黑龍江哈爾濱地鐵盾構(gòu)法施工地面變形規(guī)律分析

張向東，王 群，盛 超

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

隨著地鐵在我國各大城市的興建，盾構(gòu)法施工以其智能化、安全性和對周邊建筑的低影響性被廣泛應(yīng)用于城市地鐵的施工，但是控制盾構(gòu)掘進引起地表沉降技術(shù)，仍然是廣大技術(shù)工作者、科研工作者普遍關(guān)心的問題之一，也是設(shè)計、施工人員考慮的首要問題［1－4］。因為地鐵隧道盾構(gòu)法施工具有三維動態(tài)性，隨著盾構(gòu)的推進，盾構(gòu)施工引起的周圍土體位移及周邊環(huán)境的影響也都呈現(xiàn)動態(tài)變化，為了更全面形象地研究盾構(gòu)施工的影響，可以采用現(xiàn)場原位監(jiān)測方法。本文以哈爾濱地鐵一號線工程為背景，在哈爾濱南站站至農(nóng)科院區(qū)間進行了隧道開挖過程中地表沉降的現(xiàn)場觀測。對隧道SK0+294.40～SK1+456.985范圍段進行了詳細觀測，得到盾構(gòu)行進過程中的地表沉降情況，通過分析設(shè)計地質(zhì)資料、施工技術(shù)方案和地表位移變形資料，總結(jié)了哈爾濱高寒凍土地區(qū)地鐵盾構(gòu)進程中地表沉降的規(guī)律［5－10］，對哈爾濱地鐵盾構(gòu)施工具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

1 工程概況

1.1 工程概況

哈爾濱地鐵一期土建十標工程位于哈爾濱市南崗區(qū)工程延長線上，包含哈爾濱南站站、哈南停車場出入場線、哈爾濱南站—農(nóng)科院站區(qū)間。其中哈爾濱南站—農(nóng)科院站區(qū)間位于學(xué)府路規(guī)劃道路正下方，設(shè)計起點里程SK0+294.40，終點里程SK1+456.985，全長1162.585雙延米。

在哈爾濱地鐵一號延長線盾構(gòu)采用Φ6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機。隧道采用標準單圓盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)，主機長7.9m，含后配套臺車總長為80m。盾構(gòu)機最大開挖直徑6.28m，刀盤直徑為6.26m，盾體直徑為6.25m。襯砌管片外徑6.1m，厚度0.30m。隧道襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式襯砌錯縫拼裝，整環(huán)襯砌由6塊鋼筋混凝土管片組成，即3塊標準環(huán)（A型管片）、2塊鄰接環(huán)（B型管片）和1塊封頂塊（K型管片）組成。

1.2 工程地質(zhì)

哈爾濱地區(qū)主要發(fā)育的前第四系地層中基底構(gòu)造形跡，根據(jù)鉆探揭示及對地層成因、年代的分析，本工點地層由上至下主要有：第四紀全新世人工堆積層（Q4ml，雜填土（①））、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層（Q32hral、粉質(zhì)粘土（②）、粉質(zhì)粘土（② －1）、粉質(zhì)粘土（③）、粉質(zhì)粘土（③ －1）、粉質(zhì)粘土（③ －2）、中更新統(tǒng)上荒山組地層（Q22hl，粉質(zhì)粘土（④）、粉質(zhì)粘土（④－1）、粉質(zhì)粘土（④ －4）、下荒山組地層（Q21hlal，粉砂（⑤）、粉質(zhì)粘土（⑤ －1）、粉土（⑤ －2）、中砂（⑥）、粉質(zhì)粘土（⑥ －1）、粉土（⑥ －2）。全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（⑥）、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、英安斑巖（⑦）、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、英安斑巖（⑧）、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、英安斑巖（⑨）。

2 監(jiān)測結(jié)果及分析

根據(jù)工程和實際監(jiān)測的需要，采用鉆孔測斜儀和分層沉降儀來進行盾構(gòu)施工過程中引起的施工地層變形值的監(jiān)測。其中，鉆孔測斜儀用于測量隧道開挖過程中土體的水平側(cè)移，分層沉降儀用于測量隧道開挖過程中沉陷槽內(nèi)的土體豎直沉降。在隧道軸線上布置4個分層沉降儀觀測點ZX1～ZX4，在隧道軸線側(cè)方布置 5個測斜儀 CXI～CX5，5個分層沉降儀FC1～FC5。地層變形觀測點布置方式如圖1和圖2所示。

