盾构法施工引起地表沉降的安全监测与数据分析

摘要：为研究地铁盾构下穿城市地表的变形情况，通过研究盾构法施工引起地表沉降的变形机理，并结合长沙市轨道交通4号线的地铁盾构施工的实例，对地表进行安全监测，在监测数据分析的基础上，分析盾构施工对城市地表沉降影响的变形规律。

关键词：盾构法；安全监测；数据分析

随着城市建设的的快速发展，城市规模不断扩大，人口密度不断增长，使得城市用地越来越紧张，要解决城市建设与地表空间紧张的矛盾，促进城市的可持续发展，合理开发利用地下空间已成为一条扩大城市容量和功能的有效途径。地下铁道具有运输能力大、速度快等特点，尤其在人口密集的大城市，其对于缓解地面交通压力有着不可替代的作用，已逐渐成为各大城市的交通骨干[1]。

修建地铁有明挖法、暗挖法、盾构法等，而盾构法却以其诸多优势使其得到了广泛的应用。工程实践表明，尽管盾构法施工隧道技术已发展得很成熟，但不可避免地产生对土体的扰动，引发不同程度的地层位移和变形，通常表现为地表沉降。当地层位移和变形超过一定的限度时，就会危及周围邻近建筑物及其基础和地下管线的安全，引起一系列的工程安全问题[2]。本文主要针对地铁盾构法施工引起的地表沉降的变形机理及变形规律进行研究和探讨。

1 盾构施工引起的地表变形的过程

在地铁隧道盾构施工引起地表变形中最有可能出现的就是地表的沉降；通过结合大量的工程实例情况，可以将地表的沉降变化曲线分为五种情况：盾构到达时的地面变形；盾构到达前的地面变形；盾构通过时的地面变形；盾构通过后的瞬时地面变形；地表后期固结变形[3]。各个阶段的变形机理如下：

1.1 盾构到达前的地面变形

在盾构推进过程中，如果出现开挖面涌水和管片安装不良的话都有可能导致地下水位的降低；而地表监测点的沉降一般都是由于地下水位的降低而引起的。

1.2 盾构到达时的地面变形

在盾构施工中当盾构靠近监测点的过程中监测点会产生的沉降或者隆起现象，这种现象主要是因为盾构机的正面土层压力偏小而导致的开挖面土层压力而引起的。

1.3 盾构通过时的地面变形

在盾构施工时，盾构通过监测点时地表监测点会发生沉降变形；这主要是由于盾构通过时破坏了原来的土体状况而引起的。

1.4 盾尾通过后瞬间的地面变形

在盾构施工中当盾构的尾部通过监测点后都监测点都会发生沉降的现象，而产生这种现象的原因是盾尾的间隙和周围的土体引起了弹性变形。

1.5 地表后期固结沉降

在地铁隧道盾构施工中即使盾构通过了，但是在一段时间了地表都会出现沉降的现象，而出现这种现象的原因是盾构对地基所产生的扰动而引起的。

2 工程实例

2.1 工程概况

长沙市轨道交通4号线曲塘东路站工程起始于沙湾公园站，终止于长沙火车南站。车站起点里程YDK42+678.650，有效站台中心里程YDK42+760.000，车站终点里程YDK42+894.500，车站总长为215.85m，标准的段宽为20.7m，最大的开挖深度为18.164m，在站台中心处的覆土厚度设置约为3m，按明挖顺做法施工。其中，盾构始发场地分别是车站南北两端。

2.2 工程监测方案

2.2.1监测内容

对长沙地铁4号线曲塘东路站施工盾构所下穿的城市道路进行监测，主要是针对盾构下穿城市道路建立的钢便桥以及与钢便桥首尾相连的城市道路进行监测。

监测路线的长度为钢便桥向两端延伸一直到跨越变形区域，关于监测路线具体跨越变形区域多远，就要根据曲塘东路站施工场地的水文地质以及地形地貌來确定。

2.2.2监测点的布设

在长沙市轨道交通4号线曲塘东路站的施工工程中，由监测的范围主要在钢便桥上，所以监测点就布设在钢便桥和与钢便桥首尾相连的城市道路上，而工作基点不能布设在钢便桥上。监测点主要是以间隔为5～20m不等的间距进行布设的，测点在埋设的時候必须埋设在观测路线上，而且要彼此平行。监测点布设情况如图1所示：

2.2.3监测周期

监测频率主要是通过变形体的变形大小、速度以及对变形体观测目的来确定的。在监测施工中监测频率的大小可以映出变形体的变形规律；根据长沙市轨道交通4号线在曲塘东路站的盾构施工的情况来确定相应监测周期。

2.2.4监测方法

1）水平控制测量。根据长沙市轨道交通4号线在曲塘东路站施工现场监测点的布设情况来确定二等水准测量的路线，然后建立相应的水准控制网；然后根据城市道路上监测点的布设情况，进行相应的水准测量，在水准测量中，对数据进行有效的记录和现场的粗计算。

