两种，路面部分沿线路中线每20m布设一个观测断面，观测点直接布设在路面上，以量测路面沉降量；为了防止路面硬壳层不能及时、准确反映地层实际沉降情况，造成路面下方虚空，需钻穿混凝土路面并在路面以下地层中打入短钢筋布设观测点，以便对地层的沉降情况进行监测。

3.3 项沉降观测频率盾构机机头前10m和后20m范围每天早晚各观测一次，并随施工进度递进；范围之外的监测点每周观测一次，直至稳定。

当沉降或隆起超过规定限差（-30/+10 mm ）或变化异常时，则加大监测频率和监测范围。

4.沉降槽分布形式分析4.1 横断面沉降曲线图1、2 是不同里程处隧道上方地表横断面沉降槽分布曲线。

一般地，隧道中线上方沉降量最大，沿两侧逐渐减小，大部分沉降曲线形状基本符合Peck 的正态分布曲线。

但有一部分沉降曲线左右并不对称，特别是左线隧道（后行）沉降曲线，大部分向右偏移，即左线隧道右上方地表沉降量较大，这除了与左右地质条件差异有关外，主要是由于受先行隧道（右线隧道）的影响，此外还可能与注浆以及刀盘旋转方向有关。

因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中线上方，而是出现在左右线隧道之间偏向后行隧道中线附近，当左右线间距较小时，这种情况更为明显。

图1 横截面沉降槽分布曲线图（左线隧道﹝后行隧道﹞）图2 横截面沉降槽分布曲线图（右线隧道﹝先行隧道﹞）关于横断面沉降槽分布规律前人已进行过大量研究，提出了很多沉降槽计算模型，如Peck 公式（1969），Attewell 公式（1981），O ’Reilly-New 法（1982），藤田法（1982）等。

其中应用最广泛的是Peck 公式，其他公式基本可看作是对Peck 公式的修正，仍保留沉降槽形状服从正态分布的假定。

Peck 公式对描述均匀地层条件下单线隧道的对称沉降槽分布较适合，但如前所述，由于地质原因、线路转弯以及先行隧道的影响，实际沉降槽曲线往往并非对称，本文采用高斯峰值函数进行拟合。

图1 、2 可见，对称和非对称形式沉降槽曲线均可得到很好的拟合，其相关系数R 高达0.94以上，拟合效果高度显著。

根据不同横断面沉降槽的统计结果，尽管最大沉降量变化较大（2～40mm ），但地面沉降槽宽度基本上都在20～30m 以内。

虽然沉降槽宽度较大，由于曲线反弯点附近沉降量变化很缓慢，在沉降槽宽度范围的建筑物并不一定都会受到严重影响。

一般地，沉降影响范围比沉降槽宽度要小，特别是当沉降量较小时，沉降槽宽度可能仍较大，但沉降影响范围则很小。

4.2 纵断面沉降曲线分布从两个方面来研究线路中线盾构机机头前后的纵断面沉降曲线分布。

一方面，考察不同时间同一观测点沉降量随机头位置变化情况。

即在盾构机前方20m 的线路中线上方地面处布设一个沉降观测点，当盾构机向前掘进时，盾构机逐渐临近并通过该点下方，然后又逐渐离去，根据观察将整个沉降过程分为五个阶段：① 先期沉降：指自隧道开挖面距地面观测点还有相当距离（数十米）的时候开始，直到开挖面到达观测点之前所产生的沉降，是随着盾构掘进引起地下水位降低而产生的。

因此，这种沉降可以说是由于孔隙水压降低、土体有效应力增加而产生的固结沉降，② 开挖面前部沉降或隆起：指自开挖面距观测点极近（约几米）时起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。

多由于开挖面水土压力不平衡所致，③ 盾构通过时沉降或隆起：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 盾尾间隙沉降或隆起：指盾构机的尾部通过观测点正下方之后所产生的沉降或隆起。

是盾尾间隙的土体应力释放或注浆加压而引起土体的弹塑性变形，⑤ 后续沉降：指固结和蠕变残余变形沉降，主要是地基扰动和有效应力增大所致在这过程观测该观测点沉降量随机头位置变化的曲线（图3）；另一方面，考察同一时间沿机头前后分布的观测点沉降量的变化情况。

