譚 佳，瞿 南

(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

盾構(gòu)法作為地鐵隧道施工的一種優(yōu)選方法，在城市地鐵隧道施工中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。隧道盾構(gòu)施工過程中，洞室周圍的巖層會(huì)發(fā)生一定的變形和移動(dòng)，且這一范圍常常會(huì)影響到地表，形成地表施工沉降槽[2]，沉降槽可能引起地表的沉降，從而導(dǎo)致路面的開裂、埋地管線的中斷以及建筑物(構(gòu)筑物)的損毀。目前，對(duì)盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降分析及預(yù)測(cè)的主要方法有：經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、理論分析法、模型試驗(yàn)研究和數(shù)值分析等[3-6]。在采用上述方法計(jì)算或模擬隧道施工引起的地面沉降時(shí)，必須依據(jù)工程的實(shí)際情況和地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)選擇合適的計(jì)算公式和參數(shù)才能取得滿意的結(jié)果，而對(duì)地鐵施工中的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行深入的研究則可以為上述工作提供必要的研究基礎(chǔ)，并為將一個(gè)局部的分析結(jié)果推廣到某地區(qū)提供條件。

本文以南京六合地區(qū)某地鐵盾構(gòu)施工區(qū)間為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的橫斷面沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，研究地鐵盾構(gòu)隧道施工期間橫向地表沉降的綜合規(guī)律，并確定盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)橫向地表的施工影響區(qū)域，得到符合南京六合地區(qū)實(shí)際情況的地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，為盾構(gòu)法的廣泛使用積累地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

六合區(qū)政府-雄州盾構(gòu)區(qū)間位于南京市六合區(qū)，設(shè)計(jì)里程K 23+8.246 m～K25+859.684 m，區(qū)間正線隧道全長(zhǎng)2 192.426 m。

本區(qū)間出六合區(qū)政府后下穿新河河溝、白果東路跨新河路堤、中北威立雅六合公交南站跨新河路堤、公交南站1層房屋、跨新河橋涵；側(cè)穿江北大道快速化改造橋臺(tái)樁基和龍池立交樁基；從六合區(qū)政府站至K23+300之間下穿4根10 KV架空電纜線桿。

1.2 工程地質(zhì)條件

本區(qū)間隧道主要穿越②-1bd4流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉砂互層、②-1d2-3稍密～中密狀粉砂、②-2b3-4軟塑～流塑狀粉質(zhì)粘土，工程地質(zhì)較為復(fù)雜。

本區(qū)間涉及的特殊巖土主要為人工填土、軟土和液化土層。①-1雜填土，結(jié)構(gòu)松散，①-2素填土，潤(rùn)濕-飽和，由軟-可塑狀粉質(zhì)粘土組成，工程地質(zhì)性差，上述土層最大厚度約4.00 m。場(chǎng)區(qū)在淺部局部分布狀態(tài)的②-1c2-3粉土夾粉砂層，底部普遍分布③-2c-d2-3粉土夾粉砂層，在7度抗震設(shè)計(jì)的情況下，②-1c2-3粉土夾粉砂、③-2c-d2-3粉土夾粉砂為輕微液化土層，液化指數(shù)約為2.80，對(duì)隧道有一定影響。②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含水量高，流塑，高壓縮性，屬中等靈敏～靈敏土，隧道頂板局部穿越②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，上述土層對(duì)盾構(gòu)隧道會(huì)產(chǎn)生一定影響。土體的主要力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

場(chǎng)地底部基巖主要為白堊系葛村組淤泥質(zhì)粉砂巖，裂隙不甚發(fā)育，且呈緊密閉合狀，裂隙連通性差，含水微弱。本區(qū)間地下水主要為孔隙潛水，局部分布有弱承壓水。

表1 盾構(gòu)區(qū)間土體主要力學(xué)性質(zhì)

2 橫向地表沉降與影響區(qū)域分析

2.1 監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)布置

本工程的監(jiān)測(cè)橫斷面分為主要監(jiān)測(cè)斷面和輔助監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，每個(gè)主要斷面上布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)(1～7號(hào))，每個(gè)輔助斷面上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)(3號(hào)、5號(hào))，其中3號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)分別位于隧道盾構(gòu)左線和右線的中心線上方。

