上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析.pdf

第 3 1 卷第 5期 2 0 0 3年 9月 河 海 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) j o u r n a l o f h o h a l u n i v e r s i t y ( n a t u r a l s c i e n c e s ) vo i 31 no 5 s e p 2 0 03 上海地 区地铁 隧道盾构 施 工地 面沉 降分析 沈培 良 ， 张海 波2 ， 殷 宗泽2 ( 1 上海隧道工程 股份有 限公 司 ， 上海2 0 0 0 3 2 ； 2 河海 大学 岩土工程研 究所 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 根据上海地铁明珠线浦 东南路站一南浦大桥站 区间隧道盾构推进 引起 的地面沉降的实际观 测数据 ， 分析常用的地面沉降槽计算经验公式对于上海地 区软土中修建的地铁盾构隧道的适应性 ， 提 出了地铁盾构隧道横断面上地表沉降预测公式参数确定方法以及纵断面上地表沉降分布修正计 算公式及其参数确 定方法 应用结果表 明， 该计算公式能较好地预测盾 构施 工引起 的地 面沉 降分 布 关 键词 ： 地 铁 ； 盾 构 ； 隧道 ； 沉 降 中图分 类 号 ： u 4 5 2 文 献标 识 码 ： a 文章 编 号 ： 1 0 0 0 1 9 8 0 ( 2 0 o 3 ) 0 5 0 5 5 6 0 4 盾构法隧道由于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 盾构推进不可避免地会对周 围土层产生扰动 ， 从 而引起地 面沉 降( 或隆 起 ) 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 许多学者l 1 j 对隧道施工引起的地面沉降进行了深入研究 ， 并提 出了一些预测地面沉降沿纵 向( 隧道推 进方向) 和横向( 垂直于推进方向) 分布 的经验计算公式 在计算隧道施工 引起的地面沉 降时， 必须根据工程 的实际情况 ， 选择合适 的经验公式及计算参数才能取得满意的结果 上述经验公式是否能反映上海地 区特殊 的地质条件及 目前的盾构隧道施工工艺 ， 如何合理确定公式的参数 ， 则需要用上海地铁施工中的实测资料进 行深入研究才能做出正确回答 上海地区土层水平分布比较均匀 ， 某一局部地 区的工程情况可以较好地代表 整个上海地 区， 这为将一个局部的分析结果推广到全上海地 区提供了有利条件 本文从这点 出发 ， 通过对一 局部地 区盾构 隧道施工的实测沉降的分析研究 ， 寻求适合上海地区盾构隧道工程应 用的合理沉 降计算公式 及参数确定方法 1 常用沉降计算方法 1 1 横向地面沉降分布计算公式 p e e k 1 对大量隧道施工引起的地面沉降实测数据进行 了分析 ， 并认 为隧道开挖后 引起 的地面沉降是在 不排水条件下发生 的， 沉降槽体积等于地层损失 的体积 ， 地面沉降的横 向分布可用正态分布 曲线来描述 ： s ( )= s e x p 一x 2 ( 2 i ) ( 1 ) s 一= v , ( i ) ( 2 ) 式中： s ( ) 距离隧道 中心线 处的地表沉降， m； s 隧道中心线处最大地面沉降 ， m； 距 隧道 中心线的距离 ， m； 沉降槽半宽度 ， m； 盾构隧道单位长度地层损失 ， m 3 m p e c k 公式有 ( 地层损失) 和 i ( 沉降槽半宽度 ) 2个参数 合理确定这 2个参数对于正确预测地面沉降的 量值和分布情况起着至关重要的作用 地层损失 通常表示为 = v t 7 r r 0 ( 3 ) 式 中： 地层体积损失率 ， 即单位长度地层损失 占单位长度盾构体积 的百分比； r o 盾构机外径 ， i n 的取值与地质条件和施工条件密切相关 ， 现有文献资料 中对于粘性 土中的土压平衡盾构 隧道 ， 的取值范 收稿 日期 1 2 0 0 3 - 0 5 - o 7 作者筒 介 ： 沈墙 良( 1 9 7 o一) ， 男 。 浙江湖州人 。 