城市隧道盾构法施工引起地表沉降的分析

摘要：以宁波轨道交通一号线某区间隧道为背景，介绍了对盾构法施工前后引起的地表沉降的分析，用有限元法计算结果与现场监测结果的对比分析，总结了地表沉降规律，对宁波市轨道交通后续工程施工具有指导作用。

关键词：轨道交通，盾构法，地表沉降，监测统计，有限元法

Aanlysis on ground surface subsidence of metropolis tunnel induced by shield construction

Zou Yisong1Jiang Wenbo1Wang Xiaojun2

Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074；2.Ningbo institute of Technoiogy zhengjiangUniversity，Ningbo 315100）

Abstract：On the basis of a certain section of tunnel of line No.1 of NingBo Metro, Metro，the analysis is presented on ground surface subsidence induced by shield construction, Comparative analysis of the finite element method to calculate the results and field monitoring results ,and the surface subsidence patterns are summarized ,and they have guiding significance for the follow-up construction for rail transit projects of NingBo.

Keywords：Rail transit, Shield construction, Ground surface subsidence, Monitoring statistics, The finite element method

中图分类号：P135 文献标识码：A

1 绪 论

本文针对宁波轨道交通一号线某区间隧道工程，主要研究因开挖、地层损失，孔隙水压力等原因引起的地表沉降，通过对施工过程中现场监测结果的统计分析，并结合有限元计算结果对比分析，得出盾构法施工引起的地表沉降规律，为后续工程的设计与施工积累经验。

宁波轨道交通一号线某区间隧道为双线隧道，两条线开挖时间间隔较长，相互影响较小，在沉降监测时也就采取单线监测，并选取区段的左线盾构进行研究，隧道线间距为13～15m左右，隧道埋深在10~20m之间。采用两台自有德国海瑞克土压平衡盾构。

2 现场监测结果与分析

2.1 地表沉降测点布设

盾构推进时地表监测点沿线路中心线布设，按每5环布设一个监测点，间隔25环布设一个监测断面，断面范围一般不少于中心线两侧20m,每个监测断面设置8个监测点，间距按离轴线的距离有密而疏，测点间距3~15m。监测点布置图如图1

图1监测点布置图

2.2 地层沉降监测结果分析

2.2.1 纵向地表沉降

监测地表沉降监测结果见图2，对研究区段纵向沉降曲线图分析可得出的结论：

（1）沉降量的大小与隧道的埋深有很强的相关性，在土质条件无明显变化的情况下，隧道埋深加深，盾构开挖对地表的影响会相应减少，沉降量也减少。在里程K8124前，隧道上覆土变化不大，随埋深增加，沉降量由最初的37.69mm减少为11.94，可见隧道埋深对地表沉降影响明显；

图2 地表沉降与土质，土仓压力关系

(2)正确控制盾构掘进参数，适时修正土仓压力，建立有效的土压平衡，可有效控制地层损失、减小地层变位。1在盾构进入区段前段阶段，土仓压力小于0.24MPa，地表沉降量大，随着土仓压力的逐渐增大，沉降量变小。可见，当土仓压力小于0.24MPa时，土仓压力未能与盾构前方地层的开挖面土压力建立平衡，因而造成地层损失大，最大沉降值为37.69mm；在盾构进入地层③1、④1-1交界处时，由于地层条件改变，埋深也在增大，相应的盾构前方地层开挖面土压力增加较多，但土仓压力却保持在0.25MPa不变，因而不能建立起有效的土压平衡，使地层损失加大，地表沉降达到了27.95 mm 以上。而土仓压力在调整到位建立平衡后，沉降最小可减小到11.91mm左右。以上分析可得知，本区间土仓压力一般值可在0.24-0.26MPa之间根据施工的具体情况取得。

2.2.2 横向地表沉降

针对宁波轨道交通一号线某区间，选取其中里程为K8138处的监测断面为代表性断面。由实测结果统计，得出横向地表沉降曲线图如图3-4所示。

横向地表沉降实测结果表明：

（1）沉降量的变化与盾构切面到监测断面间的距离高度相关，盾构在通过过程中和通过后的阶段控制沉降的变化对总沉降的控制至关重要。由图2，盾构推进中对同一监测断面上不同监测点的影响程度不同，但引起的沉降量的变化趋势相同。变化的趋势为，在盾构通过前后影响强烈，在盾构通过断面过程中，由于盾构对掌子面的推力，引起地表隆起，最大隆起量为1.83mm；在盾构远离监测断面达到一定距离后，沉降速率和沉降量的变化趋于平缓。从整个沉降过程来看，盾构通过后的沉降量占整沉降量的比例超过80%，因此盾构通过后是沉降的主要阶段。

图3 累计沉降与距离的关系曲线

（2）盾构到达前对监测断面的影响比盾构通过后小，控制盾尾间隙对沉降的影响也很重要。由图3分析，盾构到达前最大沉降量为2.08mm，通过后，沉降量则经快速增加到16.44mm,然后减缓直至停止沉降。由此可见盾构通过后，除盾构开挖对土层的挠动引起地表沉降外，盾尾脱出的间隙也进一步加大了地表的沉降量，因此要严密控制盾尾脱出过程的沉降变化。盾构影响最剧烈的范围主要在断面通过前后20m之间。

图4 不同断面最终沉降曲线

（3）以最大的沉降包络线分析，盾构掘进主要影响区域在隧道轴线10m 范围内。进程沉降曲线沿线路中心近似对称分布，说明后开挖隧道对已开挖隧道的影响较小。最大沉降发生在隧道中线，在距隧道轴线6.5m范围内，沉降槽体积占总体积的84%，是监测断面的主要沉降范围，

3 地表沉降的实测与计算比较

3.1 地表最大沉降值

地表最大沉降值是施工中最重要的控制因素之一，图5是所模拟的监测断面测点地表沉降曲线；图6为利用MATLAB由peck公式计算得到的沉降槽宽度系数取i=10的沉降曲线。根据计算的结果，盾构掘进引起所研究的监测断面的地表最大沉降值为16.109 mm，实测结果为19.53mm。

图5 横断面沉降曲线

图6 i=10时peck曲线

4 结 论

本文通过对宁波轨道交通一号线某区间隧道盾构施工过程中的地表沉降的现场监测及有限元分析，得出以下几点主要结论：

(1)盾构施工引起的地表沉降的因素有许多，如地层分布情况、土层土体的性质、隧道的埋深等客观因素有关，也与施工方法、技术水平，盾构的选择，盾构参数的控制等主观因素密切相关。其中土层性质，盾构埋深，土仓压力等是主要影响因素。

(2)监测数据统计分析和peck公式计算结果表明，对宁波轨道交通一号线某区间隧道而言，单线隧道开挖的横向影响范围主要在距隧道中线10m左右，而纵向影响范围主要在断面前后20m左右。

(3)对监测结果分析表明，在不同的土质环境情况下，地表沉降有很大的不同，而且，即使在相同的土质情况下，也会因盾构埋深和施工参数（如土仓压力，注浆压力等）的选择不同而产生很大的差异。因此，在盾构法施工时，应加强监测和信息反馈，在土层环境变差时，加大监测的频率并及时调整施工参数和施工方案。

参 考 文 献

1 王敏强，陈胜宏. 盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(2)：228～232

2 刘招伟，王梦恕，董新平. 地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J]. 2003。22(8)：1297～1301

3 宋博．地下隧道双圆盾构施工技术研究[J]．建筑施工，2004．Vo1．26，No．2：150—152.