北京地区典型地层条件下盾构始发对地表沉降的影响分析

岳楹沁 李辉

摘要：本文以北京地铁7号线工程某盾构区间为依托，运用理论分析并结合工程实测数据对盾构始发出洞后，即刻下穿铁路专用线、厂房所引起的地表沉降进行综合分析，总结出盾构整体始发、分体始发并下穿地面复杂环境对地表变形的影响规律。

关键词：盾构始发；复杂环境；地表沉降

1前言

随各城市地铁网络初具规模，越来越多新建地铁车站不得不选在周边环境复杂，地面建构筑物密集区域，为避免车站暗挖大跨断面施工的风险，仍采用明挖施工，而连接站点的区间常采用暗挖法施工，由于盾构施工对周边环境影响较小而广泛采用，因此复杂地面环境下，盾构始发出洞就须下穿重要建构筑物，极易引起地面沉降[1][3]，带来风险隐患。

2地面沉降实测分析

2.1区间概况

北京地铁7号线工程某盾构区间位于朝阳区东四环外，区间全长955m。采用一台海瑞克土压平衡盾构机施工，盾构管片外径6m，内径5.4m，每环管片长1.2m，厚0.3m，先推进右线，转场后继续推进左线，左右线分别从车站西端盾构井始发，右线受盾构井东侧结构施工的影响，采用分体始发，左线施工时盾构井东侧结构施工已完成，故采用整体始发。盾构始发段100m范围内，需下穿铁路专用线（距离始发端5.9m）、兆豐陶瓷厂（距离始发端20m），隧道拱顶埋深11m～12m，线路纵坡10.9‰，盾构推进方向为下坡，在平面上位于直线段，盾构始发段与铁路及厂房关系如图1

图1 下穿段平面示意图

隧道穿越段自上而下土层分别为①粉土素填土；③粉土； ③3粉细砂；③粉土； ③1粉质粘土；④3粉细砂；⑥2粉土，洞身均位于④3粉细砂层中，如图2

图2下穿段纵断面图

2.2线路加固方案

盾构始发前采用旋喷桩、袖阀管对周边地层进行加固，加固区分两部分，一为起限制隔离作用（旋喷加固区），一为增加线路上方土体承载力及抵抗变形能力（斜孔注浆加固区）。

图3线路加固剖面图

2.3现场实测方案

本次监测点布置如下：

铁路路基沉降测点：垂直盾构掘进方向设置两个监测断面，每个断面设16个监测点，共32个测点。

地表沉降点：沿盾构推进方向每30m设一个监测点。

厂房基础沉降测点：沿厂房每20m设一个监测点。（图4）

图4 测点平面图

2.4盾构始发地面沉降变形分析

（1）盾构右线分体始发沉降分析

本工程右线施工受场地影响，盾构采用分体始发，于2012年11月26日开始掘进，分体始发掘进共85m，先后下穿铁路专用线、厂房，于厂房西侧空地内盾构后配套全部下井开始整体始发（12月10日），分体始发到整体始发共历时15天。

A11点为土体加固区地表沉降测点，盾构施工前该部分土体已完成加固，受土体改良影响地表沉降明显得到抑制，最大沉降值约4.39mm，并于12月10日盾构整体始发后趋于稳定。J14、J11、J08、J05为沿线地表测点，11月26日至12月8日，沉降发展较快，12月9日出现地表最大沉降值14.23mm（J05点），之后沉降基本稳定，见图5

图5右线地表沉降

（2）盾构左线整体始发沉降分析

本工程左线施工时已具备盾构下井条件，故采用整体始发于2013年4月2日开始掘进，穿越铁路专用线、厂房段共历时10天于4月12日到达右线整体始发位置。

A06点为土体加固区地表沉降测点，盾构施工前该部分土体已完成加固，受土体改良影响地表沉降明显得到抑制，最大沉降值约3.11mm。J16、J10、J07、J03为沿线地表测点，4月2日至4月12日沉降发展较快，4月14日出现地表最大沉降值17.9mm（J03点），之后各点沉降基本稳定，见图6

图6左线地表沉降

3地面沉降模拟计算分析

模拟中建立隧道实体模型。开挖中通过对各单元网格钝化，来模拟盾构机掘进。在每个掌子面开挖前施加均匀压力，来模拟盾构机掘进压力。对注浆模拟，计算中引入等代层概念[2]，模拟盾尾注浆。通过对等代层实体进行网格划分，定义等代层注浆材料特性。计算中激活全部土体，添加自重荷载，作为计算模型初始状态。随后盾构隧道开挖面施加掘进压力，模拟盾构机顶推力，钝化开挖范围内土单元及注浆单元，同时激活同一位置衬砌单元。对盾构整体始发与分体始发模拟，主要通过调整单位时间内开挖进尺长度的办法，实现对不同始发状态下盾构掘进所引起围岩变形趋势的预测。

围岩变形分竖向变形与横向变形两种，竖向变形主要考虑拱顶变形和地表变形两种情况，拱顶变形过大会使支护结构变形过大和影响围岩稳定性，而地表沉降则是对地表环境产生影响。

4结论与建议

通过施工实测数据及数值模拟，分析盾构始发段地表沉降规律及围岩位移分布变化情况，得结论及建议如下：

（1）始发段地基加固至关重要，盾构洞门打开后能防止洞口掌子面坍塌以及掘进过程中的水土流失，从而有效的抑制地表沉降；（2）始发段临近建构筑物，合理的土层加固措施，对于变形控制具有较明显的效果；（3）盾构整体始发与分体始发对于地表沉降的影响主要在于施工中的过程控制，实测数据显示分体始发时的地表沉降略大于整体始发阶段；（4）从地表沉降的发展趋势看，砂质粉土地层沉降主要产生于施工过程中，地面沉降从产生到稳定的时间较短（10～15d），盾尾脱出后6～8天沉降基本呈稳定趋势，后期沉降变化非常小。结果表明在砂质粉土地层中施工引起的短期沉降量较大，长期固结沉降量较小。

参考文献

[1]吴韬，韦良文，张庆贺.大型盾构出洞区加固土体稳定性研究[J].地下空间与工程学报，2008，4（3）：85～90，193.

[2]王丽霞；凌贤长；张云龙.哈尔滨市松花江隧道顶部覆土安全厚度预测模型[J].岩石力学与工程学报，2003，22（5）：163-168.

[3]吴波，高波，索晓明.地铁隧道开挖与失水引起地表沉降的数值分析[J].中国铁道科学，2014，25（4）：59-63.