长沙起伏板岩地层盾构施工地表沉降预测研究



长沙起伏板岩地层盾构施工地表沉降预测研究

晁峰1,2，王明年1,2，刘大刚1,2，霍建勋1,2

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；

2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:为有效指导起伏板岩地层盾构施工，保证施工安全，以长沙地铁2号线西延线一期工程为工程背景，通过数据统计分析、数值模拟等方法对湘江以西地区起伏板岩地层盾构施工地表沉降预测方法进行研究，包括地表有、无建筑物两种情况。研究结果表明：通过对依托工程单线盾构隧道施工地表沉降实测数据进行拟合分析，发现沉降曲线与Peck曲线吻合较好，表明Peck公式在该地区的适用性；通过计算分析，该地区无建筑物地表沉降预测沉降槽宽度系数取值范围为0.4~0.6，地层损失率取值范围为0.6%~1.2%；从施工风险控制和工程应用观点出发，对于有建筑物时地表沉降预测方法进行了探讨，可以保守选用无建筑物预测方法。本文研究成果可为本地区类似工程施工提供借鉴。

关键词：起伏板岩地层;盾构施工;地表沉降预测;建筑物

1地表沉降预测方法

国内外学者提出了一系列预测方法，主要有经验公式法、解析法、数值模拟分析法、模型实验法等。经验法主要是根据隧道开挖后地表沉降槽的大致形状，采用某一种特定曲线形式来表示，再根据实测结果或己有的资料，确定曲线的具体参数。目前，最常用的经验公式为Peck公式[5-6]。隧道施工引起的横向地表沉降曲线如图1所示。

图1　Peck曲线Fig.1 Peck curve

地表沉降的预测公式如下：

(1)

(2)

式中：S(x)为地表距离隧道中心线距离x处的地表沉降，mm；Smax为隧道中心线上的地表沉降，mm；i为地表沉降槽宽度，m；i=Kz0；K为沉降槽宽度系数；z0为隧道轴线深度，m；Vs为单位长度地表沉降槽体积；Vl为地层损失率；A为开挖面积，m2。

2依托工程概况

长沙地铁2号线西延线一期工程包含4站4区间，总长约4.2 km，见图2，区间采用盾构法施工，盾构管片外径6.0 m，内径5.4 m，管片厚度300 mm，幅宽1.5 m，分块方式为”3+2+1”，盾构机采用中铁重工生产的ZTE6250型复合式土压平衡盾构机。依托工程盾构穿越的地层主要有强风化板岩、中风化板岩、微风化板岩和粉质黏土等，地层分界线空间起伏不均，基岩为板岩，部分区段微风化板岩强度达70 MPa。图3为一个代表性区间的地质断面图。

图2　长沙地铁2号线西延线一期工程Fig.2 First phase of west extension line of Changsha metro line 2

图3　文-梅区间典型地质断面图Fig.3 Typical geological longitudinal section of Wenhua Yishu Zhongxin Station-Meixihu Dong Station

4区间盾构施工顺序依次为望-梅区间、文-梅区间、文-麓区间和麓-梅区间，由于地层分界线空间起伏不均，本地区无施工经验，盾构施工地表沉降控制是本工程所面临的技术难题之一。

3起伏板岩地层地表沉降预测

受地表建筑物的影响，地表沉降规律与无建筑物时有所不同，因此，对无建筑物情况、有建筑物情况进行分开讨论。

3.1无建筑物时起伏板岩地表沉降预测

3.1.1无建筑物时起伏板岩地层地表沉降特征

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为了对比依托工程范围均质地层与起伏板岩地层地表沉降规律的不同，选取图3中一个断面进行数值模拟，地层倾斜直线以左、右线轴线地层分界线标高连线获得。数值模拟考虑盾构施工过程[7]，盾构掘进参数取为：总推力为8 000 kN，扭矩为2 200 kN·m，土仓压力为0.1 MPa，注浆压力为0.3 MPa，FLAC3D建模如图4。地层选用摩尔-库仑模型，各地层厚度根据两条隧道轴线的地层高度连线确定，地层围岩力学参数如表1所示。将盾构管片等效成均匀刚度圆柱体，用壳体单元模拟。

图4　三维计算模型Fig.4 Three-dimensional computational model

序号地层名称体积模量/GPa剪切模量/GPa容重/(kg·m-3)内摩擦角/(°)黏聚力/MPa1素填土0.0350.00911900100.0042强风化板岩0.0830.04802140300.0603中风化板岩3.0902.03002390320.0754微风化板岩9.4007.1002660370.400

数值模拟计算结果与实测数据对比见图5。

图5　实测值与数值模拟值对比Fig.5 Comparison of measured results and numerical values

从图5可以看出，数值模拟地表沉降值和现场实测值是一致的，因此可认为数值模拟结果是正确的。将围岩全部设置成中风化板岩的均质地层，将其数值模拟结果与起伏板岩地层数值模拟结果进行对比，如图6所示。由图6可知，二者在埋深相同时，起伏板岩地层与均质地层地表沉降值大小和沉降槽宽度存在明显区别。因此，本文对起伏板岩地层盾构施工引起的地表沉降预测进行研究。

图6　起伏板岩地层与均质地层数值模拟结果对比Fig.6 Comparison of results of slate-based fluctuated strata

