第７卷第４期 ２０１１年４月 中全生产科学技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０Ｉ．７ Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１１ 文章编号：１６７３—１９３Ｘ（２０１１）一０４—０１３０一ｏ４ 盾构隧道施工引起地表沉降分析与处置 祝和意 （陕西铁路工程职业技术学院，渭南７１４０００） 摘要：随着隧道施工技术的发展，盾构隧道愈来愈成为软弱岩土层或繁忙闹市地区地下工程施 工的主要施工方法。但无论盾构隧道施工技术如何改进，其施工引起的地层移动是不可能完全消 除的。为此，本文就盾构隧道施工地层变形特征、地表沉降原因及变形机理、地层变形预测等进行 了分析研究，介绍了采用Ｐｅｃｋ公式预测分析盾构隧道地面沉降量及沉陷槽的方法，并提出了控制 地层变形保护建筑物的主要措施，强调了运用数值分析方法对多工况变形进行预测分析仅仅具有 指导性，只能作为控制沉降的理论参考，必须在盾构施工过程中加强沉降监测工作，随时了解地面 沉降信息，及时采取有效措施，以达到控制沉降和减少损失的目的，为今后地铁设计与施工给予一 定的指导。 关键词：盾构；地表沉降；机理；分析处置 中图分类号：Ｘ９３ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｂｙ ｔｕｎｎｅｌ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ＺＨＵ Ｈｅ—ｙｉ （Ｓｈａａｎｘｉ Ｒａｉｌｗａｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｅｉｎａｎ ７１４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｂｅｃｏｍｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｉｎ ｗｅａｋ ａｑｕｉｆｅｒ ｏｒ ｂｕｓｙ ｄｏｗｎｔｏｗｎ ａｒｅａ．Ｂｕｔ ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ｈｏｗ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅ ｃａｕｓｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ．Ｓｏ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｒｅａｓｏｎｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｕｂｓｉｄｉｎｇ ｇｅｏｓｙｎｃｌｉｎｅｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｂｙ Ｐｅｃｋ ｆｏｒｍｕｌａ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｕｎｔｅｒ－ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｔｉ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｏｎｌｙ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｐｒｏｐｅ￣ｙ，ａｎｄ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｂｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗｏｒｋ ｍｕｓｔ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌ— ｄｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｇｒａｓｐｅｄ ｉｎ ａｎｙ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃ－ ｔｉｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｔｉｍｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｌｏｓｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｗａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ；ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｏｓａｌ １ 引言 收稿日期：２０ｌｔ—Ｏｌ—ｌＯ 修建地下工程都不可避免地会引起地层移动而 导致不同程度的环境影响，尤其是在城市修建地铁， 第４期 中全生产科学技术 ．１３１． 由于其埋深较浅，地表建筑及地下设施较多，修建地 铁时对周围环境的影响更大，即使采用当前先进的 盾构技术，也难以完全防止地面隆陷及地层水平位 移的发生，由此可能导致地表建筑物倾斜，甚至开 裂、倒坍，地下管线被破坏；水平位移可引起地下桩 基偏移及管线与通道错位等，进而导致桩基承载力 下降并影响管线与通道的正常使用，甚至毁坏。但 地表沉降对环境的影响是主要矛盾。这种影响在国 内北京、上海、广州地铁施工中都有不同程度的发 生。因此在修建城市地铁中如何有效控制地层变形 至关重要。 ２盾构施工引起的地层变形特征分析 尽管盾构法与浅埋暗挖法施工地铁区间隧道具 有较大的差别，但就其引起的地层变形特征来说，国 内外大量的实测资料及理论分析结果表明，其区别 不是很大。从隧道横断面来看，其地表沉陷的特征 曲线见图１，且大多数情况下，第二条隧道所引起的 地面沉降较第一条隧道大。