地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制技術(shù)研究

劉建國

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司， 甘肅 蘭州　730000)

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地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制技術(shù)研究

劉建國

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司， 甘肅 蘭州730000)

[摘要]地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)在黃土地層中應(yīng)用廣泛。但由于黃土地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)存在很多安全隱患。地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降控制技術(shù)與盾構(gòu)安全施工緊密聯(lián)系，因此，對(duì)地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制技術(shù)研究極具實(shí)用價(jià)值。以西安地鐵為研究對(duì)象，首先基于土力學(xué)理論，對(duì)引起地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降的因素進(jìn)行分析，然后利用半解析法以及數(shù)值分析法分析各因素對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出了隧道施工穿越古城墻的新方法，增強(qiáng)了土體力學(xué)性能參數(shù)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，降低了地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降現(xiàn)象。為西安未來地鐵隧道施工的發(fā)展提供借鑒，也為已有隧道技術(shù)提供了新的模式。

[關(guān)鍵詞]地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)； 黃土地層； 隧道； 地表沉降

0前言

地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)具有很多優(yōu)勢，譬如：可以提供保護(hù)，使開挖與襯砌的安全性提高；可以采用解析化與自動(dòng)化的掘進(jìn)、運(yùn)土以及管片拼裝，使得工作效率增強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度減少；且對(duì)地面交通不會(huì)造成影響，也不受外界環(huán)境的限制，且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在黃土地層的地鐵隧道施工中應(yīng)用廣泛。但由于黃土地層本身的復(fù)雜性，使得地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)存在很多安全隱患，地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的安全問題與地表沉降密切相關(guān)，因此對(duì)地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制技術(shù)研究極具實(shí)用價(jià)值?，F(xiàn)今，關(guān)于地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降的控制方法，還僅僅依靠采取嚴(yán)密措施降低沉降，不能有效解決黃土地層中地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降?；诖耍疚囊晕靼驳罔F為例，提出隧道施工穿越古城墻的新模式，通過增強(qiáng)土體力學(xué)性能參數(shù)，來降低地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降現(xiàn)象。

1黃土地層概述

黃土地層主要以黃土為主。黃土作為一種特殊的土，在分布在一定的區(qū)域。黃土地層的顆粒組成以粉粒為主，大概占據(jù)60%～70%。

黃土地層的結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)在：

① 對(duì)黃土來講，其具有發(fā)育完全的豎向節(jié)理，但水平機(jī)理發(fā)育較差。黃土地層的主要分布區(qū)域在干旱地區(qū)或者是半干旱地區(qū)。在該地區(qū)，長時(shí)間受蒸發(fā)與干縮的影響，以及水的淋溶作用，使得黃土地層具有極為明顯的豎向節(jié)理；在風(fēng)的作用下，黃土物質(zhì)會(huì)被搬移到極為遠(yuǎn)的地區(qū)，當(dāng)顆粒均勻混合，且在同一地區(qū)沉積，會(huì)由于成分、顆粒、顏色等的區(qū)別，是黃土結(jié)構(gòu)層次明顯。

② 黃土地層中存在古土壤夾層，在黃土沉積條件下，在黃土表層被剝燭，從而形成剝蝕面，并阻斷土壤進(jìn)程化，這便形成了上下層之間的不整合面或者是假整合面。土壤中存在較多的有機(jī)物，具有不同的礦物成分以及顆粒。由于受當(dāng)?shù)貧夂颉⒔?jīng)歷時(shí)長以及生態(tài)環(huán)境等的影響，使得這些古土壤夾層表現(xiàn)出不同的顆粒大小及其顏色和厚度。黑沙土位于新黃土上部，呈現(xiàn)灰色。在古土壤夾層中有多個(gè)古土壤，這表明第四紀(jì)氣候存在氣候大幅度更替的特征。

③ 黃土地層中還有鈣質(zhì)結(jié)核存在。且具有較多的韓質(zhì)，形成的主要原因在于水自上而下的淋溶。對(duì)韓質(zhì)開始富集時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)白色斑點(diǎn)或者是菌絲狀、網(wǎng)狀形式；高度富集狀態(tài)，則會(huì)呈現(xiàn)硬結(jié)成塊，且大小和形狀表現(xiàn)出不規(guī)則形式，結(jié)核的呈現(xiàn)形式則表現(xiàn)在直立、群狀以及按層分布。常見的結(jié)核表現(xiàn)在半巖石形態(tài)，結(jié)核處于高密集、硬結(jié)狀態(tài)。