圖1 地層變形觀測點平面布置圖Fig.1 Grounddeformationobservationpointfloor-plan

2.1 隧道軸線上豎向沉降監(jiān)測結(jié)果

以SK0+343.50斷面為例的地表沉降監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)繪制觀測點ZX1土層沉降變形曲線如圖3所示。

圖3為ZX1觀測點地表及地表以下不同深度處地層土體沉降曲線，設(shè)以盾構(gòu)刀頭與沉降觀測點的水平距離為X軸，同時以刀頭位于觀測正下方時作為X軸的零點，當盾頭接近觀測點時距離為負值，通過后遠離時為正值，以土體的豎向沉降值作為Y軸，土層變形隆起以正數(shù)值表示，地層沉降以負值表示。

圖3 觀測點ZX1不同深度土層沉降變形曲線Fig.3 ObservationpointZX1differentdepthsoillayersubsidenceelasticcurve

圖2 地層變形觀測孔埋深布置圖Fig.2 Grounddeformationobservationhole buryingdeptharrangementplan

從圖3可以看出，隧道中軸線上的ZX1觀測點，地表和地表以下土體沉降變形曲線總體呈現(xiàn)V形形狀。在盾構(gòu)刀頭位置即開挖面距觀測斷面15m左右的位置，受盾構(gòu)機向前擠壓土體的作用，該觀測點地表和地表以下不同深度的土體變形開始均呈現(xiàn)向上隆起狀態(tài)。約達到開挖面12m處，隆起值達到最大值。當盾構(gòu)刀頭達到觀測點正下方時，地表及地表以下不同深度地層均已開始出現(xiàn)沉降變形，隨著盾構(gòu)機的行進，沉降變形急劇增大，并在遠離觀測點12m處達到最大值。隨后在壓力注漿的作用下，地表和其他各位置的沉降值又開始急劇回縮，開挖面遠離觀測35m左右，沉降回縮趨于穩(wěn)定。

從地表及地表以下不同深度土體沉降變形曲線分析可知，各深度處的土體沉降變形值并不相同。地表處、地下6m處、地下 12m處、地下 18m處、地下21m處最大沉降值分別為13.1m、15.9mm、19.2mm、30.4mm、47.2mm，此時盾構(gòu)刀頭與觀測斷面的水平距離12m為正值，意味著在盾構(gòu)機通過觀測斷面12m時，各點沉降值達到最大值，且在此過程中變形速率較大。由此可以得出，在盾構(gòu)機行進的過程中，盾構(gòu)機頂上的土體沉降值與距離隧道頂面距離成反比，離隧道頂面即盾構(gòu)機越近，土體的沉降值越大，越遠沉降值越小。而在地表處測得的變形值最小，隨著土體與盾構(gòu)機垂直距離的增大，土體在施工過程中所受的影響越小。在盾構(gòu)機逐漸遠離觀測斷面后，注漿壓力開始發(fā)生作用，失水即將固結(jié)的土體沉降在注漿壓力的作用下迅速回縮，并隨著盾構(gòu)機的遠離，最后趨向一個穩(wěn)定值。

隧道軸線上其余縱向各觀測斷面點 ZX2、ZX3、ZX4地表及地表以下不同深度土體的沉降曲線基本與ZX1走勢相同，總體呈現(xiàn)V形形狀。通過對實測數(shù)據(jù)進行分析，可以得出如下結(jié)論：盾構(gòu)在整個推進過程中，對于地表變形豎向位移來說，整個過程總體上分為隆起、沉降、回縮、穩(wěn)定四個階段。對土體變形的整個影響最大區(qū)域發(fā)生在盾前33m至盾后35m共計68m的范圍內(nèi)，此區(qū)域應(yīng)作為工程施工過程中地層形變控制的重點區(qū)域。

2.2 隧道軸線側(cè)方沉降監(jiān)測結(jié)果

同樣以SK0+343.50斷面為例的隧道軸線側(cè)方地表沉降監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)繪制側(cè)方不同深度地層沉降曲線如圖4～圖8所示。

