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第 22 卷 第 8 期 岩石力学与工程学报 22 8 1297 1301 2003 年 8 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug 2003 2002 年 9 月 4 日收到初稿 2002 年 11 月 8 日收到修改稿 作者 刘招伟 简介 男 1962 年生 现任教授级高级工程师 中铁隧道集团科研所所长 中国地质大学博士研究生 主要从事隧道与地下工程方面 的科研和管理工作 地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析 刘招伟 1 2 王梦恕2 董新平2 1中国地质大学工程技术学院 北京 100083 2中铁隧道集团有限公司 洛阳 471009 摘要摘要 以广州地铁二号线某区间隧道为背景 介绍了盾构法施工引起的地表沉降的分析方法 结合现场监测结果 的对比分析 总结了地表沉降规律 对后续工程施工具有指导意义 关键词关键词 隧道工程 盾构法施工 地表沉降 现场监测 有限元法 分类号分类号 U 455 4 U 231 3 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000 6915 2003 08 1297 05 ANALYSIS ON GROUND SURFACE SUBSIDENCE OF METRO TUNNEL INDUCED BY SHIELD CONSTRUCTION Liu Zhaowei1 2 Wang Mengshu2 Dong Xinping2 1Engineering Institute of China University of Geology Beijing 10083 China 2China Railway Tunnel Group Co Ltd Luoyang 471009 China Abstract On the basis of a certain section of tunnel of line No 2 of Guangzhou Metro the analysis method is presented on ground surface subsidence induced by shield construction By combining the analysis and comparison of the site measurement results the surface subsidence patterns are summarized and they have guiding significance for the construction in the future Key words tunneling engineering shield construction ground surface subsidence site monitoring FEM 1 绪绪 论论 盾构法施工已成为我国城市地铁隧道施工中一 种重要的施工方法 同其他施工方法一样 由施工 引起的地表沉降及对周围环境的影响是盾构法施工 的一个重要问题 虽然围绕这一问题已做了不少的 研究工作 1 4 但由于地质条件的复杂多变及施工 参数的变化 使得研究成果具有一定的局限性 本 文针对广州地铁二号线某区间隧道工程 主要研究 因开挖 地层损失 地下水位下降等原因引起的地 表沉降 通过对施工过程中现场监测结果的统计分 析 并结合有限元计算结果对比分析 得出盾构法 施工引起的地表沉降规律 为后续工程的设计与施 工积累经验 广州地铁二号线某区间隧道为双线隧道 覆土 厚度为 9 28 m 地层条件见地质剖面图 1 地下水在地面以下 0 2 8 m 采用德国海瑞克 公司生产的土压平衡复合式盾构机施工 隧道衬砌 采用钢筋混凝土管片衬砌一次成型 管片拼装采用 5 1 楔形块 错缝拼装 管片接缝采用膨胀胶止 水条 2 现场监测结果与分析现场监测结果与分析 2 1 地表沉降测点布设地表沉降测点布设 施工过程中 在左 右线隧道上方地表沿隧道 中线每 5 8 m 布置一个地表测点 同时 在左 右 线每 30 m 左右在地面环境允许的位置布设一横断 面 了解盾构掘进引起的沉降槽宽度 沉降坡度等 1298 岩石力学与工程学报 2003年 图 1 地质剖面图 Fig 1 Longitudinal geological profile 为了解地下水位的变化 分别在隧道两侧布设水位 孔 孔底低于隧道仰拱 2 2 地表沉降监测结果分析地表沉降监测结果分析 