3.1.2地表沉降曲线拟合

4区间均是左线先行施工，本文选取左线施工对应的单线隧道地表沉降，盾构掘进参数为：总推力为8 000~10 000 kN，扭矩为2 000~2 600 kN·m，土仓压力为80~120 kPa，掘进速度为30~50 mm/min，注浆压力为0.2~0.3 MPa，注浆量约为7 m3。对实测数据进行拟合分析，发现其与Peck公式拟合效果很好，测定系数R2大于0.80的约占83%，图7给出R2大于90%的部分回归结果。

(a) DB-#1；(b) DB-#2；(c) DB-#3；(d) DB-#4图7　实测沉降数据拟合Fig.7 Curve fitting of measured surface settlements

通过对式(1)进行变换，求解得到了沉降槽宽度i(图8)，通过式(2)求解地层损失率Vl(图9)。

图8　沉降槽宽度系数散点图Fig.8 Scatterplot of widths coefficient of settlement tank

图9　地层损失率散点图Fig.9 Scatterplot of ground loss ratio

由图8和图9可知，起伏板岩地层地表沉降槽宽度系数合理范围可取为0.4~0.6，地层损失率取值范围可取为0.6%~1.2%。

3.2有建筑物时起伏板岩地表沉降预测

3.2.1有建筑物时起伏板岩地层地表沉降特征

采用FLAC3D软件模拟起伏板岩地层地表有建筑物时地表沉降变化规律，为了便于比较，在前述无地表建筑物的计算模型地表中加入1栋6层建筑模型，模型如图10所示，地层参数与表1一致。

图10　盾构穿越即有建筑物计算模型Fig.10 Computational model of shield crossing building

图11为盾构穿越建筑物时地表沉降曲线与无建筑物时的对比，从图中可以看出，在相同地层条件下，有建筑物时地表沉降槽较宽，最大沉降值较小，这是由于建筑物结构刚度对地层位移的约束作用。

图11　有建筑物时地表沉降与无建筑物时地表沉降对比Fig.11 Comparison of results of surface with and without building

因此，无建筑物时地表沉降预测方法不能反映有建筑物的情况，有必要对盾构隧道穿越既有建筑物沉降预测进行研究。

3.2.2有建筑物时起伏板岩地层地表沉降预测

盾构穿越建筑物时，由于建筑物与隧道之间的空间位置关系、建筑物基础刚度等因素影响，导致地表沉降曲线与无建筑物时有所不同。文献[8]中提出了有建筑物时地表沉降预测公式，称之为“刚度修正法”，该方法参数较多，且参数取值影响因素较多。文献[9]对“刚度修正法”做了简化，仅存在一个参数，即建筑物刚度修正系数ηM：

(3)

式中:KM为结构刚度影响下的沉降槽宽度系数；K为无建筑物时地表沉降槽宽度系数。该文中对ηM做了计算，离散性较大。实际工程中，有建筑物时对于变形控制较无建筑物严格，若采用无建筑物地表沉降预测方法则较为保守，但从风险控制角度来讲，采用无建筑物地表沉降预测方法等同于在一定程度上放大了建筑物的沉降，有利于施工过程中建筑物沉降控制。因此，本文认为，为了便于工程应用，有建筑物时可以保守采用无建筑时地表沉降预测方法。采用保守方法预测后，针对重点保护建筑物，为了有效的控制盾构掘进过程中的建筑物变形，还需要选取合理的掘进参数，采取相应的控制措施，进行必要的监控量测。

4结论

1)通过对比无建筑物时均质地层与起伏板岩地层地表沉降数值模拟结果，可以看出二者沉降值和沉降槽存在明显区别；对实测数据进行拟合分析，发现实测沉降与Peck公式吻合较好，说明Peck公式在长沙地铁板起伏板岩地层是适用的。

2)通过望-梅区间和文-梅区间部分实测数据计算分析，给出了起伏板岩地层盾构施工无建筑物地表沉降预测沉降槽宽度系数取值范围为0.4~0.6，地层损失率取值范围为0.6%~1.2%。

3)通过数值模拟对比分析，起伏板岩地层盾构施工地表有建筑物时，由于建筑物刚度影响地表沉降与无建筑物时不同。为了控制施工风险和便于工程应用，有建筑物时盾构施工地表沉降预测可保守采用无建筑物时地表沉降预测公式进行沉降预测。

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(编辑蒋学东)

A study on predicting the surface settlement caused by shield tunneling in slate-basedfluctuated strata in ChangshaCHAO Feng1,2, WANG Mingnian1,2, LIU Dagang1,2, HUO Jianxun1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：Prediction method of surface settlements of slate-based fluctuated strata in west of Xiangjiang river area is studied to guide the construction and ensure safety. This research program based on project of first phase of west extension line of Changsha metro line 2, and the settlement prediction work is in the conditions of with and without buildings. The following 3 research conclusions are obtained: Settlement curve is in good agreement with Peck curve by fitting analysis, and Peck formula is testified applicable in this area. Through calculation and analysis of surface without building, the results show value of widths coefficient of settlement tank ranges from 0.4 to 0.6, value of ground loss ratio ranges from 0.6% to 1.2%. Prediction method of surface settlements with buildings is discussed from in terms of tunneling risk control and engineering applications. Prediction method of surface without buildings is recommended. It can provide a reference for the follow-up constructions in this area.

Key words：slate-based fluctuated strata; tunneling construction; prediction of surface settlements; building

中图分类号：U451

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0125-06

通讯作者：刘大刚(1979-)，男，辽宁黑山人，副教授，博士，从事地下工程的教学与科研工作；E-mail:82384975@qq.com

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU11ZT33)；国家自然科学基金资助项目(51108384)

收稿日期：*2015-05-21