城市地铁盾构法施工对地表横向沉降范围的研究

马小龙

摘要：在城市地铁施工中，盾构法作为地铁区间隧道的主要施工方法使用非常广泛，盾构法具有掘进速度快、自动化作业、不受环境天气外在因素影响等优点，但对隧道上方一定范围内的地表沉陷尚未完全防止，为了确定盾构施工的横向影响范围，以西安地铁为工程背景，对盾构施工引起的横向沉降槽宽度进行了分析。同时也对国内沉降槽宽度系数的计算公式提供参考数据。

关键词：城市地铁;盾构;地面沉降;沉降槽宽度。

引言

随着盾构施工技术的不断发展与进步，盾构工法因其具有机械化程度高、掘进速度快、开挖扰动小等特点逐渐取代明挖、暗挖等工法，成为地铁区间隧道的主要施工方法。但是盾构在推进的过程中对隧道上方一定范围内的地表沉陷尚未完全防止，特别是在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉降限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。而土体横向沉降槽影响范围是盾构施工安全风险控制的关键问题之一，能为盾构施工监测范围以及加固范围提供一定的依据。

我国很多学者对地铁盾构引起的横向沉降槽进行了研究，针对横向沉降槽宽度系数提出了很多计算方法，也收集了许多工程实例，但大多数都是参考的南方城市相关工程实验数据，北方的相关参数少之又少。

本次以西安地铁为工程北京，通过数据进行曲线拟合，实测隧道开挖后最终地表沉降槽宽度，与Peck公式预测值进行比较，为北方区域盾构引起的沉降槽宽度系数计算公式的取值范围提供参考。

一 现场试验

工程概况

西安某地铁工程区间采用盾构法施工，隧道埋深约16m～20左右，结构断面为圆形，隧道洞泾6m，盾构隧道上部覆土主要为杂填土、中砂、细沙、粉砂，盾构隧道穿越地层主要为中砂、粉质黏土。地下水属冲积层孔隙潜水，潜水含水层为冲积砂土，富水性极强，水位埋深5.8～14m。

试验段选择与测点布设，

选取该区间单线隧道450环至500环为试验段，长度约150米，穿越地层主要为中砂、粉质粘土。在隧道上方沿轴线方向间距5米布设地面沉降点，横向布设监测断面，断面间距5m，每个断面布设16个地面沉降点，点间距5m。测点采用造孔埋深的方式，为了保证测点与原状土充分结合，在测点与原状土结合部位浇筑素混凝土，形成固块。

根据不同地层因素，地面沉降反应时间大约在盾构穿越后12h～48h内，故在盾构到达前进行初始值采集，盾构过程中1天采集1次，盾构穿越后继续观测3天。

二 地表沉降槽宽度计算方法

目前沉降槽描述应用最广泛的方法为Peck公式，于1969年假设隧道上方地表沉降满足正态分布规律，从而提出隧道开挖诱发地表沉降的Peck公式，其公式：

公式中：为距离隧道中线x处的地表沉降量（mm），为隧道中心正上方的沉降量（mm），x为距离隧道中线的距离（m），i为沉降槽宽度系数（m）。

i为沉降槽宽度系数，与隧道埋深与尺寸因素相关，O’Reilly，New（1982）提出i=K，其中K值暂时参考西北黄土地区（地层：均匀密至黄土）0.41。

其中沉降槽宽度与沉降槽宽度系数呈倍数关系，当沉降槽宽度为6i时，即距隧道轴向水平距离为3i，该处沉降S=0.0011。当沉降槽宽度为5i时，即距隧道轴向水平距离为2.5i，该处沉降S=0.0044。

三 数据分析

以盾构到达3天之前采取点位初始值，初始值采取2次。在盾构穿越后，继续采集3天，然后以位移稳定后测点数据为基础，对各测点所形成的沉降进行曲线拟合，绘制曲线图如下：

从以上图表可以看出，盾构轴线正上方为沉降最大的位置，其沉降趋势与Peck公式预测值基本相同，都类似于正态分布曲线的形式。其中剔除因为点位布设质量造成的数据误差，可以看出盾构上方的沉降趋势在距轴线15m内变化比较急剧，然后再15m至25m开始趋于平缓，最后在距轴线25m外开始消失。

根据第二章：沉降槽宽度=2.5i=2.5K，其中为16m～20m，沉降槽的宽度在16.4m～20.5m范围内，与实测值基本吻合。其K值可以取0.41～0.5。

从上图还可以分析出，隧道埋深的不同其沉降槽宽度也有些轻微不同，比较1断面与4断面的沉降槽曲线图，4断面沉降槽的宽度略微大于1断面。

四 结论

地铁开挖时，影响地表沉降的因素太多，如果需要客观的分析沉降槽宽度计算计算公式中相关参数的选择，还需要采集更多工程的经验数据，通过本次数据与预测值相比较，得出以下结论：

（1）地铁盾构引起的沉降最大值存在于隧道轴线所对应的地表处，越往隧道軸线两边其沉降越小。主要发生在于距轴线水平距离为2i范围内，该范围内的沉降趋势比较明显，其沉降量变化也比较巨大。次要影响区发生在2i～2.5i内，沉降趋势基本缓和，沉降量较小。

（2）此研究只适应于我国西北黄土地区，其K值的选取还需经大量实测工程经验来确定。

（3）盾构法隧道沉降槽宽度影响因素包括地层特性、地下水含量、隧道埋深、隧道尺寸等，针对隧道埋深大于3倍洞径的情况还需深入研究。

五 参考文献

[1]《给予Peck公式的地铁沉降预测计算分析》 李伟科，陈香波，彭浩，李健津，秦泳生。

[2]《盾构施工引起横向沉降槽宽度分析》 潘茁，江玉生，葛振义 《科学技术与工程》Vol.15 No.28 Oct.2015