哈爾濱地鐵盾構(gòu)施工地表沉降的預(yù)測(cè)與分析

李成河，林 淋，魏艷明

（1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.天津城建隧道股份有限公司，天津300240）

隨著城市交通的發(fā)展，城市陸地公共交通系統(tǒng)已無(wú)法滿足人們對(duì)交通越來(lái)越高的要求，此時(shí)，地鐵這種地下交通系統(tǒng)就會(huì)有極大的發(fā)展空間。哈爾濱地鐵是中國(guó)黑龍江省哈爾濱市的城市軌道交通系統(tǒng)，是中國(guó)首個(gè)高寒地鐵系統(tǒng)。該工程于2008－03－31啟 動(dòng)，規(guī) 劃 有 “九 線 一 環(huán)”，總 里 程340km，哈爾濱地鐵總工程預(yù)計(jì)在20a內(nèi)完成，估算總投資2 000億元。哈爾濱地鐵交通系統(tǒng)的建立必然會(huì)對(duì)哈爾濱的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到不可估量的巨大作用，然而地鐵施工會(huì)引發(fā)地面沉降，造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失，本文以哈爾濱地鐵1號(hào)線盾構(gòu)施工區(qū)域兩側(cè)地面沉降實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析盾構(gòu)施工區(qū)域地面沉降與上覆黑土的厚度關(guān)系。

1 引發(fā)地面沉降的主要施工方法

地鐵施工引起的地面沉降與地鐵施工方法、場(chǎng)地地質(zhì)條件等因素密切相關(guān)，目前國(guó)內(nèi)外地鐵施工中采取的方法主要有以下幾種：

1）明挖施工法。明挖法是指挖開(kāi)地面，由上向下開(kāi)挖土石方至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，自基底由下向上順作施工，完成隧道主體結(jié)構(gòu)，最后回填基坑或恢復(fù)地面的施工方法。

2）蓋挖施工法。該法是在既有道路上先完成周邊圍護(hù)擋土結(jié)構(gòu)及設(shè)置在擋土結(jié)構(gòu)上代替原地表路面的縱橫梁和路面板，在此遮蓋下由上而下分層開(kāi)挖基坑至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再依序由下而上施工結(jié)構(gòu)物，最后覆土恢復(fù)為蓋挖順作法；反之先行構(gòu)筑頂板并恢復(fù)交通，再由上而下施工結(jié)構(gòu)物為蓋挖逆作法。

3）盾構(gòu)法。我國(guó)應(yīng)用盾構(gòu)法修建隧道始于20世紀(jì)50～60年代的上海。最初是用于修建城市地下排水隧道，采用比較老式的盾構(gòu)機(jī)（如網(wǎng)格式、壓氣式、插板式等），80年代末90年代初開(kāi)始采用土壓式、泥水式等現(xiàn)代盾構(gòu)修筑地鐵區(qū)間隧道。盾構(gòu)法具有安全、可靠、快速、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前，該方法已經(jīng)在我國(guó)的地鐵建設(shè)中得到了迅速的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各城市地鐵采用的盾構(gòu)機(jī)已有60多臺(tái)。盾構(gòu)，是一種全封閉的隧道掘進(jìn)機(jī)（既能支承地層的壓力又能在地層中掘進(jìn)的施工機(jī)具），襯砌管片提供反力，能連續(xù)掘進(jìn)。一面保持開(kāi)挖面及圍巖穩(wěn)定，一面進(jìn)行隧道掘進(jìn)、出土，并在盾尾內(nèi)拼裝管片形成襯砌，及時(shí)實(shí)施注漿，在盡可能不擾動(dòng)圍巖條件下修建隧道。盾構(gòu)施工方法有三大要點(diǎn)：開(kāi)挖面的穩(wěn)定、盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)路線高精度推進(jìn)（盾構(gòu)姿態(tài)、隧道方向）、襯砌作業(yè)隨著技術(shù)進(jìn)步、認(rèn)識(shí)提高、綜合國(guó)力的增強(qiáng)，盾構(gòu)法越來(lái)越多地被國(guó)內(nèi)地鐵界所接受。盾構(gòu)法除豎井施工外，施工作業(yè)均在地下進(jìn)行，有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)周?chē)h(huán)境影響小。②盾構(gòu)掘進(jìn)不受地形、地貌、江河水域等地表環(huán)境條件的限制。③地表占地面積小。④適于大深度、大地下水壓施工。⑤施工受天氣條件限制小。⑥適用地層范圍寬，軟土、砂卵石、軟巖、硬巖層均可使用。

