武汉地铁2号线盾构施工对地表沉降影响分析
武汉地铁2号线盾构施工对地表沉降影响分析
【摘要】对武汉地铁2号线盾构掘进施工过程中地表沉降监测数据统计，并根据Peck理论进行拟合对比分析，得到盾构施工引起纵横断面地表沉降的特点:纵向上，盾构机切口前30m以内和后50m以内为影响区域，其中又以切口后50m为显著影响区，盾构通过该区域产生的沉降占总沉降量的80%～90%，盾构对某断面上影响范围在沿盾构中心轴线向左右两侧延伸10～18m;对武汉粉质黏土夹粉土粉砂层，盾构掘进引起的地表沉降数据累计变化控制指标宜为－40mm，盾构机切口通过监测断面6～20m范围内单次平均变化速率控制值宜为－15mm/d。
【关键词】地铁;盾构施工;地表沉降;Peck公式
武汉汉口地区工程地质、水文地质非常复杂，既有深厚软土，又有粉土、粉砂、互层及承压水的影响。在此种地质条件下进行地铁盾构施工，对变形控制有更加严格的要求。本文结合Peck理论对武汉地区盾构施工引起地表沉降变化情况进行初步分析，以期得到适用于武汉特殊地质情况下盾构施工对地表扰动的沉降控制标准。
1、工程概况
武汉地铁2号线一期工程某区间位于汉口，线路周边各种建筑物密集、地下管线密布，场地地貌为长江北岸冲积I级阶地。盾构起讫里程为:CK4右+743.906～CK5右+758.399，右线长1 014.493m，左线长1 017.576m，总长2 032.069m。区间设一个联络通道，与泵房合建，里程为:CK5(右)+220.000;设有2个平面曲线，最小曲线半径700m，线间距12～15m。线路最大纵坡坡度14‰，最小坡度2‰，区间结构平均覆土厚度约11m。
该区间隧道为外径6m、内径5.4m、管片拼装衬砌的单洞圆形隧道，管片环宽1.5m，管片采用C50，P12混凝土。
区间左线掘进采用新购法国维尔特EPB盾构机，开挖直径6 280mm，护盾直径6 262mm，主机长9.5m，整机长约77m，盾构及后配套总重450t(主机约300t)，最小转弯半径250m，最大坡度35‰，整机使用寿命10km。
2、水文地质条件
盾构区间地层物理力学指标如表1所示。盾构隧道掘进地层主要在③4，③5层。地层静止水位埋深3.8m左右，且与长江、汉江有较密切的水系联系，整个盾构施工全部在地下水位以下。
3、地表沉降监测方法
3.1监测点布置
隧道纵向上沿中心轴线每隔20m布设一个监测断面;横向上，每个断面沿轴线中心点向两边每隔3m布设一个监测点，共5个。为减小路面结构对观测效果的影响，所有沉降监测点均埋设于原状土层内，由套管保护至地面。监测点埋深约1.5m，到原状土为止。
3.2监测方案
布设于中心轴线横断面上的监测点用于了解盾构施工对地面的影响范围，确定横向沉降槽曲线。现场每天跟踪监测范围是盾构前30m、后50m，以及时了解盾构施工引起的地表沉降，调整盾构掘进参数;了解土体固结引起的地层损失以及后期的沉降趋势。地表沉降监测采用
AT-G2精密水准仪，测量精度为0.03mm。
4、监测结果分析
4.1单个测点
4.1.1纵向影响范围
各个监测断面地表沉降如图1所示，典型断面的监测数据如表2所示。
经分析，盾构施工引发地表沉降过程可以根据沉降监测结果划分为如下阶段。
1)盾构到达前较远处盾构距离监测断面20～30m外时，沉降主要为因盾构施工对土层的轻微扰动、路面车辆活荷载碾压以及地下水位下降引起的固结沉降。
2)盾构到达前较近处盾构距离监测断面20～30m时，因盾构推力对土体扰动影响的进一步加大、地下水位变化、开挖面塌落、施工参数(如土压、推力等)变化等多方面因素影响，地表产生轻微沉降或隆起。
3)盾构掘进阶段盾构切口通过直到盾尾经过观测断面0～50m时，因盾构主体脱出，浆液未及时充填、同步注浆量不足、施工中土体应力状态变化较大等多种因素引起地层损失，这是盾构施工过程中产生地表沉降最主要的组成部分。
4)固结沉降阶段由于盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素，土体骨架还会发生持续较长的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为固结沉降。
