临近既有深基础盾构施工地面沉降研究

徐小马 （机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）

0 前言

地铁隧道施工，主要的施工方法是盾构法。盾构机掘进过程中，造成土体损失反射引起地面沉降。各地区地铁施工过程中经常出现地面沉降过大导致地面塌陷的情况，在合肥地区地铁施工也出现过沉降过大的异常情况，遇到地表沉降过大可以通过增加注浆量、提高注浆压力及地面注浆的方法进行处置。

即使是同一施工条件，不同断面地面沉降会出现较大的不均匀现象，结合日常监测，针对沉降异常情况，本文提出了临近既有深基础情形可能是导致断面沉降过大的原因，较为合理地解释了盾构施工中出现的沉降异常现象，同时合理建立了计算的模型，结合监测数据给出了临近既有深基础盾构施工地面沉降计算公式。

1 地面塌陷事故

地面沉降过大危害明显，沉降过大会导致周边建构筑物产生不均匀沉降，地下管道差异沉降超过极限出现破坏，从而导致渗水、塌陷和线路中断等次生灾害产生。近年各地地铁施工引发的地面塌陷（如下图1）的情况（如下表1），我们在合肥地区监测过程中也发现过沉降过大的情形，遇到沉降监测数据过大可以通过增加注浆量、提高注浆压力及地面注浆的方法进行处置（如图1所示）。

近年部分地铁施工引起的地面塌陷事故统计[1] 表1

图1 地铁盾构施工地面开裂塌陷

图2 注浆处置地下水土流失

2 沉降异常现象

2.1 沉降数据差异

在合肥轨道交通1号线某标段监测中注意到同一施工环境下地表与断面的监测数据差异明显，而这些断面很多临近既有深基础，表2是典型监测数据断面。

在使用Peck公式时，根据合肥地区研究成果[7]，K取 0.6，Vl取 1.3%。

可以看出，临近既有深基础的断面沉降值偏大，值得深入研究。

2.2 理论分析

通过归纳，总结出了两种盾构区间和既有深基础的典型位置关系。第一种是一侧临近临近既有的深基础，即单侧阻隔的情况，图3中b所示；第二种是盾构区间两侧都临近既有深基础，即盾构隧道两侧土体都受到桩基分隔，见图3中a；

阻隔条件下沉降差异 表2

图3 既有深基础和盾构典型位置关系

图3表示的两种盾构和既有深基础的位置关系情况，图a是双侧阻隔的情形，图b是单侧阻隔的情形。

根据现有的研究表明，盾构隧道对地表的影响区为3i[2-4]，因此对既有深基础是否对沉降产生阻隔效应通过以下方法判别：

单侧临近深基础p＜3i；双侧临近深基础p＜3i同时q＜3i

其中i为Peck公式中地表沉降槽宽度参数，无阻隔情况下，即从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；p、q为高架桥桩和盾构轴线之间的水平距离。

3 计算方法

3.1 计算假设

为了推导出在临近既有深基础情况下的地表沉降计算方法，本文做了以下计算假设。

第一：地面沉降的体量和地层损失的体积相等（不考虑土体的压缩和排水）；

第二：地层损失后土体只有竖向的移动，不考虑横向和纵向的土体位移；

第三：有无阻隔条件下沉降分布满足一般正态分布。

3.2 单侧阻隔公式推导

图4 单侧阻隔情形下计算模型

由左侧边界条件y=-p，SL（y）=0；y=0，S（Ly）=Smax可得：

由（1）可得：

在公式（3）中用参数eω替代，即：

根据计算假设2，两侧沉降各占总沉降的一半

根据左边沉降的平衡可得：

得到：

利用正态分布积分近似计算公式[5]：

由式（3.2）：

可得：

右边的地表沉降曲线，因为土体不受到阻隔，所以收敛到y=0，根据边界条件：

其中：

y为从地表沉降曲线中心线到所计算点的垂直距离；

S（Ly）、S（Ry）为左、右侧地表一点y处的沉降量；

Smax为地表沉降的最大值，位于沉降曲线的对称轴上（y=0）；

iL、iR为从左右侧地表沉降曲线对称中心轴到曲线拐点的垂直距离，为了区别于Peck公式，称之为“耦合沉降槽宽度”；

ω是体现了左右沉降的相互耦合效应，称之为“耦合参数”。

3.3 单侧阻隔公式推导

图5 双侧阻隔情形的计算模型

对于双侧阻隔情形，左右两侧都受到既有深基础阻隔，根据单侧阻隔的情形得到相同的公式（15）、（16）、（17）。

考虑到当p=q时，SR=SL，当 q→∞ 时，SR=0。所以现给出SR近似计算公式：

3.4 耦合参数获取

根据上面的推导，可以得到5个方程，涉及的未知数有6个，无法解算。

那么，根据分析获取耦合参数是求解方程的关键。耦合参数是体现左右两侧土体相互制约的一个参数，和地面沉降曲线形态、土性等具有一定的关系。带入耦合参数后，计算结果要和实际沉降相符合，同时左右两侧中轴沉降量要一致。

因此可以通过试算获取耦合参数，试算过程如下表3。

“耦合参数”的影响因素分析及试算取值 表3

反复试算，带入上表取值最后两侧中轴沉降值差距稳定在5%以内。同时和样本数据进行验证，吻合度较好，由此得出耦合系数的取值：

（对于临近既有深基础单侧阻隔的情形q→∞，计算可取q=3p）。

具体计算时，任意选择一侧首先计算相关参数，另外一侧可以通过公式（18）、（19）和（20）求得。具体计算步骤总结如表4。

预测公式验证 表5

3.5 计算公式的验证

为了验证上述公式的准确性，结合合肥轨道交通某区间监测数据进行验证，验证结果见表5。

通过验证可以看出，依照Peck公式的预测结果偏小，本文中的公式计算结果和实际相差较小，具有较好的预测效果。

4 临近既有深基础距离控制值

目前盾构隧道施工地表沉降控制值一般为30mm，日本、美国等其他国家一般为50mm，我国学者统计相关监测数据后认为地面沉降为80mm时地下管线处于较为安全的状态[6]，根据目前30/50/80mm的控制值，计算出安全临近距离，结果见表6。

所以可以得出结论，当临近既有深基础两侧距离都超过4.7m时地表沉降量不超过80mm，当任意一侧距离小于4m时，沉降量一定会超过80mm，此时需要提高注浆量和注浆压力，关注地表沉降速率，必要时进行地表注浆处置。

临近既有深基础条件下地表沉降计算步骤表4

临近既有深基础条件下距离控制值 表6

5 总结

本文结合实际监测，发现了相同施工环境沉降差异的现象，通过观察，提出了一种可能导致沉降异常的原因。认为，盾构隧道在临近既有深基础时，土体沉降在有限的宽度范围内变化，沉降量比较集中，此时会导致变形沉降过大。

本文通过理论分析，合理建模和假设，给出了计算临近既有深基础的地表沉降量的计算方法，通过验证效果良好。根据给出的公式，计算出了盾构区间临近既有深基础的安全控制值。在盾构掘进前可超前发现危险部位，可提前主动采取措施，减少沉降量。

但是本文未求解出计算假设下的精确解，后续研究方向之一为找到求解精确解的最后一个方程。为了进一步的验证计算公式的准确度，下一步还需要结合数值模拟、模型试验等方法进行深入的研究。