哈爾濱市地鐵1號(hào)線哈爾濱工程大學(xué)至太平橋站區(qū)間隧道以目前地鐵施工較為流行的盾構(gòu)法進(jìn)行施工，這是哈爾濱市首條采用盾構(gòu)施工貫通的地鐵隧道，其所采用地鐵隧道盾構(gòu)施工法屬全省首次應(yīng)用。該隧道由中鐵一局哈爾濱項(xiàng)目部承建，主要包括三站兩區(qū)間及出入段線。其中含盾構(gòu)區(qū)間：工程大學(xué)站至太平橋站、太平橋站至交通學(xué)院站、車(chē)輛段入段線、車(chē)輛段出段線，合計(jì)盾構(gòu)施工總長(zhǎng)度3 431.658m。雖然地鐵的盾構(gòu)施工有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于受地層損失、盾構(gòu)隧道周?chē)鷶_動(dòng)及受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)等因素影響，地鐵盾構(gòu)施工一定會(huì)引起地面一定程度的沉降，隨著城市建筑群越來(lái)越密集，在地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中根據(jù)簡(jiǎn)單因素快速估計(jì)盾構(gòu)施工引起的地面沉降具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 哈爾濱地鐵盾構(gòu)施工段沉降統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源

本文以哈爾濱地鐵1號(hào)線盾構(gòu)施工隧道段的地面沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)場(chǎng)地地質(zhì)勘查資料為數(shù)據(jù)源進(jìn)行了地面沉降與盾構(gòu)施工上覆黑土厚度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，全部參與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)如表1所示。

3 回歸方法簡(jiǎn)介及回歸結(jié)果

本次回歸分析采用最小二乘法，該方法主要步驟如下：假設(shè)所給數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi，yi），i＝1，2，…，N 的分布大致成一直線近似成立，則應(yīng)有方程

設(shè)＾y＝a＋bxi，i＝1，2，…，N 代表擬合直線y＝a＋bx求得的近似值，對(duì)于給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi，yi）求作一次方程式y(tǒng)＝a＋bx，使總誤差滿足

為最小，為使Q達(dá)到極值，參數(shù)a，b應(yīng)滿足方程

求出a，b即為回歸方程回歸系數(shù)值。

本次地面沉降與上覆黑土厚度回歸結(jié)果詳見(jiàn)式（3），回歸擬合關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 黑土厚度與盾構(gòu)施工地面沉降擬合關(guān)系

4 結(jié) 論

本文以實(shí)際盾構(gòu)施工中觀測(cè)的地面沉降數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以地鐵隧道上方覆蓋黑土的厚度為擬合因素，提出了一種快速估計(jì)盾構(gòu)施工引發(fā)地面沉降的計(jì)算公式，根據(jù)地面沉降觀測(cè)結(jié)果及本文的統(tǒng)計(jì)分析，主要得出以下結(jié)論：

1）從地面沉降數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，哈爾濱地鐵1號(hào)線盾構(gòu)施工區(qū)域地面沉降均不大于30mm，滿足國(guó)家規(guī)范要求，不會(huì)引發(fā)地質(zhì)及周?chē)ㄖ膿p害。

2）盾構(gòu)隧道上方黑土土層厚度與地面沉降值有較大的相關(guān)性。

3）本文僅以隧道上方覆蓋黑土厚度為擬合因素，還有其它與沉降密切相關(guān)的因素沒(méi)有考慮，今后的研究工作除考慮上覆黑土厚度這一因素外，還應(yīng)考慮隧道土層含水率、隧道施工深度等其它與盾構(gòu)施工沉降量相關(guān)的因素。

4）今后哈爾濱地鐵施工中可以考慮通過(guò)本文提出的方法進(jìn)行施工區(qū)域沉降估計(jì)，繼而為更合理地布置施工沉降觀測(cè)點(diǎn)提供參考。

5）本文的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)全部來(lái)自哈爾濱地鐵施工，提出的估計(jì)方法是否適用于其他地區(qū)還需進(jìn)一步研究印證。

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