盾构隧道施工地表沉降可视化分析及预测

袁 钊

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

盾构隧道施工地表沉降可视化分析及预测

袁 钊

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

盾构隧道施工是对土层扰动最小的工法之一,但大量工程实践表明，其引起的地表沉降会对周边环境造成较大影响.计算机技术和GIS技术在海量数据管理、可视化分析等领域取得了巨大的发展，以及其在大型工程中的应用也越来越受到重视.工程施工可视化及其相关技术在盾构隧道施工中的应用，是目前研究的热点.根据工程实测沉降数据，结合盾构隧道施工的沉降经验预测公式，对监测数据进行可视化分析及预测，并将相关技术用于指导施工减小对周边环境的影响.

盾构隧道；监测；地表沉降；预测

城市盾构机问世已有180年的历史，随着盾构机及其相关配套技术的发展，盾构隧道施工已经成为对土层扰动最小的工法之一.然而，大量的工程实践证明，盾构法施工仍会引起地层移动，从而导致对周边环境不同程度的影响.在城市中修建盾构隧道对地层沉降控制的要求越来越严格，这主要缘于施工周边环境的复杂性.很多情况下要下穿越繁荣的商业区、人口密集的居民区、城市交通生命线的高架桥等；有时要近距离穿越运营地铁线，以及关乎居民日常生活的各种管线(燃气、电力、给水、信息、污水管线等)，这些工程往往埋深较浅，较小的扰动也会对其产生很大的影响，甚至破坏其结构功能；另外，在施工过程中，如遇到水流、掘进面大面积超挖等较难控制的情况时，也会给施工本身带来巨大的风险，造成追加投资、施工延期等.因此对地面沉降量进行动态预测，以确保施工区周边重要设施安全就显得尤其重要.

计算机技术和GIS技术在海量数据管理、可视化分析等领域取得了巨大的发展，并在大型工程中的应用越来越受到重视[1].空间分析作为GIS区别与一般的计算机辅助制图系统主要特征，它是指以地理事物的空间位置和形态为基础，以空间数据运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程，虚拟可视化技术作为空间分析手段之一，其可为工程中提供三维可视化场景，提高工程辅助决策水平.本文根据上海市某盾构区间的施工进度及地表沉降监测数据，利用地层沉降经验预测公式，得出有关经验参数，然后拟合地表沉降曲面，通过空间分析技术，对沉降结果对周边环境的影响进行了分析及预测.

1 工程简介

上海市某盾构隧道全长约15 km.隧道外径为6 200 mm，内径为5 500 mm，装配式衬砌管片通缝拼装；衬砌块宽度1 200 mm，厚350 mm，衬砌管片设计强度为C55.

盾构施工主要穿越的地层：④层、⑤—1层、⑤—2层、⑤—31层、⑥层.

④层灰色淤泥质粘土，呈流塑状，高压缩性土，高灵敏度软土，土质较差，为本场地主要软弱土层之一.

⑤—1层灰色粉质粘土，软塑，中压缩性，分布稳定，夹薄层粉土.

⑤—2层灰色砂质粉土，稍密—中密，中压缩性，夹薄层粘性土，土质不均，仅局部出露.

⑤—31层灰色粉质粘土夹粉砂，为古河道沉积，软塑，中压缩性，土质不均，夹薄层状粉土、粉砂，局部较多.分布于古河道沉积地段，局部厚度较大，厚度亦有一定变化.

⑥层灰暗绿—草黄色粉质粘土，呈可塑～硬塑状，中压缩性，层位稳定，厚度较大，属正常沉积.

盾构施工期间地表沉降监测参照相关规范要求及工程经验进行布设及施测：布点原则为沿盾构中心轴线方向以6 m布置一个监测点；为掌握地面周围环境变形范围及规律性，以50 m的间距布置十字剖面，每个剖面在轴线两侧按照1 m、4 m、7 m间隔布置6个监测点.

在距离盾构隧道中心轴线两边35 m范围内的管线，监测点的布设按照每15～20 m的间距布设.监测点埋设主要有2种方法：一是直接点法，如在窨井、盖头、表计阀门上布点，或者开挖暴露出管线，用抱箍布设直接点；二是模拟点法，在管线上方开挖样洞，埋入钢筋，浇捣混凝土至地面.

2 盾构隧道施工引起地表沉降分析

引起地表沉降的因素是极其复杂的，与其中任何一种因素的关系都是非线性的，可以总结为盾构施工引起的地层损失和隧道周边土体的再固结，具体的沉降又与各个具体工程的所处的地质条件、隧道形状与埋深、开挖进度、施工和管理水平有关.

