广州地铁2号线区间隧道盾构施工引起的地面沉降规律分析
【提 要】：本文对广州地铁2号线赤—鹭区间盾构隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，探讨了盾构施工过程地表沉降规律及其影响范围和程度，包括沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律、沉降量概率分布的统计分析等，并用数学函数加以表达。研究结果对今后类似工程施工过程的隧道周边建（构）筑物的保护，施工参数的优化以及工程的顺利实施具有参考价值。
【关键词】：地铁盾构沉降统计
Abstract: Analysis of monitored ground settlement data upon shield driving at Chi Lu running section, Guangzhou Metro No.2 line, to make an approach to ground settlement mechanism during shield driving and its affected scope and extent, including settlement trough distribution pattern, settlement vs time graphic, settlement probability distribution, and other statistical analyses, expressed in mathematical functions, the resulting findings could be referenced for peripheral buildings/structures protection of similar construction sites, optimization of construction parameters and smooth execution of similar projects.
Keywords: Metro, shield, ground settlement, statistics.
1 引言
地铁交通在我国正处于发展阶段，由于盾构施工法的安全性和先进性，盾构技术在城市地铁隧道施工中得到越来越广泛的应用。目前，我国采用盾构技术修建地铁的城市主要有：上海、北京、广州、深圳、南京、杭州、成都等，广州是国内地铁盾构隧道发展最快的城市之一。
由于地铁隧道多位于城市中心繁华地带，地下管线和地面建筑物众多，施工过程多少都会扰动地层，要完全消除地表沉降是很困难的。盾构施工过程的沉降会对地面建筑物的安全造成威胁甚至引起破坏，国内外已对施工沉降进行了大量研究，提出了许多沉降计算模型［1，2］，如Peck模型（1969），Attewell模型（1981），O’Reilly-New模型（1982），藤田模型（1982）等。国内专家也对上海地铁、广州地铁1号线等盾构施工过程的沉降规律进行了总结［3］-［5］，得到了许多具有共性的认识。但由于广州地区地质条件复杂，对沉降规律的定量研究还比较少。本文对广州地铁2号线赤—鹭区间盾构隧道施工过程的地表沉降规律及其影响范围进行研究，以期对今后类似工程建（构）筑物的保护，施工参数的优化提供参考依据。
2 工程概况
广州地铁2号线赤岗—鹭江区间隧道采用盾构法施工。区间隧道由两条并行的单线隧道组成，左右线隧道间距8~12m，左右线隧道总长4342.3m，隧道埋深8~14m，线路最小水平曲线半径350m，最大坡度9.636‰。
盾构机采用德国HERRENK AG公司生产的土压平衡式盾构（EPB），盾构机刀盘直径6 280mm，采用盾尾同步注浆（砂浆）方式。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片环外径6 000mm，内径5 400mm，管片宽度1 500mm。
隧道洞身岩土层以Ⅱ，Ⅲ类围岩为主，局部为Ⅳ，Ⅴ类围岩。从上到下主要地层为：松散、稍湿的人工填土层①；可塑—硬塑状，粘性强的粘性土及粉土⑤；可塑状态的粉质粘土和稍密状的粉土⑤～①；硬塑—坚硬状的粉质粘土及呈中密—密实状粘土⑤～②；隧道洞身地层为较密实、坚硬、含少量砾石的岩石全风化带⑥。地下水位平均埋深1.75m。