本文根據(jù)隧道的埋設(shè)情況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的完備性與可靠性，選擇9個(gè)具有代表性的主要監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行研究，斷面編號(hào)分別為DB128、DB133、DB138、DB168、DB183、DB188、DB193、DB203及DB208。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

施工過程中，對(duì)各斷面進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，直至沉降穩(wěn)定，9個(gè)具有代表性的主要監(jiān)測(cè)斷面的隆沉數(shù)據(jù)如表2所示。據(jù)此，繪制各監(jiān)測(cè)斷面沉降數(shù)據(jù)的平滑線散點(diǎn)圖，如圖2所示。

2.3 沉降規(guī)律與影響區(qū)域分析

對(duì)表2中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖2的變形規(guī)律進(jìn)行分析，可以看出，地表最大沉降值為-7.36 mm，位于DB128斷面，最大隆起量為+1.77 mm位于DB133斷面，最大隆沉量均遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定-30～+10 mm限值，表明隧道施工過程中，各項(xiàng)盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置合理，盾構(gòu)姿態(tài)較好，結(jié)構(gòu)安全性良好。

不同監(jiān)測(cè)斷面的土體隆沉變化表現(xiàn)出較一致的規(guī)律，這主要是由于盾構(gòu)隧道穿越的土體性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，且各項(xiàng)施工參數(shù)較為接近。各監(jiān)測(cè)斷面的沉降曲線沿先行盾構(gòu)隧道中心線兩側(cè)表現(xiàn)出非對(duì)稱分布。這主要是由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量關(guān)于盾構(gòu)左線不對(duì)稱所導(dǎo)致的。

盾構(gòu)左線(圖1)周圍土體的沉降較為顯著，在各斷面所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，1～5號(hào)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)起伏變化顯著，其中，3號(hào)測(cè)點(diǎn)的沉降量相對(duì)較大，變換范圍為-7.36～-3.3 mm；盾構(gòu)右線周圍土體的沉降相對(duì)較小，或表現(xiàn)出土體隆起變形，在各斷面所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，5～7號(hào)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化平緩，其中5號(hào)測(cè)點(diǎn)的隆沉變換范圍為-0.49～+1.49 mm。

表2 監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)沉降量

圖2 主要監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降曲線

盾構(gòu)施工對(duì)周圍土體的影響范圍通常可以劃分為受影響區(qū)域和不受影響區(qū)域。對(duì)于各斷面3號(hào)測(cè)點(diǎn)至尚未盾構(gòu)線路一側(cè)，其地面沉降值降低速率較快，至5號(hào)測(cè)點(diǎn)，其地面沉降值均小于1 mm，之后趨于穩(wěn)定；而對(duì)于3號(hào)測(cè)點(diǎn)至無盾構(gòu)線路一側(cè)，由于地面測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，但亦均表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。本文認(rèn)為盾構(gòu)施工的影響區(qū)域主要位于距離隧道中心線15 m范圍以內(nèi)。此外，根據(jù)沉降槽體積的分析，距離已經(jīng)盾構(gòu)中心線3 m的沉降量約為最大沉降量的60%-80%，距離已經(jīng)盾構(gòu)中心線6 m的沉降量約為最大沉降量的30%-60%，距離已經(jīng)盾構(gòu)中心線7.5 m的沉降量約為最大沉降量的25%，本文認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)的主要影響范圍位于距離隧道中心線7.5 m范圍以內(nèi)，且先行線對(duì)于沒有盾構(gòu)線路一側(cè)的土體影響大于有線路一側(cè)的影響，次要影響范圍位于距離隧道中心線7.5-15 m的范圍。

3 經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證與參數(shù)建議值

Peck提出地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失體積的假定，并根據(jù)該假定給出了盾構(gòu)隧道橫斷面地面沉降量的估算方法[7]，可以表示為：

(1)

(2)

i=kZ

(3)

VS=VLπR2

(4)