2地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降影響因素分析及變形計(jì)算

2.1影響因素分析

在地鐵盾構(gòu)施工中，影響地表沉降的主要因素包括：

① 正面附加推力。

正面附加推力在-20～20 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)。如果附加推力太大，則必將導(dǎo)致開挖面前方土體隆起，使得地表沉降。

② 盾構(gòu)與土體之間的摩擦力。

在施工過程中，盾構(gòu)與土體之間緊密接觸，這使得盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過程中，會(huì)引起土體移動(dòng)。土體移動(dòng)后會(huì)重新固結(jié)，導(dǎo)致地表發(fā)生變形引起沉降。

③ 盾構(gòu)開挖過程會(huì)有盾尾間隙產(chǎn)生。

盾構(gòu)在實(shí)施開挖時(shí)，為了確保盾構(gòu)可以順利實(shí)施，刀盤外徑一般都要超過盾構(gòu)殼外徑。因此，盾構(gòu)殼外圍會(huì)有厚度差存在，推進(jìn)方向產(chǎn)生改變引起超挖；土體也可能進(jìn)入盾尾間隙，導(dǎo)致土體損失，從而引起地表沉降。

2.2變形計(jì)算

基于地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降的影響因素，以半解析法為基礎(chǔ)，對(duì)各因素引起的地表沉降量進(jìn)行分析，從而為盾構(gòu)進(jìn)行隧道地表沉降控制提供依據(jù)。盾構(gòu)在進(jìn)行具體施工時(shí)，其施工基本力學(xué)模型如圖1所示。

圖1　盾構(gòu)施工力學(xué)模型Figure 1　Mechanical model of shield construction

并進(jìn)行假定，即：土體屬于半無限體，具有不固結(jié)、不排水、均質(zhì)的特性；盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)方法采用直線模式；盾構(gòu)機(jī)為均勻分布受載，換句話說，土體與盾構(gòu)機(jī)之間的摩擦力沿盾構(gòu)機(jī)方向均勻分布，正面附加推力的方向則為圓形方向分布；盾構(gòu)進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，僅僅考慮空間位置變化，對(duì)于時(shí)間效應(yīng)則忽略。具體變形分析如下：

① 正面附加推力導(dǎo)致的地表沉降變化計(jì)算。

由圖2所示，選取盾構(gòu)機(jī)工作面的圓形區(qū)域，取面元微分rdrdθ，基于Mindlin解公式可得出在正面附加推力作用下土體位移豎直方向的變形公式(1)：

(1)

其中：

(2)

式(1)通過直接積分求得結(jié)果比較困難，因此基于數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

正面附加推力的大小一般為-20～20 kPa之間，黃土地層的土體模量為2.8 MPa，泊松比μ為0.3，所以G大小為 1.076 9。西安地鐵的襯管半徑為3 m，但在實(shí)際開挖時(shí)，要超挖情況存在，因此，D取3.05 m。隧道埋深相同，此時(shí)x=10 m，h=15 m。正面附加推力相同，此時(shí)x=10 m，P=10 kPa。

計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　相同隧道埋深時(shí)地表沉降隨正面附加推力的變化曲線Figure 2　Surface subsidence curve with additional thrust front under the same tunnel depth

圖3　相同正面附加推力地表沉降隨隧道埋深的變化曲線Figure 3　Ground settlement curve with the tunnel depth under same positive additional thrust

由圖3可知：隧道埋深相同的情況下，地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降隨正面附加推力的增加而增大，但地表沉降的范圍基本不變。盾構(gòu)推力的大小與地表沉降密切相關(guān)，當(dāng)正面附加推力超過穩(wěn)定開挖面所需壓力時(shí)，地表會(huì)隆起；當(dāng)?shù)陀诜€(wěn)定開挖面所需壓力條件下，則地表會(huì)沉降。由圖4可知，在正面附加推力相同的條件下，當(dāng)?shù)乇碡Q直方向位移量距離隧道軸線±15 m以內(nèi)時(shí)，盾構(gòu)隧道地表的變形隨隧道埋深的增加而降低；在距離隧道軸線±15 m以外，則隨隧道埋深的增加而增大，但增加比例較低。