工 程师 ， 主要从事软土地基基 础工程 研究 维普资讯 第 3 1 卷第 5期 沈培良， 等上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析 5 5 7 围一般为 0 5 2 0 0 r e i l l y等( 提出 ， 的取 沉降槽宽度系数) 0 r e i u y 和 即 f ( z为 隧道轴线 的埋深 ， 为 ，建议粘性土 取 0 4 0 6 ， 砂土 取 0 2 5一o 4 5 1 2 纵向地面沉降分布计算公式 对于地面沉降沿隧道纵 向的分布 ， 常用的计算公式为 a u e w e fi等 3 提 出的累积概率 曲线公式 其表达式 为 s ( y ) = s 【 g ( ) 一 g ( ) 】 ( 4 ) g ( a ) j e x p ( 一 f e ) 式中 ： s ( y ) 沿隧道掘进方 向坐标为 y处地表 点的沉 降 ， m； y 地表面点沿 隧道掘进 方 向的坐标 ， m； 隧道开挖面推进起始点 ， m； 一当前隧道开挖面的位置 ， m g ( a ) 可通过标准概率表得到 ， g( o ) =0 5 ， g ( ) =1 0 由式( 4 ) 可知 ， 隧道开挖面上方地表处 的地面沉 降等于开挖面后方最大地面沉降的 0 5倍 2 实测 数据分析 2 1工程概 况 浦东南路站一南浦大桥站 区间隧道工程是上海市轨道交通明珠线二期工程的一个重要组成部分 ， 是上 海市的重大工程项 目 工程起始于浦东南路站西端头井， 终止于南浦大桥站东端头井 ， 上行线全长 1 9 9 7 4 8 m， 下行线全长 1 9 8 1 9 6 m， 隧道外径 6 2 m、 内径 5 5 m， 盾构外径 6 3 4 m， 隧道衬砌环宽 1 m ， 根据地质 资料 ， 盾构 主要 穿越 的土 层 表1 地基土层基本物理力学指标 为灰色 粘质粉 土层 、 灰色 淤泥 质粘 土层 、 灰色粘土层、 灰色粉质 粘土层 、 暗绿一 草 黄 色粉质粘 土层 、 草黄 色砂 质粘 土层 、 灰 黄 色粉砂层 隧道穿越地基土层 的基本 物理 力学指标见表 1 盾构推进速度为 2 0 c m m i n ； 千斤顶 总推力 为 1 4 mn； 盾 尾注浆 压 力为 0 3 mp a ， 浆液为缓凝浆液 ， 浆液 1 d的 土层名称 ( ， ) 孔 比 液 性指 压缩系数 粘 聚力内摩 擦角 数 l a m p a 。 c k p a 中 ( 。 ) 粘质粉 土 3 6 2 1 8 4 0 淤泥质粘 土 5 2 5 1 6 9 o 粉质粘 土 3 6 7 1 7 7 0 砂质粘 土 2 8 0 1 9 2 0 粉砂 2 7 2 1 9 7 0 1 4 1 5 0 9 3 o 1 9 6 0 3 0 0 1 4 6 8 1 2 8 0 7 9 1 4 0 9 0 1 o 6 o 1 2 7 o 5 o l 4 o 2 o 5 0 7 7 o 0 1 o 3 0 3 5 0 o 6 7 o o 1 o 3 0 3 6 0 强度大于或等于周围加固土体的强度 ， 盾尾压浆 量为 2 0m 3 m 部分横断面和纵断面 的沉降观测结果如 图 1 、 图 2所 示 o 一 环号 l 9 3 0 图 1 部 分横断面 实测 地面沉 降 1 me a s u r e d g r e e n d t l e me n t a i o n g t r a n s v e r m l pr ofil e 图 2 沿隧道纵 向各 段的实测地 面沉降 2 me a s u r e d g r o u n d s e t t l e me n t a l o n g l o n g i 钿d i n | l p r o fi l e o f t h e t u n n e l 2 2 经验公式的验证 为了验证上述经验公式的适用性 ， 分别用上述经验公式计算第 1 4 8 0环管片处横断面稳定后 的沉降槽 和 第 1 6 8 5 1 8 0 5环隧道轴线上方地表在盾构推进到第 1 7 7 5环时的沉 降 维普资讯 河 海 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2 0 0 3年 9月 t 第 1 4 8 0环管片处隧道中心线埋深为 矗， 上覆 土层厚 1 9 m， 依次 为杂填土 ( o一2 m) 、 粉质粘 土( 21 4 3 所示 从图中可以看 出， 计算结果与实测沉 降不论是在量值上还是在沉 降槽分布上 ， 都存 在较大差异 图 4 显示 了用累积概率曲线预测隧道纵向第 1 6 8 51 8 0 5环在盾构推进 到第 1 7 7 5环 时的地 面沉 降 由此 可以看 出， 虽然累积概率曲线与实测 沉降在 分布形式上 比较接 近， 但 盾构开挖 面上方 的实测地 面沉 降并 不等 于 o 5 s 一 ， 而只在 o 2 s 左右 这说 明， 用累积概率曲线来预测盾构隧道纵向地面沉降分布将带来较大误差 圈 3 横 断面计算与实测 地面沉降 比较 3 c 唧 d 哪o f me a s u r e d a n d c a l c u l a t e d g r o u n d s u r f a c e s e t t l e me n t s al o n g t r a n s v e r s a l p r o fil e 3 公 式 