圖4 FC1觀測點Fig.4 ObservationpointFC1

圖5 FC2觀測點Fig.5 ObservationpointFC2

圖4～圖8是隧道軸線側(cè)面與隧道中心線相距6m、12m、20m、35m、52m 的5個觀測點地表及地表以下不同深度土層體的沉降變形曲線。其中FC1～FC5地表處最大沉降值分別為 8.8mm、9.6mm、2.1mm、1.05mm、0.4mm，F(xiàn)C1～FC4地下 6m 處最大沉降值分別為 12.7mm、11.7mm、0.8mm、1.17mm。從圖中可看出，隨著觀測點位置與隧道中心線距離的增加，其觀測到的各觀測點同一深度處土體沉降變形值越小，表明土體在盾構(gòu)推過程受到的擾動越小，距離隧道中心外線外側(cè)52m處的FC5觀測點，地表處的沉降值的浮動區(qū)間只有±1mm，其變形量幾乎可忽略不計。由此可知，盾構(gòu)法施工對隧道中心線兩側(cè)的影響范圍在52m左右，超出這個范圍，其變形值很小。

圖6 FC3觀測點Fig.6 ObservationpointFC3

圖7 FC4觀測點Fig.7 ObservationpointFC4

圖8 FC5觀測點Fig.8 ObservationpointFC5

從上述各圖還可以看出，隨著盾構(gòu)機的接近和遠離，每個測點地表及以下不同深度土層變形的曲線形狀總體上與隧道中心線上方各觀測點沉降變形曲線類似，進一步驗證前面的結(jié)論。同時還可以得出，各觀測點的最大沉降值不是發(fā)生在土體最深處，當測點深度達到一定值后，其最大沉降值反而有所減小。其中，F(xiàn)C1～FC5觀測點最大沉降值分別發(fā)生在地下18m、12m、9m、9m、6m 處，其 值 分 別 為 18.5mm、12.7mm、4.2mm、1.3mm、0.61mm。由此可以得出，隨著觀測點與隧道中心線水平距離的增加，最大沉降量發(fā)生在土層的位置是逐漸抬高的。說明隨著地層深度減小，沉降槽曲率變緩，沉降槽寬度逐漸增大。

2.3 垂直于隧道開挖方向水平位移

以SK0+355.50斷面為例的垂直于隧道軸線側(cè)方的土體水平位移監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)繪制的側(cè)方距盾頭不同長度時土體水平位移曲線，如圖9所示。

圖9 CX1觀測點土體的水平位移Fig.9 CX1Observationpointsoilbodyhorizontaldeparture

從圖9可以看出，在盾構(gòu)機的推進過程中，受影響的土體水平位移變化趨勢比較明顯。在同一觀測斷面位置處，隨著土體的深度的增加，土體向外側(cè)排開的水平位移越大，其土體向外排開的最大值均發(fā)生在地表以下28～30m處，即離隧道距離越近，土體受到的擾運影響越大。從不同觀測時間來看，同一深度處土體向外側(cè)的水平位移是隨著盾構(gòu)機的接近、通過直至遠離是一個反復(fù)排開、回縮的變化過程。在現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)來看，當盾構(gòu)機盾頭接近觀測斷面點4.5m時，影響范圍內(nèi)的土體受擠壓作用向遠離隧道一側(cè)水平移動，水平位移的最大值為8.4mm。隨著盾構(gòu)機的臨近觀測斷面點1.5m時，土體水平位移值減小，表明土體變形稍有回縮，隨后進一步回縮。在通過觀測斷面點3m時達到最大值最大水平位移僅為3.04mm，回縮量達到5.36mm。當盾構(gòu)機遠離增大時，壓力注漿開始發(fā)生作用，土體再次向遠離隧道中心線側(cè)水平移動。至觀測斷面點24m的時候，土體的水平位移達到最大值22.04mm。在盾頭通過測點25.5m時，壓力注漿后的土體固結(jié)，土體水平位移有微量回縮。可以認為，在盾構(gòu)機整個推進過程中，盾構(gòu)機通過觀測斷面點24m時，各深度處的土體水平位移達到最大值。