② 盾構(gòu)與土體相互摩擦造成的地表沉降計(jì)算。

同正面附加推力相同，見圖1，選取盾構(gòu)機(jī)工作面的圓形區(qū)域，取面元微分rdrdθ，基于Mindlin解公式可得出在正面附加推力作用下土體位移豎直方向的變形公式(3)：

(3)

其中：

(4)

式中：L表示盾構(gòu)機(jī)長，m；p1則代表盾構(gòu)機(jī)與土體之間單位面積摩擦力，kPa，大小為p1=σN×f，f為摩擦系數(shù)，σN代表正壓力。對(duì)(3)計(jì)算，同正面附加推力的變形計(jì)算相同，分兩種情況，即：隧道埋深相同，此時(shí)x=10 m，h=15 m；摩擦力相同，此時(shí)x=10 m，p1=4 kPa。計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

如圖4可知：在隧道埋深相同的情況下，地表變形量隨摩擦力的增大而增大，且摩擦力作用，地表會(huì)產(chǎn)生隆起。因此，在盾構(gòu)施工時(shí)，可以通過減少盾殼與土體之間摩擦力的方式，控制地表沉降。由圖5可知：在隧道埋深相同的條件下，在距離隧道軸線±20 m范圍內(nèi)，對(duì)隧道埋深的增大，地表變形量降低；當(dāng)在距離隧道±20 m范圍外，隨隧道埋設(shè)的增大，地表變形量增加。

圖4　隧道埋深相同條件地表變形量與摩擦力的關(guān)系Figure 4　The relationship between surface deformation and friction under tunnel depth same conditions

圖5　摩擦力相同條件下地表變形量與隧道埋深的關(guān)系曲線Figure 5　The relationship between surface deformation and tunnel depth under the same friction

③ 盾尾間隙引起的地表變形計(jì)算。

Loganathan等人前人工作的基礎(chǔ)上，利用地層損失系數(shù)的概念以及Lee等人提出的間隙參數(shù)的概念，并結(jié)合土在隧道內(nèi)的移動(dòng)方向?yàn)闄E圓形，且分布不均勻的特點(diǎn)(見圖6)，可知，在短期不排水地層中，地表的變形量如式(5)所示。

(5)

式中：g為間隙參數(shù)。

圖6　隧道周邊土體的均勻徑向變形和橢圓形變形Figure 6　Uniform radial of tunnel surrounding soil deformation and deformation oval

對(duì)(5)式進(jìn)行計(jì)算同樣分2種情況，即：隧道埋深相同條件下，取h=15 m；地層損失率相同條件下，取g=25 mm。計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7　相同隧道埋深條件下地表變形與地層損失的關(guān)系圖Figure 7　The relationship between surface deformation and ground loss of same tunnel depth

圖8　盾尾間隙相同條件下地表變形與隧道埋深的關(guān)系圖Figure 8　The relationship between surface deformation and tunnel depth of the same ground loss

由圖7可知：相同隧道埋深條件下，隨盾尾間隙的增加，地表沉降增大。因此在地鐵黃土地層中，盾構(gòu)隧道施工中，要嚴(yán)格控制盾尾間隙。由圖8可知：盾尾間隙相同情況下，在距離隧道埋深±10 m范圍內(nèi)，隨隧道埋深的增加，地表變形減少；在距離隧道埋深±10 m范圍以外，則隨著隧道埋深的增加，地表變形增加。

地表沉降大小則是正面附加推力、盾構(gòu)與土體之間的摩擦力以及盾尾間隙三者共同作用產(chǎn)生的。因此，對(duì)地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制應(yīng)綜合考慮這三個(gè)因素的影響。

3地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制

技術(shù)

3.1工程概述

西安地鐵2號(hào)線的建設(shè)需要穿越明代建筑物的古城墻，該古城墻屬于國家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物。依據(jù)國家文物局專家的相關(guān)意見，在進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，隧道地表沉降值應(yīng)控制在+15～-15 m，誤差必須控制在1‰，如此可使城墻的穩(wěn)定不受影響，也不會(huì)改變古城墻原貌。以地鐵2號(hào)線某區(qū)間為例。該區(qū)間的具體概況如下：1～2.2 m處屬于素填土，在2.2～11.4 m處新黃土，在11.4～14.8 m處則以古土壤為代表，14.8 m以下直至20 m處，土質(zhì)為老黃土，20 m以下的土質(zhì)則為古土壤。在施工過程中，主要的施工參數(shù)如下式所示：