区间线路基本沿新港中路（城市交通主干道）两侧非机动车道下通过，隧道上方路面交通繁忙，道路两侧地下管线和地面建筑物众多，隧道常常需从建（构）筑物基础下方或侧面通过。其中，新南方购物中心（7层钢筋混凝土结构，柱下扩展基础）基础底部距隧道最近距离仅7.79m，客村立交桥（3层钢筋混凝土结构）桥基侧面距隧道最近距离仅0.9m。
3 沉降观测方法
3.1 观测仪器及要求
采用精密水准尺仪，铟钢水准尺、30m检定过的钢卷尺进行沉降观测。线路沿线一般的多层建筑物和地表沉降，按国家三等水准测量技术要求作业，高程中误差≤±2.0mm，相邻点高差中误差≤±1.0 mm。
3.2 沉降观测点的布设
正常情况下，沿隧道中线上方地面每隔5m布设一个沉降观测点，每隔20m建立一个监测横断面，该断面垂直于隧道中线，每个断面上布设5个观测点，其中隧道中线上方一个点，左右间隔5m各一个点。对于软弱土层、或埋深较浅的区域，应根据隧道埋深和围岩地质条件，加密监测断面和测点。
当隧道上方为混凝土路面时，常布设两种沉降观测点，即分混凝土路面及路面以下土层两种，路面部分沿线路中线每20m布设一个观测断面，观测点直接布设在路面上，以量测路面沉降量；为了防止路面硬壳层不能及时、准确反映地层实际沉降情况，造成路面下方虚空，需钻穿混凝土路面并在路面以下地层中打入短钢筋布设观测点，以便对地层的沉降情况进行监测。
3.3 沉降观测频率
盾构机机头前10m和后20m范围每天早晚各观测一次，并随施工进度递进；范围之外的监测点每周观测一次，直至稳定。当沉降或隆起超过规定限差（-30/+10 mm）或变化异常时，则加大监测频率和监测范围。
4 沉降槽分布形式分析
4.1 横断面沉降曲线
图1是不同里程处隧道上方地表横断面沉降槽分布曲线。一般地，隧道中线上方沉降量最大，沿两侧逐渐减小，大部分沉降曲线形状基本符合PECK的正态分布曲线。但有一部分沉降曲线左右并不对称，特别是左线隧道（后行）沉降曲线，大部分向右偏移，即左线隧道右上方地表沉降量较大，这除了与左右地质条件差异有关外，主要是由于受先行隧道（右线隧道）的影响，此外还可能与注浆以及刀盘旋转方向有关。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中线上方，而是出现在左右线隧道之间偏向后行隧道中线附近，当左右线间距较小时，这种情况更为明显。
图1 横断面沉降槽分布曲线
关于横断面沉降槽分布规律前人已进行过大量研究，提出了很多沉降槽计算模型，如Peck公式（1969），Attewell公式（1981），O’Reilly-New法（1982），藤田法（1982）等。其中应用最广泛的是Peck公式，其他公式基本可看作是对Peck公式的修正，仍保留沉降槽形状服从正态分布的假定。Peck公式对描述均匀地层条件下单线隧道的对称沉降槽分布较适合，但如前所述，由于地质原因、线路转弯以及先行隧道的影响，实际沉降槽曲线往往并非对称，本文采用高斯峰值函数（Gaussian Peak Function）进行拟合：
从表1及图1可见，对称和非对称形式沉降槽曲线均可得到很好的拟合，其相关系数R高达0.94以上，拟合效果高度显著。
从沉降槽曲线形状可看出，沉降槽没有明显的边界，一般地，将左右两个反弯点A，A′之间的宽度定义为沉降槽宽度（图2）。根据数据拟合曲线，求出的最大沉降量和沉降槽宽度（表2）。
根据不同横断面沉降槽的统计结果，尽管最大沉降量变化较大（2~40mm），但地面沉降槽宽度基本上都在20~30m以内。虽然沉降槽宽度较大，由于曲线反弯点附近沉降量变化很缓慢，在沉降槽宽度范围的建筑物并不一定都会受到严重影响。参照建筑地基基础规范的规定，对于框架结构，相邻两柱基的允许沉降差为2‰~3‰，为此，将反弯点附近相邻两观测点的沉降变化量（即曲线斜率）大于2‰的点B和B′之间的区域定义为沉降影响范围（图2），该范围之外的区域（曲线斜率小于2‰）基本不影响建筑物的安全。一般地，沉降影响范围比沉降槽宽度要小，特别是当沉降量较小时，沉降槽宽度可能仍较大，但沉降影响范围则很小。
4 纵断面沉降曲线分布
从两个方面来研究线路中线盾构机机头前后的纵断面沉降曲线分布。一方面，考察不同时间同一观测点沉降量随机头位置变化情况。即在盾构机前方20m的线路中线上方地面处布设一个沉降观测点，当盾构机向前掘进时，盾构机逐渐临近并通过该点下方，然后又逐渐离去，在这过程观测该观测点沉降量随机头位置变化的曲线（图3）；另一方面，考察同一时间沿机头前后分布的观测点沉降量的变化情况。即在线路中线上方地面每隔5m间距布设一个沉降观测点，当这些点位于盾构掘进沉降影响范围时，考察在同一时间这些观测点沉降量的分布情况（图4）。