改 进 圈 4 纵 向计算与实 测地面沉 降比较 f 4 o啪 _ of m e a s u r e d a n d alc t fla t e d g r o u nd set t l e me nt s a l o ng l on g i t ud i n al pr o me 上面的验证结果说明 ， 将这些公式直接应用于上海地 区的地铁盾构隧道将会产生较大误差 ， 因此需要通 过实测资料对公式进行改进 3 1 横向地面沉降分布计算公式 许多学者通过对实测资料的分析 ， 发现运用 p e c k公式描述地面沉降在隧道横 断面上 的分布是适宜 的 上面之所 以与实测数据存在很大差异 ， 是因为公式参数的取值不合理 ， 即不能反映上海地区的实际情况 为了更合理地确定适合上海地 区盾构隧道应用的 p eck 公式参数 ， 笔者对横断面的实测沉 降曲线进行拟 合 ， 由拟合 曲线得到沉降槽半宽度 i ， 并根据( 2 ) ， ( 3 ) 两式反算 出不同观测断面上的体积损失率 不同观测 断面沉降槽半宽度 i 及体积损失率 的统计情况如图 5所示 从 图中可 以看 出， 沉 降槽宽度 系数 k的取值 范围为 0 1 50 3 5 ， 体积损失率 的取值范围为 0 3 5 一0 7 0 0 - 3 5 0 - 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 0 5 0 1 4 8 0 1 5 3 0 1 5 8 0 1 63 0 1 6 8 0 1 7 3 0 1 7 8 0 1 8 3 0 1 8 8 0 1 9 3 0 观测断面对应环号 ( a ) 0 。 6 7 0 1 0 1 4 8 0 1 5 3 0 1 5 8 0 l 6 3 0 1 6 8 0 1 7 3 0 1 7 8 0 1 8 3 0 1 8 8 0 l 9 3 0 观测断面对应环号 ( b ) 圈 5 不 同观 测断面处 及 的统计 | l g 5 s t a t i s t i c a l y al l l e $o f t h e w i d t h e e e l l ki e n t o f se t t l e me n t u e u g h a n d r a t i e o f v e l u me t r k i e s s e s f o r d i ff e r e n t s e e t i o m 应用上面得到的 p eck公式参数取值范 围再次计算隧道在第 1 4 8 0环管片横断面上 的沉降 ， 沉降槽 宽度 系数 k取 o 2 5 ， 体积损失率 取 o 6 0 计算结果与实测数据的比较如图 3所示 从图中可以看 出， 应用修 正后的参数可以较好地预测横断面地面沉降分布 维普资讯 第 3 1 卷第 5期 沈培良， 等上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析 5 5 9 3 2 纵 向地面沉降分布计算公式 由于累积概率曲线存在难 以克服 的缺点 ， 即开挖面上方地表处 的沉降值总等于开挖面后方地面最大沉 降的 5 0 ， 而盾构法隧道开挖面上方地表处的沉降值一般 只有开挖面后 方最大地面沉 降的 2 0 左右 ， 这种 差异难 以通过调整参数的方法来减少 ， 因而有必要寻找一种更为合理的曲线形式来描述地面沉降沿隧道纵 向的分布 通过对大量 曲线形式的尝试 ， 发现用下面的曲线来拟合盾构隧道纵向地面沉 降是适宜的 s ( ， ， )- s 一 ( 5 ) 式中： ， ， c 沉降值等于 0 5 s 一 的点离开挖面的距离 ， m， 可通过公式 y 。 =一a d近似确定 ( d为盾构外径 ， m； 口取值在 2 5 3 5之间) ； n 曲线形状参数 ， 据对实测资料 的统计 ， n 取值在 0 0 50 1 5之间 用此曲线再次计算隧道第 1 6 8 51 8 0 5环轴线上方地面在盾构推进到第 1 7 7 5环时的沉降 ， 按上述确定范 围， n取 0 1 0 ， 口取 3 0 计算结果与实测沉降比较情况如图 4所示 可以看 出， 用本文建议 的曲线可以较好地 预测盾构隧道纵向地面沉 降分布 综上所述 ， 对于上海地区来讲 ， 隧道盾构施t _ j i 起 的地 面沉降 ， 横断面上可按 p e e k公式计算 ， 但参数 需 由 0 5 2 0 改为 0 3 5 0 7 0 ， 参数 需 由0 40 6改为 0 1 5 0 3 5 ； 而纵断面上宜改用式( 5 ) 4结 论 。 