根据监测数据统计，在汉口地区地质情况下，各阶段产生的地表沉降量所占的比重分别为:盾构到达前较远处产生沉降仅占总沉降量的0.5%～2%;盾构到达前较近处占总沉降量的5%～10%;盾构掘进阶段占总沉降量的80%～90%;后续固结沉降阶段占总沉降量的1%～5%。4.1.2横向影响范围
通过研究该区间隧道现场监测数据，并根据Peck公式对典型断面进行曲线拟合(见图2)。假设断面监测点沉降变化量>1mm/d时可以认为盾构对此点以外的影响忽略不计，通过对众多断面监测值统计分析，沿盾构中心轴线两侧，盾构对横断面的影响范围为10～18m。
4.2测点最大沉降量与盾构中心埋深之间的关系
最大沉降量的Peck理论计算公式:
式中:S max为最大沉降量(m);V1为单位长度土层损失量(m3/m);i为曲线反弯点离隧道中心的距离(m)，亦称为沉降槽宽度系数。
根据工程实测数值总结的i计算公式：
式中:H为覆土厚度(m);R为盾构隧道半径(m)。
通过理论计算和现场实测，得到覆土厚度与理论最大沉降量间关系曲线如图3所示。
由图3可以看出，理论计算与现场实测结果均表明隧道埋置越深，其上覆土的最大沉降量越小，这与相关研究成果吻合。说明汉口地区土质情况较符合这一规律。
4.3沉降日变化量与断面到盾构切口距离的关系
选取各监测断面变化速率最大测点———盾构轴线中心点处监测点，根据该点和盾构切口距
离该点的距离绘制散点图(见图4)。可以看出，单次日变化量(变化速率)最大的点集中在距离盾构刀盘切口处6～20m。图中有两个异常点，A点是因为注浆系统出现问题，盾构施工后注浆未及时跟进，引起过大沉降，B点是A点异常发生次日的延续。同时，根据监测数据，盾构切口通过监测断面6～20m范围内得到各监测点单日变化速率平均值为－16.279mm/d(仅计算中心轴线上监测点)。
4.4盾构轴线最大沉降值与盾构注浆量关系
对盾构轴线处地表最大沉降值和盾尾脱离对应断面时同步注浆量(建筑空隙的倍数)进行统计，如图5所示。同步注浆浆液为惰性单浆液。
通过图5可以看出，最大沉降量－40～10mm，超过此范围的均为数据异常点。据此可以确定最大沉降控制值－40～10mm。
盾构的同步注浆量与轴线地表沉降有非常明显的相关性，一般来讲同步注浆量越大，盾构与隧道管片之间的建筑空隙越容易被填充，地层损失量就越小，地表沉降就越小;但过大的注浆量及注浆压力不但不经济，还容易将盾尾的密封刷击穿引起工程事故，因此最优的注浆量并不是越大越好。在武汉的粉质黏土层中，注浆量大部分为150%～300%，最理想经济的注浆量应该为200%，这时地表沉降大概为－25mm。
5、结语
1)盾构切口前30m以外和后50m以外的区域为基本无影响区域，地表沉降基本可以忽略;盾构切口前30m以内和后50m以内为影响区域，其中又以切口后50m为显著影响区，盾构通过该区域产生的沉降占总沉降量的80%～90%。
2)盾构对其断面横向影响范围表现为，盾构对某断面上沿盾构中心轴线向左右两侧延伸10～18m，此范围外地表沉降累计量远小于1mm，近似认为超过此范围后盾构对其无影响。
3)根据Peck公式，结合该区间隧道盾构掘进土层性质，计算理论最大沉降值，可以看出盾构对断面地表沉降影响随盾构中心埋深增大而减小。现场实测数据也符合这一规律。
4)根据盾构纵向影响范围，地表沉降的监测区域应该为切口前30m和切口后50m，考虑到环宽为1.5m，建议4环即6m设一个纵向地表沉降监测点;根据盾构横向影响范围，应在盾构中心轴线向左右各13m内布设监测点，建议隔3，3，7m设一个监测点，每个断面共设7个点。
5)按照该区间现场实测监测数据的统计规律，建议对粉质黏土夹粉土粉砂层，盾构掘进引起的地表沉降数据累计变化控制指标为－40～10mm;盾构切口通过监测断面6～20m单次平均量(变化速率)控制值为－15mm/d。
6)武汉粉质黏土、粉土或粉质黏土粉砂夹层地层，最优的地铁盾构注浆量为200%，这时地表沉降基本能控制在25mm以内。
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文章来源：《施工技术》原作者：冯虎张文成