砂卵石地层地铁盾构隧道施工地表沉降变化规律及影响因素

潘 勇，刘玉勇(.中铁一局集团有限公司，陕西西安 70054；.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 673)

砂卵石地层地铁盾构隧道施工地表沉降变化规律及影响因素

潘 勇1，刘玉勇2
(1.中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731)

文章通过分析成都地铁3号线、7号线区间盾构隧道的地表沉降监测数据，采用FLAC3D软件进行数值模拟计算，研究在砂卵石地层中盾构隧道地表沉降值的分布规律、盾构隧道掘进的主要影响范围及盾构掘进参数总推力、刀盘扭矩、出土量对地表沉降的影响规律，为盾构隧道施工和监测提出建议。

砂卵石地层；地铁；盾构隧道；地表沉降；监测

成都地铁区间隧道以盾构法施工为主，而盾构施工所引起的地表沉降会破坏隧道周边基础设施的基础以及地下管线和道路，影响公共设施，造成较大的经济损失，所以研究盾构施工引起的地表沉降变化规律具有十分重要的意义[1]，而在当前很多学者对地表沉降的规律也有一定的研究[2-7]。本文主要是分析成都地铁3号线、7号线的现场实测数据及数值模拟来研究在成都砂卵石地层中盾构施工在不同的盾构掘进参数条件下地表沉降的变化规律，以期为成都地铁盾构施工提供参考。

1 工程概况

成都地铁3号线一期工程土建工程起点为红牌楼南站，在成都军区总医院对面设一期工程终点站，共17站16区间；成都地铁7号线是一条环形线路，换乘站点多，位于成都市二、三环之间居住用地最密集地带，串联了火车北站、成都东客站(沙河堡)、火车南站三大交通枢纽，并与市区内几乎所有的轨道交通线有两次交汇，还将与多条市区外围放射状市域轨道交通线有一次交汇，共25站24区间，隧道埋深为11～25 m。

盾构区间穿过地层为砂卵石土地层，其特征为灰褐、黄褐等杂色，潮湿～饱和，松散，卵石约占50%～55 %，粒径约20～200 mm，夹少量圆砾，余为中、细砂充填。

盾构隧道施工监测的地表沉降监测测点布设原则：沿隧道走向每5 m布设一个测点，每30 m布设一个横向监测断面，横向监测断面内从隧道中线向外每3 m布设一个测点(图1)。

图1 地表沉降监测点

2 地表沉降累计值的分布规律

将成都地铁3号线、7号线的共12 289个测点的地表沉降监测数据采用两种方式进行统计：第一种按不同沉降值大小的分布区间进行分类统计(表1)；第二种按发生沉降的监测测点到隧道中线的距离进行分类统计(表2)。

表1 按地表沉降累计值大小分段统计

表2 按监测测点到隧道中线的距离对地表沉降累计值分类统计

备注：距离为12 m、15 m、18 m的测点包括左右线盾构掘进时，先掘进隧道受后掘进隧道的影响。

从表1可以看出，96.5 %的测点地表沉降累计值小于18 mm，在地质情况较差、特殊地段、盾构出渣量超方较大时，地表的沉降将会高于18 mm，此时对周边环境会产生一定影响，通过及时预警提醒，施工单位及时加固处理，消除安全隐患，确保周边环境安全。

从表2可以看出，扣除左右线隧道距离较近先掘进隧道受后掘进隧道影响的测点，在盾构隧道掘进过程中，地表产生沉降的测点主要分布在距离隧道中线9 m的范围内，即在砂卵石地层中盾构隧道施工的主要影响区分布在隧道中线两侧9 m宽的范围。

3 盾构掘进参数对地表沉降的影响

3.1 总推力和地表沉降的关系

从图2可知盾构机总推力增大，地表沉降减小，但总推力也不能太大，否则土体在盾构机挤压下导致地面隆起产生安全问题。

图2 总推力与地表沉降的关系曲线

3.2 刀盘扭矩和地表沉降的关系

由图3可知，刀盘扭矩对于地表沉降有很明显的影响，刀盘扭矩增大时，地表沉降增大。

图3 刀盘扭矩与地表沉降的关系曲线

3.3 出土量与隧道中线地表沉降的关系

由图4可知，盾构机直径为6 m，不计算松方系数时每环进尺1.5 m，体积为42.4 m3，出土量越大超方越多，地层损失也就越大，地表沉降值也越大，严重时将出现地表塌陷的险情。

图4 出土量与隧道中线地表沉降的关系曲线

综上所述，盾构施工地表沉降的大小取决于隧道的工程地质条件和盾构的掘进参数，其中盾构的掘进参数包括刀盘扭矩、总推力、出渣量等，在施工过程中，可以通过调整盾构掘进参数来控制地表沉降。

4 数值模拟

模型尺寸及边界条件：模型宽度x轴方向取10D，掘进方向y轴方向取5D，隧道埋深z轴方向取6D，D为盾构直径；模型的边界条件为在x轴上，对模型的右边界和左边界施加水平方向的约束；在y轴上，对模型的前边界和后边界施加掘进方向的约束；在z轴上，模型顶端为地面，不施加约束，模型底端施加约束[8-11]。采用shell衬砌单元，来模拟管片，并考虑同步注浆的效果，同时在第二步之后考虑浆液硬化的效果，每一步计算收敛后再进行下一步，直到将模型隧道贯通。

材料参数：盾构区间支护管片的混凝土等级为C50，厚度30 cm，宽度1.5 m(表3)。

表3 材料参数

建立模型如图5所示。

图5 计算模型

由图6可知，比较数值分析的结果和现场实测数据发现，地表沉降值大小和变化规律以及盾构隧道施工引起的沉降槽的范围基本一致。

图6 模拟计算与现场实测的地表沉降值对比

5 结论及建议

(1)砂卵石地层盾构隧道96.5 %的测点其地表沉降值小于18 mm，施工监测预警控制值可设为18 mm。

(2)在成都地铁3号线、7号线隧道埋深为11～25 m的条件下，砂卵石地层盾构隧道施工的主要影响区为隧道中线两侧9 m宽的范围。

(3)盾构总推力增大，地表沉降值会减小，有利于控制地面沉降。

(4)盾构出土量超方越大，地表沉降值越大，严重时会出现塌方。

(5)应根据施工监测提供的数据及时调整盾构掘进参数，控制盾构施工过程中产生的地表沉降，做到信息化施工，防止地面塌陷等险情发生。

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潘勇(1980～)，男，本科，工程师，从事长大线路工程测量与控制、研究等方面的工作；刘玉勇(1980～)，男，硕士研究生，高级工程师，从事隧道及地下工程科研、咨询及监测等方面的工作。

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[定稿日期]2016-11-22