L=8.68 m，g=25 m，G=1.076 9 m，D=6.18 m等。

在進(jìn)行地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制之前，首先要對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)測。本文利用上述3種因素對(duì)地表變形的計(jì)算分析，可得出最大沉降值為15 mm，已達(dá)到隧道施工沉降值上限，因此，必須進(jìn)行地表沉降控制。

3.2地表沉降控制技術(shù)

① 科學(xué)設(shè)置正面推動(dòng)壓力，避免超挖現(xiàn)象產(chǎn)生。

科學(xué)設(shè)置正面推動(dòng)面壓力，必須以地表監(jiān)測數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。譬如，在穿越永寧門城墻段時(shí)，依據(jù)隧道埋深為15～17 m，因此，正面推動(dòng)壓力應(yīng)在1 200～1 500 t。此外，在進(jìn)行具體施工時(shí)，還要依據(jù)施工情況進(jìn)行調(diào)整。為避免超挖現(xiàn)象出現(xiàn)，還要對(duì)每環(huán)的出土量進(jìn)行控制，一般控制在54 m3左右。

② 穿越古城墻時(shí)，要減慢推進(jìn)速度，且確保速度穩(wěn)定，盾構(gòu)控制方向要恒定，避免出現(xiàn)大量值糾偏。

盾構(gòu)的推進(jìn)速度收土壓力、千斤頂總推力等的影響，因此，要綜合考慮。地表沉降與盾構(gòu)推進(jìn)速度密切相關(guān)，當(dāng)推進(jìn)速度過大時(shí)，土壓力相應(yīng)增大，對(duì)土體擾動(dòng)變回加大。為保證盾構(gòu)順利實(shí)施，對(duì)推進(jìn)速度要嚴(yán)格控制，通?？刂圃?0～15 mm/min，對(duì)每天的掘進(jìn)量也要嚴(yán)格把控，使其控制在8環(huán)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越古城墻時(shí)，盡量保證盾構(gòu)的工作狀態(tài)最佳，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)軸線與糾偏量間的夾角進(jìn)行嚴(yán)格把控，確保糾偏坡度控制在±1‰范圍內(nèi)，平面偏差也要嚴(yán)格控制，使其在±30 mm內(nèi)，且要確保每次的糾偏量低于5 mm。

③ 盾構(gòu)施工過程中，要進(jìn)行同步注漿，確保漿液飽滿。

在進(jìn)行同步注漿過程中，要對(duì)注漿壓力進(jìn)行控制，如果注漿壓力太小，則會(huì)降低漿液填充速度，使得填充不充分，當(dāng)空隙存在條件下，會(huì)增加地表的變形量；當(dāng)壓力過大，也會(huì)導(dǎo)致管片外的土層被漿液擾動(dòng)，導(dǎo)致施工后期產(chǎn)生沉降，引起盾尾漏漿。所以，對(duì)注漿壓力要進(jìn)行嚴(yán)格把控。一般來講，同步注漿壓力與盾尾入口密切相關(guān)，通常要稍微超過靜止時(shí)水壓與土壓之和，并以填補(bǔ)為主。由于每環(huán)壓漿量為建筑空隙的1.5～2倍，因此，注漿量一般在3.6 m3以上，注漿壓力為0.15～0.25 MPa。對(duì)漿液進(jìn)行合理配比，確保漿液在進(jìn)入間隙后6～8 h內(nèi)初凝。

