刍议盾构法隧道施工引起的土体变形预测

摘要：盾构行条件下扩建地铁车站是对传统暗挖隧道施工方法的拓展，能够缩短建设工期，减小地面沉降，还可解决明挖法修建车站影响交通、房屋拆迁等问题。本文主要探讨了盾构法隧道施工引起土体变形的预测。

关键词：盾构法；隧道；土体变形

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

1盾构隧道扩挖对地面沉降影响的预测

(1)地表沉降规律分析

4种不同情况下的地表沉降槽曲线如图1所示，4种工况最大沉降值均发生在站台隧道中心线，工况1与2最终地表沉降最大，均为26mm左右，工况4最终地表沉降值最小，沉降值为13.9mm。工况1最大倾斜为1.35‰，工况2最大倾斜为1.29‰；工况3与4沉降槽宽度增加，地表倾斜减小；工况3最大倾斜为0.81‰；工况4最大倾斜为0.59‰。4种工况最大倾斜均发生在距离站台隧道中心线两侧12m处。

图1不同工况地表沉降槽曲线

表1为不同工况下实测盾构扩挖步引起地表沉降比例统计表，上台阶扩挖施工地表沉降均超过了总沉降量的70%，下台阶扩挖施工占最终地表沉降比例较小。工况1上台阶扩挖沉降比例为93.5%，工况2上台阶1步扩挖沉降比例为64.9%，工况3上台阶1步扩挖沉降比例为43.1%，工况4上台阶1步扩挖沉降比例为40.7%。工况1，2各扩挖步沉降比例分布差异较大，工况3，4沉降比例分布均匀。图2为工况2与3计算模型地表中点沉降随时间的变化曲线，由于工况3拱部施作超前预支护，所以工况3沉降量小于工况2，同时也能体现上台阶扩挖施工沉降大于下台阶扩挖施工沉降的特点。

表1不同工况各扩挖步地表沉降比例统计表

图2地面中点沉降时程曲线

(2)站台隧道围岩稳定分析

工况2，3盾构隧道扩挖的围岩塑性区分布见图3，与工况2相比，工况3由于进行了拱部超前预支护加固，塑形区由隧道拱角向拱腰偏移，且范围缩小。

工况3，4围岩竖向位移分布见图4。盾构轴线偏移前(对应工况3)站台隧道拱顶最大沉降为3.1cm，位于隧道中线偏左1.9m处，拱部围岩处于偏压状态。盾构轴线偏移后(对应工况4)围岩竖向位移对称分布，站台隧道拱顶最大沉降为2.2cm，为轴线偏移前的71%。可见，盾构轴线偏移方案通过改善盾构隧道与站台隧道的相对位置关系，能够减小扩挖施工对围岩的扰动。比较4种工况的计算结果，工况3，4最大地表沉降、最大倾斜及各扩挖步沉降比例等均优于工况1和2。因此管棚、袖阀管注浆超前预支护措施能够有效控制地表及地表建筑物变形。通过盾构轴线偏移方案，改善盾构隧道与站台隧道的相对位置关系，使盾构隧道位于拱部管棚、袖阀管注浆区正下方，能够更好地发挥拱部超前预支护的作用，进一步减小地表沉降量。

图3工况2与3等效塑性应变

图4工况3与4围岩竖向位移分布(单位：mm)

2盾构隧道扩建车站实测数据分析

现场施工盾构先行过站时采用了盾构轴线偏移方案，采用两台阶四步法扩挖，并且进行了拱部超前预支护。盾构轴线偏移前的扩挖施工与计算工况3对应，进行盾构轴线偏移后的扩挖施工与计算工况4对应。

(1)地下水位及地面沉降测点布置

地表建筑物周边测点按每栋楼房不少于4个监测点，并于房屋墙角布设不均匀沉降观测点，在省二轻集团综合楼EN角2#竖井旁设置地表水位观测点。测点平面布置如图5所示。

图5地表测点布置(单位：m)

(2)地下水位及地表沉降监测数据分析

盾构隧道扩挖期间地表水位变化现场观测曲线见图6，图中SW5，SW7，SW8均为地下水位监测点。2008年11月15日开始进行左线盾构隧道扩挖施工，在盾构上台阶扩挖时测点水位普遍下降，之后由于水源补给出现回升趋势。SW7测点距离桩基处软弱地层较近，地下水位浮动较大，最大变化量1.8m，SW5测点最大变化量1.0m，SW8测点最大变化量0.72m。

