地铁出入段线盾构隧道区间

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 。目前，我国采用盾构技术修建地铁的城市主要有：上海、北京、广州、深圳、南京、杭州、成都等。
　　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，施工过程势必会扰动地层，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，盾构始发端更是风险事故的多发地段。本文对某地铁出入段线盾构区间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
　　本出入段线盾构区间采用盾构法施工。线路左、右线分别以半径330m、300m向东偏始发。盾构区间左线单线长421.628m，右线单线长603m，总长1024.628m。左、右线线间距8.84～31m，线路纵坡成“V”字形，始发段覆土6.3～8.3m。
　　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，厚度300mm。
　　本场地勘察揭露的地层，按照沉积年代、成因类型及岩性名称，依次为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层共三大类按区间段围岩的主要岩性、围岩工程地质条件的差异性为划分依据。
　　本工程场区分布的地下水在工程地质分区Ⅰ区为2层分别为：第一层，层间水，水位埋深13.7～12.70m，水位标高20.39～24.73m。第二层，潜水～承压水，水位埋深19.10～21.80m，水位标高14.39m～18.43m。工程地质分区Ⅱ区为3层，各层地下水类型及勘察实测水位分别为：第一层，潜水，水位埋深7m，水位标高32.3m。第二层，层间水，水位埋深14.10～17.50m，水位标高20.91～22.50。第三层，潜水～承压水，水位埋深20.30～23.80m，水位标高15.50～18.11m。
　　区间线路邻近道路，交通流量较大，路下管线密集，沿线周边主要为小区、厂房及民房。
3 沉降观测方法
3.1 观测仪器及要求
　　由于本工程风险较高故采用精密水准尺仪，铟钢水准尺进行沉降观测。线路沿线一般的多层建筑物和地表沉降，按国家二等水准测量技术要求作业，环线闭合差≤0.6mm，每站高差中误差≤±0.3mm，视线高不得低于0.3m。以保证监测数据准确。
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10m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5～7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、埋深较浅的区域，根据隧道埋深和围岩地质条件，加密了监测断面和测点。
3.3 沉降观测频率
　　掘进面距监测断面前后的距离L≤20m时，1次/d；掘进面距监测断面前后的距离L≤50m时，1次／2d；掘进面距监测断面前后的距离L＞50m时，1次／week；经数据分析确认达到基本稳定后，1次／mon。当沉降或隆起超过规定限差（－30/＋10mm）或变化异常时，则加大监测频率和监测范围。
4 沉降分析
4.1 横断面沉降曲线
　　图1、图2是不同里程处隧道上方地表横断面沉降槽分布曲线，图1为覆土约6.5m的位置，图2为覆土约8m的位置。一般地，隧道中线上方沉降量最大，沿两侧逐渐减小。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。如图1、图2所示，根据对比可以发现，在覆土较浅的位置沉降量会相对的大一些。
　　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（40～150mm），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。




　　对应断面上方地表建筑物的影响情况如图3所示。


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，在这过程观测该观测点沉降量随机头位置变化的曲线；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10m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，如图4所示。


　　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。在机头前方约6m（约1倍隧道直径）以外，地面基本无沉降迹象，也未见有隆起现象，这与小半径始发推力不足有关；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）以及盾构机通过时盾壳对围岩扰动的影响（机头后约8～9m），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，但由于上方覆土较浅，故沉降变化量相当大。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。
5 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，如图5所示。


6 结语
　　通过对本出入段线盾构隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，基本上掌握了盾构施工过程的地表沉降规律，并用图表加以表达，包括：沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律、沉降影响范围等。经过研究得到了以下认识：
　　（1）由于左右线地质情况相近，施工参数相似，左右线纵断面沉降分布规律总体上也是基本一致的；
　　（2）在覆土厚度较薄，掘进速度慢，又未采用土压平衡方式掘进的地段，地面沉降较大。
　　（3）横断面沉降槽曲线，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。
　　（4）盾构机头前方约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。
　　（5）沉降发展过程可分为3个阶段：第1～2d沉降缓慢发展，第3～4d沉降快速增长，第5～7d沉降变化减缓，并逐渐趋于稳定。
　　针对本工程的监测可以看出，在盾构区间覆土较浅，并以小半径始发的状态下，在软硬不均的地层中掘进对地表的沉降控制是相当困难的，故在以后的施工过程中对施工参数要合理优化，以期在今后类似工程中降低对周边环境和结构自身的安全隐患。