④ 及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

當(dāng)管片脫落盾尾5環(huán)時(shí)，便要開始進(jìn)行二次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿大小一般為同步注漿量的30%。由于原有漿液凝固，產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致空隙產(chǎn)生，因此要進(jìn)行多次、少量補(bǔ)漿的模式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。二次注漿的時(shí)間應(yīng)依據(jù)地表沉降情況進(jìn)行決定。當(dāng)盾構(gòu)穿越古城墻時(shí)，要確保每推進(jìn)6環(huán)便進(jìn)行一次環(huán)箍注漿。兩個(gè)環(huán)箍間要進(jìn)行多次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿位置應(yīng)設(shè)置在環(huán)箍之后的第二環(huán)以及第四環(huán)的位置，而注漿位置則應(yīng)控制在隧道頂部與其毗鄰處的接環(huán)管片位置。補(bǔ)漿時(shí)間則在環(huán)箍補(bǔ)漿之和大概12 h左右進(jìn)行補(bǔ)漿。且應(yīng)分為兩次進(jìn)行，每次間隔24 h。為確保多次補(bǔ)漿對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，要確保盾構(gòu)推進(jìn)的連續(xù)性，并在最末處的臺(tái)車上安裝一補(bǔ)漿罐車，使其具有漿液儲(chǔ)備能量，漿液儲(chǔ)備量應(yīng)控制在7.5 m3。

⑤ 嚴(yán)格把控盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾尾間隙勻稱。

通常情況下，盾構(gòu)姿態(tài)與盾尾處漏漿密切相關(guān)。在推進(jìn)過程中，盾尾處漏漿，會(huì)引起地面發(fā)生沉降。因此，盾構(gòu)在進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，要對(duì)盾構(gòu)的推進(jìn)軸線進(jìn)行嚴(yán)格把控，使其與設(shè)計(jì)軸線吻合，并確保使其均勻分布在盾尾四周的間隙處。為保證盾尾處不漏漿，通常以盾尾油脂壓注量作為基礎(chǔ)，確保盾尾油脂量的注入量超過正常值的20 kg。

⑥ 對(duì)施工過程嚴(yán)格控制，確保盾構(gòu)在穿越古城墻過程中連續(xù)進(jìn)行。

盾構(gòu)機(jī)的機(jī)重高達(dá)300 t，因此，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，如果由于意外造成長時(shí)間停機(jī)，則會(huì)導(dǎo)致地面沉降。為保證盾構(gòu)機(jī)連續(xù)推進(jìn)，因此，在進(jìn)行推進(jìn)之前，要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面徹底檢測，并對(duì)可能存在的缺陷與故障做好檢測。

4結(jié)論

本文以西安地鐵為研究對(duì)象，首先基于土力學(xué)理論，對(duì)引起地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降的因素進(jìn)行分析，然后利用半解析法以及數(shù)值分析法分析各因素對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。實(shí)踐證明，該方法可以很好的預(yù)測地表沉降值，可以為地表沉降的監(jiān)測方案提供借鑒與參考。同時(shí)，該方法還證明影響沉降的主要因素為正面附加推力、盾構(gòu)與土體之間的摩擦力以及盾尾間隙。在此基礎(chǔ)上，提出了隧道施工穿越古城墻的新方法，增強(qiáng)了土體力學(xué)性能參數(shù)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，降低了地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降現(xiàn)象。該模式在西安地鐵上應(yīng)用，成功降低了地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降量。

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Control Technology in Loess Strata Metro Shield Tunnel Surface Settlement

LIU Jianguo

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Ltd， Lanzhou， Gansu 730000， China)

[Abstract]The construction of subway shield technology is widely used in loess strata.However，due to the complex structure of loess formations，makes the construction of metro shield technology，and lead to many security risks.Metro Shield Tunnel Shield surface subsidence control technology is close to safety construction，therefore，the subway tunnel shield loess strata surface subsidence control technology very practical value.Taking Xi’ an Metro for the study，first based on soil mechanics theory，analyze the factors of leading to the formation of loess subway tunnel shield surface settlement，and then analyze the influence of various factors on the surface subsidence using semi-analytical method and numerical analysis.On this basis，we propose a new method of tunneling through the ancient city wall，and enhance the physical properties of soil parameters，improve economic efficiency and reduce the surface subway shield tunnel subsidence phenomenon.Not only provide a reference for future development of Xi’ an metro tunnel construction，but also provide a new model of existing tunneling technology.

[Key words]metro shield construction technology； loess strata； tunnel； surface subsidence

[收稿日期]2015-12-21

[作者簡介]劉建國(1980-)，男，陜西寶雞人，工程師，從事橋梁或隧道施工與管理工作。

[中圖分類號(hào)]U 456.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0141-06