软土地区盾构停推地表沉降预测模型

刘光和，王 兵，俞嘉椿

LIU Guanghe，WANG Bing，YU Jiachun

(福建华东岩土工程有限公司，福建 福州350001)

土压平衡盾构法施工以施工质量好、对地层扰动小、安全、高效等优点，逐渐成为城市地铁隧道施工的主要施工方法。许多专家学者对盾构隧道施工引起地层位移问题已进行深入研究［1-5］，得到隧道施工地层变形基本规律。在实际施工过程中，由于施工操作不熟练，机械使用时间过长或缺乏必要的保养，在长距离掘进过程中往往容易产生故障而不得不停机。在盾构停机期间，地层的应力状态、位移变形规律没有得到深入研究。实践表明，在停机期间会导致较大的地层变形，从而引起地下结构物的破坏。

泰国曼谷土压平衡盾构施工的地铁隧道实测研究发现［6］，螺旋排土器产生故障而停机，引起103 mm 的地表沉降;之后在盾构机密封的检查而停机，引起55 mm 的地面沉降。在伦敦某人工开挖隧道监测的基础上，发现测点Y1 在盾构机停机5 d 期间分层沉降速度略大于正常掘进测点［4］。林存刚等［7］对盾构停机过程中，地表沉降进行理论分析，认为盾构机停机期间压缩下卧土层，从而增大了建筑孔隙，导致地表附加沉降。在对超大直径土压平衡盾构施工对环境的影响实测分析发现，在盾构机停推过程，位于盾构机前方的土体有明显的下沉趋势［8］。在对美国第一条土压平衡盾构隧道——旧金山排污隧道检测发现，在两处停机处地面沉降急剧发展:进行盾构机与动力系统连接作业，停机15 d，地面最大沉降达76 mm［9］。

综上所述，在盾构机停推过程中，地表沉降变形发展迅速，超过正常掘进过程中地表位移发展速度，往往在停机期间更容易引起地下结构物的破坏。本文结合杭州地铁二号线N—P 区间因盾构停机引起地表沉降的实测资料，总结盾构机在停机期间地表位移的变化规律，并提出停机后地层变形模式及建立地表沉降预测模型，这对类似工程将有一定的借鉴意义。

1 停机前方土层沉降预测模型

在结合有限元模拟分析时发现，在黏性土中，盾构开挖面前方破坏模式为筒仓模式，并指出在开挖面前方土体为以土体内摩擦角2φ 为滑动角成为整体沉降模式［10-11］。

为计算方便，由此可以假定在盾构停机过程中，前方土体向盾构机开挖面作整体移动。整体沉降模型见图1。

图1 停机期间前方土体沉降示意图

对本模型作如下基本假定:

(1)盾构机在停机过程中，前方(Ds+ C)tan 2φ -Ctan2φ 范围内产生沉降变形。而在切口投影前方Ctan2φ 范围内，不受停机影响，地表无沉降。

(2)停机过程中，A 区与C 区不发生任何变形，C 区整体沿与水平线成2φ(φ 为土体内摩擦角)角度向盾构机切口方向移动。

(3)假定土舱土完全被重塑，土体充满土舱，受平均侧向静止土压力为p 作用下，沿开挖面单面排水固结。

(4)在停机过程中，盾构机千斤顶提供足够的压力，盾构机不后退。

(5)由于本工程地表场地为地势开阔、平坦的农业田地，因此地表附加荷载假定为零。

基于上述假定，在盾构机停机过程中，预测模型原理如下:土舱土体在p 作用下压缩固结，在某时间t 内变形量为Δl。与此同时，B 区土体沿与水平面夹角φ 向土舱移动量为Δl。由图1 所示三角函数关系可得在地表沉降变形量:

由式(1)可知，要预测在某时间t 内地表沉降量的关键在于得到B 区土体沿夹角2φ 向切口移动位移Δl，而由以上分析可知，可以把土舱内土体受侧向静止土压力固结压缩看作为一维固结压缩问题。根据固结理论［12］，可得:

在t 时间后，土体固结变形量为

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

杭州地铁N—P 区间掘进采用土压平衡盾构机。盾构机外径Ds= 6.34 m，机体长为8.68 m。隧道管片为预制钢筋混凝土管片，管片外径DO= 6.2 m，内径为Di= 5.5 m。管片采用6 环错缝拼装。由上而下土层分布为填土、黏质粉土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等。本场地地下水位位于地表下2 m。盾构机主要穿越土层为:④1淤泥质黏土，④2淤泥质粉质黏土。各土层物理力学指标参数见表1。

表1 场地主要土层物理力学指标

2.2 NP96 环停机分析

2011年9月26 日在掘进到NP 96，拼装完成NP 90 环时，由于负环拆除及百环验收检查，盾构停推。在停机过程中，保持土压舱满舱，平均土舱压力为0.12 MPa。至10月2日下午3 点，盾构机重新启动，掘进第97 环。在NP96 停机时，在各环对应地表位置测点分布见图2。