隧道上覆地层主要有人工填土层 1 淤泥及淤 泥质土层 2 1 冲积 洪积土层 4 残积土层 5 1 和 5 2 岩石全风化带 6 及强风化带 7 等地层 参 见地质剖面图 1 2 2 1 纵向地表沉降 纵向地表沉降监测结果见图 2 4 对实测沉降 曲线图 2 4 的分析可以得出如下结论 1 地质条件与沉降大小密切相关 相对软弱 稳定性差的地层 地表沉降量大 中风化地层 8 自 稳性较好 即使采用敞开模式开挖 其地表沉降值 也仅为 5 mm 左右 最大值为 22 mm 而在强风化 图 2 隧道纵向地表沉降曲线图 Fig 2 Longitudinal surface subsidence curve 图 3 地表沉降与注浆填充率 n 的关系 Fig 3 Relation between surface subsidence and back fill grouting ratio n 图 4 地表沉降与土仓压力的关系 Fig 4 Relation between surface subsidence and excavation chamber pressure 地层 7 和全风化地层 6 中 虽然采用了有利于控制 沉降的土压平衡模式开挖 其沉降均值仍达到 15 20 mm 最大值甚至超过 60 mm 2 调整即时注浆参数是控制沉降的关键 中 风化地层 8 中 即时注浆填充率 n 小于 1 时 即注浆 量不足 地表有 10 mm 沉降 最大值约 24 mm n 在 1 1 左右时 地表沉降很小 一般不超过 5 mm 1 0 n 1 2 沉降 mm 80 60 20 40 0 n 1 0 地层 8 地层 6 7 1 2 n 1 4 地层 7 5 n 1 4 666 DK17 691 5 672 560 655 544 226 里程 464 500 436 315 299 273 58 155 90 42 DK16 950 注浆填 充率 n 沉降 mm 558 DK17 651 627 591 291 291 363 928 DK16 961 126 225 192 159 93 9 27 60 382 423 456 327 522 489 796 829 862 895 纵向地表沉降填充率数 40 60 70 50 20 30 10 0 3 1 2 里程 80 纵向地表沉降土仓压力 p3 里程 0 0 862 地层 8 3 土仓压力 MPa 40 地层 8 3 60 地层 6 7 447 DK17 672 20 537 492 627 582 DK16 997 117 177 357 312 267 417 222 42 952 110 80 907 794 845 842 840 0 4 0 2 沉降 mm DK17 694 5 隧道起点里程 20 10 15 5 0 5 1 地层厚度 m 4 5 2 7 8 9 5 2 8 6 5 1 9 7 7 3 2 1 5 1 4 2 1 2 1 5 1 6 6 6 8 7 6 5 2 9 8 6 4 8 9 7 火车站 1 隧道终点里程 DK16 646 3 5 1 5 2 2 1 5 2 4 三元里站 地下水位线 残积土层 可塑 稍密 残积土层 硬塑 中密 人工填土层 淤泥及淤泥质土层 2 1 1 4 3 2 冲积 洪积土层 冲积 洪积砂层 5 1 5 2 岩石中风化带 岩石微风化带 6 7 岩石全风化带 岩石强风化带 9 8 杂填土 素填土 粉质粘土 淤泥质土 含砾粉砂岩 含砾 细 砂岩 粉土 砾岩 粗砂岩 泥质粉砂岩 粉砂质泥岩 断裂破碎带 第 22 卷 第 8 期 刘招伟等 地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析 1299 强风化地层 7 和全风化地层 6 中 注浆填充率 n 小 于 1 4 时 地表沉降为 20 30 mm 最大值不超过 60 mm n 大于 1 4 时 沉降值在 5 mm 左右 即地 表沉降得到了很好的控制 3 修正盾构掘进参数 土仓压力 建立有效的 土压平衡 是控制地层损失 减小地层变位的有效 手段 由图 4 可知 盾构始发阶段 土仓压力从 0 开始逐渐增加 在这一阶段 土仓压力未能与盾构 前方地层的侧土压力建立平衡 因而地层损失大 地表沉降也大 最大值为 24 mm 在中风化地层 8 和强风化地层 7 全风化地层 6 交界处 由于地层 条件改变 埋深增大 相应的盾构前方地层侧土压 力增加较多 但土仓压力却在减小 不能建立起有 效的土压平衡 使地层损失很大 地表沉降达到了 60 mm 以上 其后 土仓压力在调整到位建立平衡 后 沉降减小到 22 mm 左右 2 2 2 横向地表沉降 不同地层的地表横向沉陷槽如图 5 中风化地层 