地层损失是施工中实际开挖的土体体积与竣工隧道的体积之差.竣工隧道体积包括衬砌外围包裹的注入浆体体积[2].地层损失率以占理论排土体积的百分比表示：

Vl(%)=VL/V×100

(1)

式中：VL—盾构隧道单位长度的地层损失量/(m3/m)，取决于地质条件、隧道埋深、施工水平等多种因素，目前还没有实用的解析式；

2.1 横向地表沉降分析

经验公式法主要是根据隧道开挖的实际监测数据，采用一定的曲线形式对数据进行拟合，并确定曲线的具体特征参数，来完成经验公式.根据大量隧道施工引起的地表沉降实测资料，1969年，Peck通过数理统计的方法，经行系统地总结出了隧道开挖地表下沉的实用方法，即Peck公式.此后，Peck本人及其它不少学者和工程技术人员作了大量工作，对该公式进行了修正[3-7].

该经验公式认为，隧道开挖引起的地表沉降，在不排水条件下发生的沉降槽的体积等于地层损失的体积，且地层损失在隧道长度上均匀分布，则地面沉降的横向分布可以用正态分布曲线描述[8].

(2)

(3)

W=5i

(4)

图1及式(2)、式(3)、式(4)中：

S(x)—距离隧道中线处x的地表沉降/m；

Smax—隧道中心处最大的地表沉降/m；

Vs—盾构隧道单位长度地层损失量/(m3/m)；

x—距离隧道中心线的距离/m；

i—沉降槽宽度系数(图1中隧道中心至沉降曲线反弯点的距离)/m；

W—沉降槽的大体宽度/m；

Z—地面到隧道中线的深度/m；

R—隧道的半径/m；

β—沉降槽体外缘至隧道外侧起拱点连线与垂线的夹角/°.

图1 地层沉降横向分布

利用式(2)、式(3)两个沉降槽宽度系数经验公式[9]，计算出的地层损失率在-2.0%～4%之间(见表1)，根据经验判断施工处于正常的施工条件下.

表1 实测地表最大沉降及相应经验参数

由图2和图3可以得出，本工程中，施工的影响范围为轴线两侧的40 m内，20 m内的区域受到的影响较为明显，可以得出在监测方案中，对隧道轴线两旁35 m的建筑物、管线等进行重点监测是合理的、安全的、经济的.

在对经验公式参数进行取值时，在施工前估计阶段，出于安全进行保守考虑，取：

i=0.5Z

(5)

在实际控制阶段，为使预测的影响更为精确，在本工程中，可以考虑取：

(6)

图2 Z121断面peck曲线拟合值

图3 Z106断面peck曲线拟合值

2.2 纵向地表沉降分析

国内外专家学者在盾构隧道纵断面沉降预测方面的研究也取得较大成果.地表纵向沉降变化取决于盾构隧道的施工过程.法国学者认为总沉降归于3个阶段，将盾构推进引起地表沉降划分为以下3个阶段：隧道工作面前面、盾构上方、盾尾通过后空隙闭合阶段.国际隧道协会在将地表沉降划分为4个阶段(见图4)，包括隧道工作面及其前面、盾构机上方、盾尾空隙和后期衬砌管片变形引起的沉降.

图4 地表沉降纵向分布(国际隧协2007)

日本学者则认为地表沉降应由5个阶段组成：盾构到达前的前期沉降，这期间地表基本未受到影响；盾构面到达时的实测沉降，为总沉降量的30%左右；盾尾到达时地表沉降，为总沉降量的20%左右；盾尾间隙引起的沉降，占总沉降量的10%左右；后期沉降，占总沉降量的40%左右.

本文的研究主要集中于上海地区的工程实例，上面的这些阶段的划分经验可以作为有益的参考，还不能直接应用.以下总结相关学者对于上海地区工程的纵向沉降阶段划分经验.上海地区的大量实际工程表明，地表沉降的发展阶段，与其他地区不同，在盾构机工作面到达前方，会产生一个明显的隆起阶段(见图5).

图5 上海地区地表沉降纵向分布

3 可视化分析

本文选用SkyLine系列软件作为空间分析的可视化平台.Skyline系列软件是集成GIS、RS、GPS和虚拟现实技术于一体的优秀三维地理信息系统软件，包括TerraExplorerPro、TerraGate、TerraBuilder三个主要组件.TerraBuilder能够利用数字正射影像、卫星遥感数据、数字高程模型、矢量数据、及其他非空间属性数据等信息源，创建三维可视化地层数据库环境.桌面GIS系统主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox这3部分组成.利用这3个应用模块，可以完成各种各样的GIS任务，从简单地图显示、制作，到复杂的数据分析、管理.桌面GIS是集成的、可伸缩性的系统，可以满足不同用户的需要.