图2 NP96 停机测点分布图

在盾构停止推进过程中，加强对地表土体的监测频率。停机前方地表沉降变化见图3。在停推过程中，尽管盾构土舱的土压力保持不变，但盾构机前方地表沉降仍然持续发展，呈现整体下沉或整体上升。图4 给出各测点的位移发展过程。NP100、NP110、NP120 在盾构停机后，各测点的沉降变化规律基本一致，表明前方土体为整体沉降模式。至9月30日早上，监测点沉降量达到最大。最大累积沉降量测点为NP120，总沉降为-5.62 mm。而位于盾构机上方的测点NP90 及NP95 沉降发展速度较快，与上述测点的发展速度有明显的区别，但是与正常掘进地表发展规律一致。

在9月30 下午的重新运行过程中，各地表位移有明显的隆起，由图4 可见，各点的隆起量亦是基本一样大小，呈现前方土体整体隆起的规律。

图3 NP96 环停机地表沉降变化

图4 各测点沉降发展图

在停机过程中，整体沉降变化范围约为5Ds(Ds为盾构机直径)。根据上海地铁隧道施工经验认为:前方土体对盾构施工有明显响应范围为3Ds［3］。在杭州软土地层中，盾构停机前方土体沉降变形范围远大于正常施工的土体扰动范围。这可能是盾构正常推进时，盾构始终能够提供一定的开挖面支护力，而在停机过程中，开挖面支护力随着土舱土体的压力固结，逐渐减小，从而导致停机过程中的扰动范围大于正常推进的扰动施工范围。

2.3 NP197 环停机分析

从2011年10月14日在掘进到NP197 环时，因故停机。在10月17日17 点左右重新启动，掘进一环，切口位于NP198 环，之后，因故障再次停机。在10月14日停机时，保持土压力为0.17 MPa。10月18日4 点左右再次掘进。停机过程中，保持地表监测。NP197 环停机测点分布见图5。

图5 NP197 停机测点分布图

在NP197 环停机时，对地表沉降进行高频率监测。盾构前方土体沉降变化见图6。各个测点沉降随时间变化见图7。测点NP185 位于盾构后方，其沉降正常发展，并在10月18日下午重新掘进，在注浆作用下，产生隆起。而位于盾构正上方及前方测点NP195 及NP200 在盾构停机过程基本不变。

图6 NP197 环停机地表沉降变化

图7 各测点沉降发展图

在盾构机前方的测点沉降量虽然略有波动，在整体上沉降量一致，属于整体沉降。停机的影响范围为5.3Ds。在10月17日上午沉降量达到最大值，随后前方土体呈现整体抬升。可能为在10月18日下午，盾构机重新掘进，在盾构推力作用下土体挤开产生隆起。

图8 给出断面NP225 沉降变化发展曲线。由图8 发现，在停机过程中，地表沉降随着时间呈现整体式沉降，沉降值基本一致。在盾尾通过时，由于同步注浆的作用，地表隆起。

图8 NP225 地表横向沉降图

3 停机地表沉降预测分析

采用本文提出的预测停机期间前方土体沉降模型来预测停机期间位移变化。参数选择如下:

H=Lc=0.76 m，Es=1700 kPa，取k 为水平向渗透系数k=kh=1.5 ×10-8m/s，γw=9.8 kN/m3。

土舱内土体在进入土舱前受到刀盘的切削、挤压等一系列作用，扰动强烈，土体重塑。沈珠江［13］指出在破坏后重塑土固结系数为天然黏土的1/10～1/15 倍。因此可以把土舱内土体的固结系数取为正常条件下的十分之一，则固结系数可得为Cv=0.1kEs/γw=6.36 ×10-9m2/s。

对于NP96 环，在停机时，土舱内实测平均土压力值为0.13 MPa，可以认为p=0.13 MPa;在NP197环停机时，土舱内实测平均土压力值为0.17 MPa，则p=0.17 MPa。分别代入式(4)可以得到两处停机土舱内最终压缩变形量:NP96 为58 mm，NP197为76 mm。

对NP197 处停机计算得到结果见图9。在停机1 d 后，由假设2 可知切口在地表投影3.21 m 范围内无沉降发生;在3.21～31.7 m 范围内，计算沉降量为-3.02 mm。由计算值与实测结果对比，还是可以比较好地反映在停机过程中，盾构停机前方土体的沉降规律。

图9 NP197 停机1 d 实测沉降及预测值

采用上述沉降预测模型对NP197 停机2～3 d停机沉降预测及对NP96 停机进行沉降预测，得到结果与实测结果对比见图10、图11。由图10、图11可见，该整体沉降模型得到的结果与实测结果有较好的吻合，可以反映在停机过程中，前方土体整体沉降的规律。

图10 NP197 停机2～3 d 实测与预测结果对比分析

图11 NP96 停机实测与预测结果对比分析

4 结 语

由以上分析，本文可以得到主要结论如下:

(1)盾构机在停机过程中，地表前方的土体基本为整体下沉的变形模式，并随着时间的增加沉降量增加。而在重新启动后，切口前方土体被挤开，前方地表土体表现为整体隆起。脱离盾构机的测点，基本不受停机的影响。盾构机在停机过程中对前方土体影响范围约为5Ds，大于正常掘进盾构机对前方土体影响约为3Ds的范围。

(2)采用本文提出的模型对停机过程中前方土体沉降的预测，基本可以反映盾构停机过程中前方土体位移的变化。

本研究可预测软土地区盾构停机期间地表土体沉降量，从而为控制地表变形及减少对邻近结构物的影响提供理论依据。

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