就单条隧道而言，沉降 槽曲线似正态分布曲线，ｐｅｃｋ算式是沉降计算的典 型代表，两条隧道的沉降曲线类似两个单线的叠加， 但盾构隧道最大沉降量值比暗挖法要小。 从纵向来看，地面沉降主要发展规律与特征见 图２，与暗挖相比较存在两个不同点：一是在盾构掘 进面的前方可能产生地表隆起；二是施工沉降除土 体损失引起的沉降外，还存在盾尾空隙沉降。 由于盾构施工引起地表沉降的因素相当复杂， 除与地层条件密切相关外，还与盾构掘进时的平衡 土压、掘进速度、推进压力、注浆时间、压力、注浆量 等有关，因此很难准确计算和预测。数值分析的发 展为多工况变形预测提供了强有力的工具，但也仅 仅是指导性的，因此盾构施工时必须实行实时监测 与实时控制，初始掘进时可作为试验段，进行各种施 工参数的调整，从而为盾构参数优化提供依据。 ３盾构施工引起地表沉降的原因及变形 机理 如上所述盾构施工引起地表变形主要可分为五 种类型，各类型沉降产生的原因及机理见表１，从表 中可以看出，围岩受施工扰动是产生位移的主要原 因，施工扰动引起应力变化而产生位移。 条隧道 条隧道 两条盾构隧道施工引起的地面沉降槽 ｌ一一条隧道引起的沉降； ２一两条隧道共同引起的沉降 图１盾构隧道施工引起的横向 地表沉陷特征曲线 盾构位置 图２盾构隧道施工引起的纵向 地表沉陷特征曲线 表１ 盾构施工引起位移的原因与机理 ・１３２・ 中全生产科学技术 第７卷 座隧道盾构推进引起的地表横向沉陷曲线叠加后其 ４地层变形预测与分析 通常设计阶段的地面沉降预测方法可分为两 类：一是根据实测数据的统计方法，Ｐｅｃｋ公式是其 典型代表；二是采用有限元和边界元的数值方法。 本文主要介绍Ｐｅｃｋ公式预测分析法。 沉陷槽宽度约为６０ｍ，并且沉陷槽的主要范围在隧 道轴线两侧６ｍ范围内，离轴线３ｍ的沉降量约为最 大沉降量的６０％一７０％，离轴线６ｍ的沉降量约为 最大沉降量的２５％。 采用Ｐｅｅｋ法计算的盾构隧道地面沉降量及沉 地层损失 值主要是由盾尾空隙引起的土体 损失量，它与盾构机盾壳厚度、盾构推进时粘附在盾 构上的土体厚度及注浆量等有关，即： 陷槽计算公式如下式；其沉陷槽横向分布见图３。 ｒ ｒ Ｉ＋—一 叫 最大曲率点 、 ， ｌ ｛ 反弯点 ， ＼ 、 ｒ 图３沉陷槽横向分布图 Ｓ㈤＝ ｐ（一务） ｓ～ 斋Ｖ厶“一 Ｚｏ ／２仃ｔａｎ（４５。一 ） 式中： ㈤一地层损失引起的地面沉降，Ｉｌｌ； 一盾构隧道单位长度地层损失，ｍ ／ｍ； 距隧道中心线的距离，ｍ； 一隧道中心线处底层损失引起的最大沉降 量，ｍ； 一沉降槽宽度，ｍ； ｚｎ一隧道轴线埋深，ｍ； 一土的内摩擦角。 比如：南京地铁盾构施工某标段，根据地质条件 和埋深等，可确定ｉ＝１０．２ｍ，由此根据以往的工程 实践及经验公式，沉陷槽宽度Ｂ一５ｉ，可得单个隧道 盾构推进引起的地表横向沉陷槽宽度约为５０ｍ，两 ＝ ＋％一 盾构推进时粘附在盾构钢板上的土体厚度约为 ２０—４０ｍｍ，盾壳厚度为７ｅｍ，则： Ｖｓ＝ ＋ 粘一 浆＝１．３６＋０．５８ｏｔ一（１．３６＋ ０．５８） （ 为折减系数， 为同步注浆的充填系数。） 取ｄ＝０．６， ＝０．５得 ：０．７３ｍ２ 由此可得地表最大沉陷值Ｓ～＝２８．４ｍｍ 虽然地表沉降形态是大体相同或相似的，但其 最大沉降量总是随着施工工况和地质条件的改变而 千差万别，目前控制沉降的主要手段是同步注浆和 补压浆，而注浆的环节常有各种各样的问题发生，如 缺量、过量、滞后、漏浆等等，不同的沉降情况常是施 工工况和工作状态的反映，同时不同的地质条件沉 降亦有所不同，如粉砂土较粘土隆降起量要少，沉降 速率要快，淤泥质粘土后期固结沉降则要大点。以 上这些都要求盾构施工时要加强监测工作，以随时 了解地面沉降信息，以便及时采取有效措施，以达到 控制沉降和减少损失的目的。 ５控制地层变形保护建筑物措施 （１）盾构前方的隆陷控制 地表隆起的主要原因是盾构正面对土体的推应 力大于原始侧向地应力，因此在实时监测的情况下 可以根据地表隆起状况调整推力，加快出碴速度达 到降低地表隆起的目的。地表沉降是由于开挖面推 力小于原始侧向应力而引起，通过减少出碴量，提高 正面压力，起到控制降沉目标，保持开挖面的稳定。 （２）盾构通过时的沉降控制 这一沉降是无法避免的，但是如果超限可以采 取调整掘进速度，实施即时注浆，使盾尾后隧道周边 的土体及时处于三向应力状态，减缓应力释放速度， 从而达到有效控制地层的弹塑性变形。 第４期 中全生产科学技术 ・ｌ３３・ （３）固结沉降的控制 盾构通过后，由于应力松弛的影响，地层还会发 生固结沉降，为此应根据地面实时监测结果进行实 时控制，在管片衬砌背后实施跟踪回填与固结注浆， 尤其是对拱部１２０。范围进行地层固结注浆非常 重要。 （４）其它措施 盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头推进过程 中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，从而会引起附 加变形，此时应调整掘进速度与正面土压，达到减少 对地层的扰动度和减少超挖的效果，从而减少地层 的变形。盾构暂停推进时，可能会引起盾构后退，而 使开挖面松弛造成地表沉陷，此时应作好防止盾构 后退措施，并对开挖面及盾尾采取封闭措施。 ６ 结语 （１）盾构施工引起地表沉降的因素相当复杂， 很难准确计算和预测。因此盾构施工时必须实行实 时监测与实时控制，以随时了解地面沉降信息，以便 及时采取有效措施，以达到控制沉降和减少损失的 目的。 （２）数值分析的发展为多工况变形预测提供了 强有力的工具，但仅仅具有指导性，只能作为控制沉 降的理论参考。 参考文献 ［１］ 冯 冠．荩于某地铁盾构隧道施ｌ 地表沉降的分析研 究［Ｊ］巾全生产科学技术，２０１０，（４） ＦＥＮＧ Ｇｕｏ—ｇｕａｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ 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