盾构隧道施t_ j i 起的地面沉降与隧道所处的地质条件盾构隧道施工工艺密切相关 ， 运用已有地面沉 降 计算经验公式 时， 参数的取值需要通过对相似地质条件下相似工程的实测资料的分析研究来获得 本文通过 对地铁盾构隧道实测地面沉 降的分析 ， 提 出了 p e e k公 式参数新 的取值范 围， 以及一 种描述盾构 隧道纵 向地 面沉降分布的新的曲线形式及其参数取值范围 ， 结果表明 ， 上述修改建议对于预测上海地区盾构隧道引起的 地面沉降槽是适宜的 参考文献 ： 1 p e c k r b d e e p e x c a 谢 o n 8 a n d t 咖 e l l i l1 g i n s o f t g r o u n d a i n ： l e e a l , g s o f t h e 7 t h i n t e r n a ti o n a l c o n f e r e n c e 0 1 1 s o l l b l e e lu m l e s a n d f o u n d a t i o n e 啦 魄r i g c b l e x i e o c i ty ： s o e i e d a d l l e x i e a n a d e b l e e a n l e a d e s u e l o ， a c ， 1 9 6 9 2 2 5 2 9 0 2 0 r e i l l y m p ， n e w b m s t l e lln e l ltt a b o v e t u n n e l s i n t h e u n i t e d k i n g d o m m t h e l r m a g n i t u d e a n d p r e d i c t i o n a i n j o n e s m j ， e d s p r o e t u n n e l i n g 8 2 s y m l u m c i l ltd o l lt ： i n s t i t u t i o n o f mi n i n g a n d b l e t a l l u r ， 1 9 8 2 1 7 3 1 8 1 3 a i i e we l l p b， wo o d m a n j p e r e d i c t g t h e d y n a ml e s o f g r o u n d s e t t l e m e n t a n d i t s d e ri v a ti v e s c a u s e d b y t 衄n e l i n g i n s o l l【 j j g r o u n d e n g i n e e r i i i g ， 1 9 8 2 ， 1 5 ( 8 ) ：1 3 2 0 ， 3 6 gr o u n d s e t t l e me n t d u e t o s h i e l d c o n s t r u c t i o n i n s h a n g h a i me t r o t u n n e l p r o j e c t s i t l lg n pld ha n g ，zi t ang m l i - l , o ，yi n zo n g - z e 2 ( 1 s h a n g h a i t u n n e l e n g i n e e r i n g c oi _, t d ，s h a n g h a i 2 0 0 0 3 2，c h i n a； 2 c , e o t e e h n c a r e s e a r c h i n s t i t u t e o fi -i o h a i u n i v ，l v a n 2 1 0 0 9 8 ，c h n a) abs t r a c t ： b a s e d 0 1 1 t h e me a s u r e d d a t a o f g r o u n d s e t t l e me n t d ue t o t h e s h i e l d d r i v i n g i n t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e p e a r l l i n e 0 ft h e s h a n g h a i me t r o f r o m t h e s o u t h p u d o n g s t a tio n t o t h e na n p u b r i d g e s t a t i o n， t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e e mp i r i c a l f o r mu l af o r s e t t l e me n t t r o u g h c a l c u l a t i o n t o t h e s h i e l d c o n s t r u c t i o n o f t h e s h a n g h a i me t r o i