ArcToolbox组件中的分析扩展模块提供了丰富、强大的空间建模和分析功能.这个扩展可以创建基于栅格的数据，并对其查询、分析、绘图.另外，它也可以提供矢量—栅格的一体化分析，用它生成数据，分析数据间的关系，选择最佳地点，计算两点间距离代价等等.本文中的大量数据处理和分析都是采用此分析模块完成.

3.1 施工阶段分析可视化

在施工阶段，根据实测监测数据进行安全评估，如某日盾构隧道施工至里程1 840 m处，此时地表沉降监测数据实测值如下表所列，监测数据是不足的.在盾构隧道纵向轴线方向，选择Z87、Z90、Z95、Z96、Z97、Z98轴线地表沉降测点(见表2)，首先根据Peck公式进行横断面沉降预测，横断面的沉降值通过轴线中心点沉降值占最终沉降的百分比估计计算.取i=0.5Z，地层损失率根据Z87点估计计算为1.6%.根据上文2.2的纵向沉降趋势的研究成果进行纵向预测，分5个阶段进行预测，预测趋势(见图6)，在skyline软件中利用叠加分析结果(见图7).

表2 实测地表纵横断面沉降值

图6 地表沉降纵向预测

图7 叠加分析结果

3.2 施工前分析可视化

在施工前进行沉降预测，根据上文2.1的经验结果，取i=0.5Z和W=5i，可以计算出里程1 802.8 m和1 850.8 m处的i分别约为7 m和5.5 m；其影响范围为轴线35 m内和27.5 m内，在进行预测时本文考虑40 m的影响范围；地层损失率取Vl=2%.首先根据预测公式构建地表沉降预测栅格数据层，然后与skyline数字化系统中的地形层进行叠加分析.为了使分析结构清晰可见，本文对监测数据值和地表沉降预测值都做扩大100倍处理，单位为m.

4 结 论

本文通过可视化方法对盾构隧道施工引起的地表沉降，在施工前后监测数据进行可视化预测，取得一些初步研究成果；但如何根据分析结果对周边环境进行安全评估，如何利用这些已有的分析结果，再通过其他分析方法如坡度分析，对周边建筑的倾斜经行判定；以及结合力学知识，实现建筑物的安全健康评估；结合盾构隧道施工微扰动分级分阶段控制技术和安全预警技术进行分析，仍需要大量的研究工作.

[1] 吴 琳，李天文.基于GIS的沉降监测数据分析及其三维模拟[J].地球科学与环境学报,2004,26(2):67-70.

[2] 刘建航，侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991.

[3] 韩 煊.Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J].岩土力学，2007,28(1):23-29.

[4] 李国成,丁烈云.武汉长江隧道盾构施工引起的地表沉降预测[J].铁道工程学报，2008(5):59-62.

[5] 黄宏伟，张冬梅，盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控[J].岩石力学与工程学报，2001,20(s1)：1814-1820.

[6] 侯学渊,廖少明.盾构隧道沉降预估[J]．地下工程与隧道，1993(4):24-32.

[7] 边 金,陶连金,郭 军.盾构隧道开挖引起的地表沉降规律[J].地下空间与工程学报,2005,1(2):247-249.

[8] 王建秀,付慧仙,朱雁飞,等.基于地层损失的盾构沉降计算方法研究进展[J].地下空间与工程学报,2010,6(1):112-150.

[9] 魏 纲.盾构法隧道地面沉降槽宽度系数取值的研究[J].工业建筑,2009,39(12):74-79,109.

VisualAnalysisandPredictionofGroundSettlementinShieldTunnelConstruction

YUAN Zhao

(Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co.,Ltd,Shanghai 200438,China)

Although the shield-driven tunneling method has been quite mature with minimum soil disturbance,a lot of practice shows that the ground settlement caused by it has a greater impact on the surrounding environment. Engineering construction already realizes visualization because of the development and application of computer and GIS. In this paper,combining with the settlement empirical prediction formula of shield-driven tunneling method,the monitoring data is achieved by visualization and prediction based on practical engineering data.

shield tunnel; monitoring; ground settlement; prediction

2016-05-27

袁 钊(1983-)，男，河南许昌人，硕士，工程师，主要从事结构变形监测与安全分析评估工作.

U456.3

A

1008-536X(2016)10-0059-05