式(1)-(4)中，S(x)為距離隧道中心線不同距離處的地面沉降量；VS為盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度的地層損失；i為沉降槽半寬度；k為沉降槽寬度系數(shù)；Z為隧道中心埋深；VL為地層體積損失率；R為盾構(gòu)機(jī)外徑。

式(1)-(4)所表示的地面沉降分布曲線如圖3所示。

圖3 Peck沉降分布曲線

可以看出，Peck沉降分布曲線為正態(tài)分布對(duì)稱曲線，且在式(1—4)中，地層體積損失率VL和沉降槽寬度系數(shù)k決定了曲線的幅值和分布。在沉降槽寬度系數(shù)k相同的情況下，地層體積損失率VL越大，沉降幅值越大；在地層體積損失率VL相同的情況下，沉降槽寬度系數(shù)k越大，拐點(diǎn)距離隧道中心線的越遠(yuǎn)。顯然，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于正確估算地面沉降起著關(guān)鍵的作用。

研究表明，采用Peck公式描述橫斷面的地表沉降分布是合適的。然而，如果直接將現(xiàn)有的參數(shù)用于本文中的盾構(gòu)隧道工程將會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，這主要是由于參數(shù)的取值不能反映該地區(qū)的實(shí)際情況所導(dǎo)致的。因此，為了更合理地采用Peck經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)南京六合地區(qū)的盾構(gòu)隧道沉降曲線，需要確定適合該地區(qū)的參數(shù)取值。

本文對(duì)圖2中的9個(gè)橫斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了沉降曲線擬合，得到了不同橫斷面上的地層體積損失率VL和沉降槽寬度系數(shù)k，結(jié)果如表3所示?；跀M合的參數(shù)取值，可以對(duì)各斷面的橫向沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。部分監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線和平均地表沉降曲線的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較如圖4所示。

表3 監(jiān)測(cè)斷面擬合參數(shù)

圖4 監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

由表3和圖4分析結(jié)果可以看出，沉降槽寬度系數(shù)k的取值范圍為0.30-0.50，地層體積損失率VL的取值范圍為0.2%-0.43%。各斷面平均沉降曲線的沉降槽寬度系數(shù)取值為0.5，地層體積損失率為0.31%。說明隧道的后期沉降較小，基本不會(huì)對(duì)隧道的安全和正常使用造成影響。

4 結(jié) 語

本文對(duì)南京六合區(qū)某地鐵盾構(gòu)隧道施工區(qū)間監(jiān)測(cè)斷面的沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，分析了其地面沉降的變化規(guī)律和影響范圍，結(jié)合Peck經(jīng)驗(yàn)公式，得到符合該地區(qū)實(shí)際情況的地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。具體結(jié)論如下：

(1)各監(jiān)測(cè)斷面的最大隆沉量均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，表明各項(xiàng)施工參數(shù)設(shè)置合理，盾構(gòu)姿態(tài)較好，不會(huì)對(duì)隧道的安全和正常使用造成影響。

(2)對(duì)于單線盾構(gòu)推進(jìn)施工，各監(jiān)測(cè)斷面的沉降曲線關(guān)于已盾構(gòu)隧道的中心線表現(xiàn)出非對(duì)稱分布的特性。已完成推進(jìn)施工的盾構(gòu)線周圍土體的沉降較為顯著；未完成推進(jìn)施工的盾構(gòu)線周圍土體的沉降相對(duì)較小，或表現(xiàn)出微小的土體隆起變形。

(3)盾構(gòu)施工的影響區(qū)域主要位于距離隧道中心線15 m范圍以內(nèi)。盾構(gòu)掘進(jìn)的主要影響范圍位于距離隧道中心線7.5 m范圍以內(nèi)，次要影響范圍位于距離隧道中心線7.5-15 m的范圍。

(4)通過采用Peck公式擬合沉降曲線實(shí)測(cè)值，沉降槽寬度系數(shù)k的取值范圍為0.30-0.50，地層體積損失率VL的取值范圍為0.2%-0.43%，且地層損失率均小于1.0%，這一結(jié)論不僅適用于該地區(qū)，且可以推廣到具有類似地質(zhì)條件和盾構(gòu)條件的地區(qū)。