2）使用仪器。在本次盾构施工工程中，所采用的仪器是徕卡DNA03电子水准仪、铟瓦水准尺进行水准测量，而且在项目进行之前要对水准仪进行检校，并在项目进行中进行定期的检校。对于水准仪的检校要求就是水准仪的i角误差应当小于15″，对铟瓦尺的要求就是分米刻度线与米刻度线的差值应当小于0.1mm。在水准仪和铟瓦尺都满足以上要求的条件下，再利用水准仪按照《建筑变形测量规范》（JGJ82007）的规定进行沉降观测；在对闭合水准路线观测时，要满足水准测量规范如表1，在本次实例中采用的是二等水准测量。

2.3 数据分析与地表沉降规律

2.3.1 数据分析

根据监测方案，在曲塘东路站的城市道路上布设了20个监测点，实施动态监测城市道路的变形情况，便及时的对监测数据进行反馈，由于在第一个周是盾构只施工到了JC03和JC08之间所以第一个周只监测了JC01到JC10这十个监测点监测数据如下表2所示。

通过表2的数据可以得到监测点中JC03在2月4日的沉降量是最大的为4.6mm，是本周十个监测点沉降量最大的监测点，结合实际施工情况分析，在2月11日这天盾构在距离监测点JC03有27m的地方进行施工。通过对数据和图的分析处理可以得到JC03在2月4日后就慢慢的趋近于稳定了，而在这天里监测点沉降值最小的是JC06沉降值有0.1mm，在2月1日至2月3日里监测点JC06到监测点JC10所以的监测点的变形量都非常之小，而监测点JC01、JC02、JC03、JC04和JC05这五个监测点在2月1日至2月7日这几天里变形量都较大，而监测点JC06、JC07、JC08、JC09和JC10这五个监测点在2月4日至2月7日这几天里变形量都比较小。结合实际的盾构施工进行分析，在2月4日盾构还没有施工到JC03处，所以在2月1日至2月3日里监测点JC01到监测点JC05受到的影响较小进而它们的变形量都较小。

通过表3的数据反映了，可以知道在十个监测点中JC08在2月11日的沉降量是3.7mm，是本周所以监测点沉降量最大的监测点，结合实际施工情况分析，在2月11日这天盾构在距离监测点JC08有27m的地方进行施工。通过对表3的数据分析可以得到JC03在2月4日后就慢慢的趋近于稳定了，在2月11日以后几乎不再变化；而在2月11日监测点沉降值最小的是JC05、JC016、JC17、JC19和JC20沉降值有0.0mm，在2月8日至2月10日里监测点JC01到监测点JC05和监测点JC11到监测点JC20所以的监测点的变形量都非常之小，而监测点JC06到监测点JC10在2月8日至2月14日里监测点的变形量的较大，而监测点JC11到监测点JC15在2月4日至2月7日这几天里变形量都较大。结合实际的盾构施工进行分析，在2月11日盾构还没有施工到JC08处，所以在2月8日至2月10日里除了监测点JC06、JC07、JC08、JC09和JC10这五个监测点以外其他的监测点受到的影响较小进而它们的变形量都较小。

2.3.2 盾构下穿城市道路施工地表沉降规律

通过对图2分析可以得到纵向上监测点在盾构施工时的沉降量变化，在盾构施工到距离监测点接近22.5m的时候，监测点就会因为受到盾构施工的影响而产生沉降，而且在盾构推进的越来越接近监测点时监测点的沉降量就会越来越大，当盾构通过监测点且建立好支护工程后，监测点就会慢慢的稳定下来。

通过对以上所以监测数据的处理分析可以得到，所以点中沉降量最大的点是JC08沉降值为18.9mm，变形速率为135mm/天；结合在工程中的实地勘察情况，城市道路没有出现裂缝和空洞等现象，最后在盾构施工完成后再以月为周期，每个月对城市道路進行一次安全监测，最终将所得到的监测结果通过参照规范《建筑变形测量规范》（JGJ82007）的规定，可以得到长沙市轨道交通4号线在曲塘東路站盾构下穿的城市地表是稳定的。

3 结论

（1）盾构施工中盾构推进距监测点一定的范围之内才会对监测点产生影响。随着盾构沿地表监测点方向的掘进，监测点的沉降量和速度逐渐增大，最大沉降量发生在盾构通过监测点且支护工程完成后的一周时间内。而后监测点就会趋近于稳定。

（2）横向上监测点越靠近盾构施工的中心线，沉降量越大。偏离中心线距离越远，沉降量越小，在盾构施工影响范围以外的监测点几乎不会受到盾构施工的影响。

参考文献：

[1]丛恩伟.北京地铁盾构法施工引起地表沉降的分析与预测研究[D].天津大学，2004.

[2]骆建军.地铁施工对邻近建筑物安全风险管理[J].岩土力学，2007，07：14771482.

[3]陈伟珂.地铁施工实时动态监控研究[J].地下空间与工程学报，2013，4：345351.

基金项目：邵阳学院—长沙理工大学—中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司测绘工程类专业校企合作人才培养示范基地

作者简介：王亮（1987），男，汉族，硕士，注册测绘师，主要从事GPS测量、施工环境监测和数据处理方面的研究。