图6地下水位变化监测曲线

表2为地表建筑物沉降监测数据统计，2007年12月14日右线站台隧道CRD施工完毕，2008年11月15日进行第一环盾构管片破除，2009年7月6日站台隧道扩挖结束且地表沉降稳定。由表2发现右线CRD施工沉降量较大，最大值为45.2mm，位于省二轻集团写字楼东北角，左线盾构扩挖站台隧道地表沉降最大值为29.2mm，位于省二轻集团综合楼ES角，为CRD工法最大沉降量的65%。

表2地表建筑物沉降实测数据表(单位：mm)

J12，J15，J16三个沉降测点位于计算断面I西侧，根据对称得到断面I扩挖各步实测地表沉降槽见图7，图8为此3个测点沉降随时间变化规律。由图10发现，左线站台隧道中线上方测点沉降值最大，距离站台隧道较远处地表沉降量较小，最大沉降值位于J12测点，沉降值为27.3mm。图7，8均表明大部分沉降量产生于上台阶1，2步扩挖中，实测各扩挖步沉降比例见表3。

图7盾构扩挖各步实测地表沉降槽

图8测点沉降时程曲线

(3)建筑物不均匀沉降及倾斜分析

地表建筑物不均匀沉降及倾斜值统计见表3，位于计算断面I的省二轻集团综合楼南侧B9–J12倾斜值为0.92‰，省二轻集团写字楼南侧J15–J16倾斜值为0.86‰，与工况3最大倾斜计算结果0.81‰相差不大。

表3建筑物测点地表不均匀沉降及倾斜值统计

实测省二轻集团综合楼东侧不均匀沉降最大值为42.5mm，整体ES—WN倾斜量均在1‰左右，最大局部倾斜为1.46‰，位于ES侧，最大对角线倾斜值为1.3‰，位于ES—WN的对角线上。省二轻集团写字楼最大不均匀沉降及最大整体倾斜值均发生在北侧，分别为26.5mm，0.99‰，最大局部倾斜值达到1.55‰，位于WS侧，最大对角线倾斜值为1.7‰，位于ES—WN的对角线上。

综上，虽然省二轻集团综合楼及写字楼南侧最终沉降分别达85.3，72.9mm，但倾斜值均小于3‰的允许值。工程实践证明，该区段隧道扩建施工时及施工结束后建筑物未发现新生裂缝，建筑物全部完好无损。

3实测数据与计算结果比较

取计算结果与实测值进行比较。参考SW7地下水位测点水位降深为1.8m，结合断面I砂层较厚的地质条件，水位降深按照3m保守考虑。图9为最终计算沉降槽与实际监测沉降槽对比，计算最大沉降值为30.3mm，实际监测最大沉降值为27.3mm，均发生在左线站台隧道中线地表位置，实测地表沉降槽较最终计算沉降槽宽。

图9监控量测与数值计算最终地表沉降槽曲线

将图2中工况3地面中点沉降时程曲线与地层失水引起的沉降值叠加，得到该点的最终计算沉降时程曲线(见图10)，该点与J12地表监测点相对应，将其与J12地表监测点沉降时程曲线对比，发现2条曲线沉降趋势与沉降量值基本吻合。

图10J12测点沉降监测与计算时程曲线

4结论

(1)在地面建筑物桩基处于高含水软弱地层并且地面已产生较大沉降的恶劣环境下，实现了我国首例盾构隧道扩挖拓建地铁车站隧道的安全施工，并且缩短了建设工期，降低了工程造价。(2)地表沉降主要由地层失水以及盾构隧道扩挖施工产生，两者比列为2∶3。盾构隧道台阶法扩挖上台阶开挖引起地表沉降较大；隧道拱部超前预支护措施能够有效控制地表沉降及倾斜；盾构轴线偏移方案更好地发挥了拱部预支护措施效果，减小围岩塑形区范围。(3)由于两台阶两步法与两台阶四步法差别不大，今后盾构扩挖施工可采用两台阶两步法，以加快施工速度，但是在隧道拱腰处需打设锁脚锚管，以减小拱腰处塑形区范围。(4)左线站台隧道采用盾构先行过站后盾构隧道扩挖法修建，最大地表沉降量为右线CRD法施工站台隧道的65%，有效地控制了地面沉降，地面建筑物完好无损。

参考文献：

[1]刘维宁，路美丽，张新金，等.盾构法和浅埋暗挖法结合建造地铁车站的模型试验[J].岩石力学与工程学报，2009，28(8)

[2]林镇洪.单边扩帮特大跨公路隧道开挖稳定性分析[J].铁道科学与工程学报，2009，6(4)