8 图 6 全风化地层 6 强风化地层 7 所示 图 5 DK17 436 断面横向地表沉降实测曲线图 Fig 5 Curve of measured traverse surface subsidence on cross section DK17 436 图 6 DK17 305 断面横向地表沉降实测曲线图 Fig 6 Curve of measured traverse surface subsidence on cross section DK17 305 实测沉降结果表明 1 地层条件是判断盾构掘进对地层影响程度 的关键 在自稳性好的地层中 盾构掘进对地表影 响小 反之则相反 中风化地层 8 中 地表最大沉 降为 4 2 mm 影响范围在距隧道中线 15 m 左右 对地表影响较小 在全风化地层 6 和强风化地层 7 地表沉降增大 最大地表沉降达 16 8 mm 且 沉降范围增大到距隧道中线 30 m 左右 2 盾构掘进主要影响区域在隧道轴线 6 m 范 围内 沉降曲线沿线路中心不对称分布 最大沉降 发生在线路中心 在距隧道轴线 3 m 范围内 沉降 槽体积占总体积的 70 其沉降平均值在中风化和 全风化地层中分别为 2 8 和 14 mm 是最大沉降值 的 66 7 和 83 3 这一范围是沉降最大区域 约 1 倍洞径 对地表影响最大 在距隧道轴线 3 6 m 中风化和全风化地层中沉降均值分别为 2 和 10 mm 是最大沉降值的 47 6 和 59 5 这一范围是 次要沉降区域 3 在软弱地层中 后建隧道 左线 掘进对地表 沉降影响较大 对于右线轴线地表沉降 在中风化 地层 8 中 左线掘进时引起的沉降值占总沉降值的 17 左线掘进影响小 而全风化地层 6 和强风化 地层 7 中 左线掘进沉降引起的沉降值占总沉降的 25 以上 部分地段甚至达到 50 沉降曲线见图 7 左线掘进影响很大 图 7 地表测点距盾口距离 沉降实测曲线图 Fig 7 Distance between surface measurement points of shield machine and curve of actual measured subsidence 4 盾构通过和盾尾脱出后沉降是控制沉降的 关键阶段 由图 7 可知 盾构通过和盾尾脱出阶段 地表沉降值和沉降速率都较大 中风化地层 8 中 盾构通过和盾尾脱出阶段地表沉降值分别为 0 5 和 1 0 mm 是地表总沉降值的 17 和 34 4 全风化 地层 6 和强风化地层 7 盾构通过和盾尾脱出阶段 地表沉降值分别为 4 2 和 7 1 mm 约为地表沉降值 的 24 和 41 最大沉降速率为 2 2 和 4 0 mm d 以上说明 盾构通过和盾尾脱出是沉降的主要阶 段 5 水位实测显示 对于土压平衡模式 盾构 沉降 mm 5 4 24 1 3 2 29 0 与隧道中线距离 m 15 19 16 0 5 8 158 5 左线 中线 右线 中线 32 27 22 1815 9 3 0 0 4 8 12 16 20 沉降 mm 左线 中线 右线 中线 与隧道右线中线距离 m 盾构切口距测点距离 m 80 地层 6 7 中沉降 地层 8 中沉降 200204060 16 14 沉降 mm 6 12 10 8 2 4 0 右线单独掘进影响 100 120 140 160 左线盾构切口 过测点 2 m 左线影响 180 1300 岩石力学与工程学报 2003年 到达和通过时 地下水位上升 0 3 m 左右 盾尾通 过后 由于孔隙水压力消散 地下水位下降 与原 水位相比 水位下降 0 11 m 后受左线涌水影响 水位下降 3 m 左右 对于敞开模式 地下水位始终 呈下降趋势 地下水损失较大 个别地段水位最大 下降 13 3 m 虽然最终水位得到恢复 但地下水位 下降对地表沉降有一定影响 因此 在施工过程中 必须严格控制隧道涌水 在地下水富集 水压力比 较大的地段 必须采用土压平衡模式 3 地表沉降的有限元计算与分析地表沉降的有限元计算与分析 3 1 计算模型及计算参数计算模型及计算参数 采用大型通用有限元程序 ANSYS 计算 岩土 的力学参数见表 1 表表 1 岩土主要物理力学参数岩土主要物理力学参数 Table 1 Major physico mechanical parameters of ground 岩土 分层 岩土 名称 压缩模量 Es MPa 粘聚力 c kPa 内摩擦角 泊松比 1 人工填土层 2 淤泥质土层 7 50 6 53 10 6 0 42 3 2 冲积 洪积砂层 0 25 4 冲积 洪积土层 5 16 34 9 14 1 0 30 5 2 残积土层 4 32 40 0 17 3 0 28 6 