即在线路中线上方地面每隔5m 间距布设一个沉降观测点，当这些点位于盾构掘进沉降影响范围时，考察在同一时间这些观测点沉降量的分布情况（图4 ）。

图3 不同时间同一测点沉降量随机头位置变化曲线图4 同一时间不同观测测点沉降量沿机头前后分布曲线采用玻尔兹曼（Boltzmann ）函数对沉降量随 机头位置变化曲线进行拟合。

可以看出，从上述两方面得到的纵断面沉降曲线分布规律是基本一致的。

在敞开式掘进情况下，在机头前方约6 m （约1 倍隧道直径）以外，地面基本无沉降迹象，部分出现轻微隆起趋势（隆起量小于1mm ）;在机头前方约5m 左右开始产生沉降；机头前方5m 至机头后约8～9m （约等于盾构机长度8.35m ）是沉降主要发展阶段，这个范围的地层主要受盾构刀盘旋转及开挖面出土卸载影响（机头前方5m ）以及 构机通过时盾壳对围岩扰动的影响（机头后约 ～ 9m ），沉降量约占总沉降量的80%以上；机头过去10～15m 后沉降趋于稳定，在这个范围，盾构已通过，对地层的扰动消失，同时，盾尾脱出后产生的围岩与管片间的建筑空隙得到了盾尾同步注浆的及时同步填充，对地层产生了很好的支撑作用，有效地抑制了地层沉降的进一步发展。

值得注意的是，上述结果是在盾尾同步注浆正常发挥作用的情况下得出的，如注浆压力、注浆量不足或注浆不及时，盾构通过后还会产生相当大的的后期沉降。

施工实践表明，只要注浆不正常，往往就会出现比较大的沉降量。

在存在软弱地层且周边环境对地面沉降控制要求较高时，一般采用土压平衡模式掘进。

如洞身或上覆土层为可塑～硬塑状粘性土及粉土、可塑状的粉质粘土、稍密状的粉土以及砂层等情况。

在土压平衡掘进模式情况下，沉降发展规律基本与敞开掘进模式的规律相似，但机头前方地面（距机头约6m ）往往出现比较明显的隆起。

4.3 沉降随时间的发展规律从地面某个观察点开始产生沉降起，观测其沉降量随时间的发展情况。

本文采用横向沉降分布（Peck 公式），对沉降随时间变化曲线进行拟合（见图5）。

)2exp(222i x iV S l x -=π （1）式中：S(x)为沉降量(m)；x 为距离隧道中心线的距离(m)；i 为沉降槽宽度系数， V 为地层损失量)2/45(2ϕπ-=tg zi根据Peck 公式，最大沉降量约为（2）图5 Peck 公式计算示意图i V i V S l l 5.22max ≈=πLy y f f -='Ly y i i -='纵向分布采用公式：式中：S(y)为沿隧道纵轴线分布的沉降量（m ）； y 为盾构推进起始点距离坐标原点O 的距离(m)； yi 为盾构开挖面距离坐标原点O 的距离（m ） ； L 盾构机的长度（m ） ；Vl1为盾构开挖面引起的地层损失（m3/m ）； Vl2为施工因素引起的地层损失（m3/m ）；i 为沉降槽宽度系数。

图6 纵向沉降分布计算示意图5.结语通过对广州地铁6号线2标区间隧道施工过程的地面沉降监测数据进行定量统计分析，基本上掌握了盾构施工过程的地表沉降规律，并用数学函数加以表达，包括：沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律等。

经过研究得到了以下认识：⑴ 横断面沉降槽曲线可用Peck 公式拟合。

受先行隧道影响，后行隧道沉降曲线左右往往并不对称，地表最大沉降量向先行隧道一侧偏移，地面沉降槽宽度一般在20～30m 范围。

⑵盾构机头前后的沉降量分布可用纵向分布函数拟合。

在敞开式掘进情况下，机头前方约5m 处开始产生沉降，机头前方5m 至盾尾是沉降的主要发展区域，沉降量约占总沉降量的80% 以上，机头过去10～15m 后沉降趋于稳定。