采用玻尔兹曼（Boltzmann）函数对沉降量随机头位置变化曲线进行拟合：
可以看出，从上述两方面得到的纵断面沉降曲线分布规律是基本一致的。在敞开式掘进情况下，在机头前方约6m（约1倍隧道直径）以外，地面基本无沉降迹象，部分出现轻微隆起趋势（隆起量小于1mm）；在机头前方约5m左右开始产生沉降；机头前方5m至机头后约8~9m（约等于盾构机长度8.35m）是沉降主要发展阶段，这个范围的地层主要受盾构刀盘旋转及开挖面出土卸载影响（机头前方5m）以及盾构机通过时盾壳对围岩扰动的影响（机头后约8~9m），沉降量约占总沉降量的80%以上；机头过去10~15m后沉降趋于稳定，在这个范围，盾构已通过，对地层的扰动消失，同时，盾尾脱出后产生的围岩与管片间的建筑空隙得到了盾尾同步注浆的及时同步填充，对地层产生了很好的支撑作用，有效地抑制了地层沉降的进一步发展。值得注意的是，上述结果是在盾尾同步注浆正常发挥作用的情况下得出的，如注浆压力、注浆量不足或注浆不及时，盾构通过后还会产生相当大的的后期沉降。施工实践表明，只要注浆不正常，往往就会出现比较大的沉降量。
在存在软弱地层且周边环境对地面沉降控制要求较高时，一般采用土压平衡模式掘进。如洞身或上覆土层为可塑~硬塑状粘性土及粉土④、可塑状的粉质粘土、稍密状的粉土⑤-①以及砂层等情况。在土压平衡掘进模式情况下，沉降发展规律基本与敞开掘进模式的规律相似，但机头前方地面（距机头约6m）往往出现比较明显的隆起。
5 沉降随时间的发展规律
从地面某个观察点开始产生沉降起，观测其沉降量随时间的发展情况(图5)。
6 沉降量概率分布的统计分析
6.1 沉降量概率分布曲线
如前所述，沿隧道中线上方地面每隔5m布设一个沉降观测点，各点一般需连续观测5~7d，视沉降发展情况，逐渐降低观测频率，直至沉降稳定。图6是赤岗—容村区间左右线隧道中线上方地面累计沉降量（沉降稳定后）的分布图，可以看出：
（1） 由于左右线地质情况相近，施工参数相似，左右线纵断面沉降分布规律总体上也是基本一致的；
（2） 在敞开式掘进地段，地面基本无隆起现象；在土压平衡掘进地段地面出现轻微隆起；
（3） 在覆土厚度较薄，洞身岩土层下硬上软，掘进速度慢，又未采用土压平衡方式掘进的地段，地面沉降较大，如图中里程3 840~3 900和4 315~4 370cm等。
6.2 沉降量分布的统计分析
将沉降量看作随机变量，对赤岗—客村区间左右线隧道中线上方地面沉降量概率分布进行统计分析：
习惯上，负号表示地表沉降，正号表示地表隆起，为便于数据处理，对数据进行线性变换（平移），使其全部变为正号：
Si=S′i+10 （5）
式中S′i——沉降量（小于0表示沉降，大于0表示隆起）（mm）；
Si——变换后的沉降量（大于10表示沉降，0~10表示隆起）（mm）。
累计有754个沉降量样本，按从小到大将其划分为16组（区间），各组的频数及频率统计结果见表5。
6.2.1 沉降量分布密度函数
根据表中统计结果作出沉降量分布频率直方图(图7)。
7 结语
通过对广州地铁2号线赤—鹭区间盾构隧道施工过程的地面沉降监测数据进行定量统计分析，基本上掌握了盾构施工过程的地表沉降规律，并用数学函数加以表达，包括：沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律、沉降量的概率分布、沉降影响范围等。经过研究得到了以下认识：
（1） 横断面沉降槽曲线可用高斯峰值函数（Gaussian Peak Function，式（1））拟合。受先行隧道影响，后行隧道沉降曲线左右往往并不对称，地表最大沉降量向先行隧道一侧偏移，地面沉降槽宽度一般在20~30m范围。
（2） 盾构机头前后的沉降量分布可用玻尔兹曼（Boltzmann，式（2））函数拟合。在敞开式掘进情况下，机头前方约5m处开始产生沉降，机头前方5m至盾尾是沉降的主要发展区域，沉降量约占总沉降量的80%以上，机头过去10-15m后沉降趋于稳定。
（3） 沉降量随时间变化规律可采用对数方程（Logistical Eqation，式（4））拟合。沉降发展过程可分为3个阶段：第1~2d沉降缓慢发展，第3~5d沉降快速增长，第6~7d沉降变化减缓，并逐渐趋于稳定。
(4) 隧道中线上方沉降量概率密度服从对数正态分布（式(6)）。赤—鹭区间隧道盾构施工过程的地面沉降平均值为 14.2mm，沉降量大于30mm的仅占6.23%。
参考文献
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文章出处：《城市交通隧道工程最新技术》