岩石全风化带 3 93 37 0 16 7 0 25 管片的力学参数按 混凝土结构设计规范 GBJ1 89 选取 其中 弹性模量 E 取 3 15 104 MPa 对力学效应采用了三维计算模型 计算范围为 长为 75 m 宽为 30 m 隧道自距边界 15 m 处开挖 以避免边界效应 盾构从起始开挖 1 5 m 为工况 1 工况 1 一环管片为工况 2 工况 2 开挖 1 5 m 为工 况 3 再安装一环管片为工况 4 每次开挖 1 5 m 以此循环 直至开挖长度和安装管片达 30 m 时作为 最终工况 对固结沉降分析 因沉降相对滞后 应 力及位移分布基本呈平面状态 因此 分析时采用 平面应变模型 此外 固结沉降采用 Biot 固结方程 3 2 地表最大沉降值地表最大沉降值 地表最大沉降值是施工中最为关心的控制指标 之一 本文用三维方法对测点数据比较完整的 R1 和 L1测点进行了计算分析 图 8 9 所示分别为 R1 L1测点地表沉降达最大值时 沿隧道左 右线中线 分布情况 盾构掘进引起的 R1的地表最大沉降值为 4 69 mm 实测结果为3 4 mm L1测点的地表最大沉 降值为 8 7 mm 实测结果为 10 8 mm 地表最大沉 降值计算中 土质参数 E 对计算的影响非常大 由 于土层被扰动 结构遭到破坏 岩土的变形系数和 强度都有显著降低 因此 计算中采用的参数应进 行适当的折减 依据日本盾构有关计算资料 折减 情况一般根据现场进行孔内水平荷载试验测出的弹 模按 50 折减 计算得到的沉降槽形态与实际的沉 降情况相符 图 8 R1测点对应右线中线纵向沉降分布图 Fig 8 Distribution of longitudinal surface subsidence at point R1 图 9 L1测点对应左线中线纵向沉降分布图 Fig 9 Distribution of longitudinal surface subsidence at point L1 3 3 地表沉降横向分布规律地表沉降横向分布规律 将典型横断面 z 54 m 处的地表沉降绘于图 10 中 隧道开挖从 z 75 m 处开始开挖 至 z 45 m 处 结束 并把 Peck 曲线 沉陷槽宽度 m 系数分别为 i 6 0 和 9 5 m 时的实测回归值 一同绘出 可以看 图 10 z 54 m 处 R1 测点地表的横断面沉降及 Peck 曲线 Fig 10 Sectional surface subsidence and Peck curves at position z 54 m of point R1 4 686 隧道纵向位置 m 400 2030 工作面位置 3 16 0 98 1 2 3 4 5 沉降 mm 2 4 6 8 10 沉降 mm 8 733 隧道纵向位置 m 450 1525 工作面位置 4 43 2 12 与开挖面距离 m 0 0 1 2 4 3 沉降 m 1 51015 20 25 30 计算值 i 9 5 i 6 0 第 22 卷 第 8 期 刘招伟等 地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析 1301 出 当沉陷槽宽度系数取 6 0 m 时 Peck 曲线与计 算的沉陷曲线吻合较好 或者说 经适当对沉陷槽 宽度系数予以折减后 计算得到的沉降槽形态与实 际的沉降情况基本相符 3 4 地表沉降纵向分布规律地表沉降纵向分布规律 图 11 所示为开挖至 z 45 m 时 隧道中线纵向 沉降曲线 由图可以看出 隧道影响距离基本在 15 m 左右 图 12 所示为对应测点 R1沉降随隧道向 前推进的变化过程 当掌子面距测点距离约 13 m 左右时 沉降速率显著减慢 说明隧道的开挖对测 点沉降的影响已经很小 上述计算结果与这一实测 结果是十分吻合的 图 11 隧道中线纵向沉降曲线 掌子面位置 z 45 m Fig 11 Curve of longitudinal subsidence on tunnel center line face position with z 45 m 图 12 测点 R1沉降随隧道向前推进的变化 Fig 12 Variation of subsidence of point R1 with tunnel driving 3 5 固结沉降固结沉降 在本计算中 假定地下水位下降 2 m 实测值为 2 8 m 对 L1测点 计算所得的地表最大沉降为 2 mm 对地表的沉降有不可忽视的影响 4 结结 论论 本文通过对广州地铁二号线某区间隧道盾构施 工过程中的地表沉降的现场监测及有限元分析 得 出以下几点主要结论 1 盾构施工引起的地表沉降是由多种因素产 生的 它既与地层情况 土 岩