2.4 平行于隧道開挖方向水平位移

圖10為盾構(gòu)機在推進過程中，觀測點 CX1在平行于隧道開挖方向的水平位移變化圖。由此可以看出，觀測點不同時間點的與隧道平行的水平位移出現(xiàn)在地表以下29～30m處，最大值在盾構(gòu)機距離觀測斷面點4.5m處時，受擾動影響的土體受盾構(gòu)擠壓作用向隧道前方水平移動，水平位移的最大值為22.23mm。隨著盾構(gòu)機的逐漸遠離，土體受擠壓作用依然明顯。在盾構(gòu)機通過觀測斷面點3m時的，土體沿平行隧道軸線方向的位移最大值為35.20mm。隨后由于注漿后土體固結(jié)，土體變形有一定的回縮，當盾構(gòu)機遠離觀測斷面25.5m時，土體固結(jié)基本完成，土體變形回縮到最小值23.07mm，回縮量達到12.13mm，說明土體平行隧道軸線方向的水平位移隨著盾構(gòu)機的接近通過和遠離，其變形是一個排開、回縮的反復(fù)過程。

3 結(jié)論

盾構(gòu)法作為一種安全、快捷、對周圍環(huán)境影響小的隧道施工技術(shù)，近年來已成為各大中城市地鐵隧道施工的首選方法，但如何有效控制盾構(gòu)法施工引起的地表沉降變形量，研究其變形規(guī)律仍是設(shè)計和施工中所要關(guān)心的重點問題。文中以哈爾濱地鐵一號線一期工程哈爾濱南站站—農(nóng)科院站區(qū)間盾構(gòu)法隧道為主要研究對象，在工程現(xiàn)場監(jiān)測和整理分析土體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)法施工過程中土體的變形規(guī)律進行了研究。得到如下結(jié)論如。

（1）由現(xiàn)場實測可知，縱向地表在盾前33m即出現(xiàn)隆起，盾后沉降最大值出現(xiàn)在盾后方12～15m處，在盾尾約35～40m的范圍內(nèi)，土體地表沉降變形趨于穩(wěn)定，因此應(yīng)將盾前33m和盾后35m共計68m長的區(qū)域，作為盾構(gòu)法隧道設(shè)計和施工監(jiān)控的重點區(qū)域。

（2）從隧道軸線側(cè)面的土體變形觀測點來看，隧道側(cè)方土體的變形與距離隧道中心的水平距離成反向關(guān)系。隨著水平距離的增加，土體地表變形值越小。在隧道中心線外側(cè)52m處的地面點的沉降變形值在約為1mm，說明盾構(gòu)法施工對隧道周圍土體的影響范圍約為隧道中心線兩側(cè)52m以內(nèi)。

圖10 CX1觀測點土體的水平位移Fig.10 CX1Observationpointsoilbodyhorizontaldeparture

（3）在隧道盾構(gòu)法施工過程中，整個施工過程引起地表及以下不同深度土體的縱向變形總體經(jīng)歷隆起、沉降、回縮、穩(wěn)定四個階段，前方加壓和后方卸荷的機理不同。盾構(gòu)機對開挖面土體的擠壓力、盾構(gòu)機與圍巖的切向摩擦力是引起前方土體隆起的主要因素，盾構(gòu)通過后的土體損失、盾尾空隙、注漿壓力不足是導(dǎo)致盾后土體的沉降變形主要因素。

（4）從隧道軸線側(cè)方的FC1～FC5觀測點沉降變形曲線統(tǒng)計來看，隨著與隧道中心線水平距離的增加，土體的豎向最大沉降變形值發(fā)生的深度在減小，F(xiàn)C1～FC5觀測點豎向最大沉降值分別發(fā)生在地下15m、9m處、9m處、9m處、6m處，說明隨著埋置深度的增加，沉降槽寬度變窄。

（5）通過對隧道周圍不同深度的土體沉降位移以及垂直和平行于隧道方向水平位移曲線來看，不同深度處土體位移變化明顯。無論是豎向的沉降位移還是水平位移，隧道土體深度的增加，即離隧道中心距離的減小，位移值明顯增大，地表處的位移最小。

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