地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降监测结果探讨

王 杰，刘雅琴

(武汉港湾工程质量检测有限公司，湖北 武汉 430014)

1 引言

盾构法是我国地铁隧道建设领域的主流方法，实际应用效果受地质条件、隧道埋深、截面特性等因素的影响，若缺乏科学可行的监控措施易导致隧道周边土层发生松动，随之引发地表沉陷等质量问题，造成严重的安全事故[1，2]。对此，在盾构施工期间需加强对地表沉降的监测，通过可行的方法掌握实际情况，以便采取动态化调整措施。

佛山地铁2号线一期工程TJ01标主要建设内容包含6座车站及6个区间，总长度10965.5延米。根据各区间实际状况适配相适应的施工方法，其中南庄-湖涌区间为泥水平衡盾构，湖涌-绿岛湖区间为土压平衡盾构，剩余4个区间均为复合土压平衡盾构。

2 地表沉降测点布设

以《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB5 0911-2013)为基本依据，结合区间实际状况将工程监测等级设为二级。于盾构区间布设适量监测断面及测点，具体方案有如下。

(1)纵向上，各测点依次布设于隧道轴线上方，以始发段(50环)和接收段(50环)两处较为特殊，按间距6 m(5环)的标准布设，其它各段均按照12 m(10环)的间距标准依次布设到位。

(2)横向上，各监测断面均沿地表依次布设，要求其与隧道轴线保持垂直的位置关系。对于始发段和接收段两处的断面均按照36 m(30环)的间距依次布设，始发100 m外的断面布设间距标准为60 m(50环)，各断面测点数量均保持为10个。若为次要影响区，各断面测点间距控制在7～10 m；若为主要影响区，测点间距需加密至5 m。

(3)从隧道布线形式来看，将穿越江头桥盖板涵附近及地址分界线周边区域，其现场环境较特殊，易受到盾构的扰动性影响，需布设沉降监测断面用于反映该处的实际情况。

3 现场监测结果及分析

3.1 纵向地表沉降

隧道轴线正上方布设适量测点并汇总各测点的纵向沉降数据，基于所得数据绘制纵向地表沉降曲线，可知隧道穿越各断面所产生的地表沉降值存在差异，其中以DBC-07-13断面～DBC-07-15断面最为明显，该阶段地表沉降达到46.6 m。

根据断面7、8中隧道轴线上方测点的沉降监测结果绘制相应曲线，可知断面7测点的沉降较明显，最大为38.2 mm，相较之下断面8明显减小，为15 mm。结合现场勘察资料展开分析，可知DBC-07-13断面～DBC-07-15断面隧道上覆大量淤泥质土层，厚度分布方面断面7明显超过断面8，由此也说明盾构期间地表沉降与隧道上覆土层的厚度有密切关联，且此问题在性质较差的淤泥质土层中更明显，随土层厚度的增加地层刚度随之下降，产生的沉降量随之加大。

根据断面6的监测结果绘制成图，用于反映该处地表的沉降情况，可知沉降量最大值对应于轴线正上方的测点，排于次位的是临近轴线的一排测点。总体来看具有如下变化特点：掌子面与监测断面间距保持在30m左右时发生地表隆起现象；随两者间距的逐步减小，地表变形转变为沉降形式；若间距缩小至5～10 m可见其沉降变形量愈发明显；随施工的逐步推进，盾构通过和盾尾脱出时的沉降量偏大，此时两阶段产生的沉降量约占总量的75%～80%。掌子面离开断面约60 m时测点稳定性较好，几乎不再受到盾构推进的影响。

围绕DBC-07-04测点14d的监测信息展开分析：在整个监测阶段中，以13 d、14 d的沉降变形量最为明显，均达到15 mm以上。究其原因，与盾构推进期间未及时组织同步注浆作业有关。鉴于此，施工方随即暂停盾构推进作业，针对盾尾及管片后部两个区域采取针对性的注浆加强措施，最终沉降量明显减小。可见，同步注浆和二次注浆为重点手段，其在控制地表沉降方面具有较好的应用效果[3]。

3.2 横向地表沉降

根据断面5的监测结果绘制横向沉降槽曲线，可知在盾构逐步推进之下，地表沉降变形愈发明显，将随之产生沉降槽；各处沉降量具有差异性，以隧道轴线正上方的测点最为明显，向两边逐步减弱。

左线开挖虽然会对右线上方测点造成影响，但幅度较微弱；同时，右线开挖过程中的扰动性影响也较小，此时左线上方测点无明显沉降现象。此现象的出现与两隧道间距较远有密切关联。

盾构推进至断面9时，可以发现此时隧道轴线正上方测点受到影响，伴有较大幅度的隆起变形现象。从成因来看，与该处地层条件发生显著变化有直接的关联，此时推进力超过平衡土压力所需，因此可见隆起变形。对此，施工方根据实际情况适时调整掘进参数，隆起变形问题得到有效的缓解。

4 有限元计算及分析

4.1 数值模型及计算参数

通过MIDAS/GTS软件建模分析，重点考虑的是开挖和注浆两环节施工对地表沉降带来的影响[4，5]。C50管片弹性模量E取35.5GPa，衬砌单元的弹性模型用实际弹性量的85%。模型轴线方向24 m，横向60 m。每开挖管片环宽(1.2 m)视为一个施工步，注浆前期用注浆压力等效，随时间的延长，待浆液发生凝固后利用水泥土等代层代替。

4.2 计算结果分析

(1)根据左隧道正上方地表点A的监测结果绘制曲线，具体内容如图1所示。根据图中内容可知，地表隆起变形现象较为明显，若掌子面与断面位置减小，此时该状态发生变化，以沉降为主要形式且集中在盾构通过和盾尾脱出阶段。盾构推进过程中易对前方土体造成影响，所产生的影响距离约20 m，与此同时土层初期以沉降变形状态为主。根据此规律可以推测土体的变化规律，具体表现为沉降→隆起→沉降。

图1 地表点A纵向沉降曲线

(2)地表点横向变形。重点考虑的是左隧道开挖施工阶段，分析此过程中断面横向各点沉降的变形状况，得知其表现出凹槽型且在轴线处存在最明显的沉降，主要影响范围集中在洞轴线两侧15 m以内。虽然左线施工伴有扰动性影响，但右线上方的土体可维持相对稳定的状态。

(3)注浆对沉降的影响。根据既有信息绘制地表点的沉降变化曲线，具体如图2所示。根据图中内容可知，相比于实际状况而言，虚线的最终沉降相对偏大，主要与管片安装滞后于掌子面7.2 m有关，随着掌子面与地表点断面间距的逐步加大，当该值达到8 m左右时可见盾尾完全脱出，缺少注浆压力的支撑，从而发生更为明显的沉降现象。

图2 注浆压力对沉降影响曲线

5 结语

(1)盾构隧道推进施工对周边环境具有不同程度的影响，纵向影响范围集中在距断面30 m至离开断面60 m，地表点具有沉降→隆起→沉降的变化特点；断面横向呈凹槽型，影响范围集中在轴线两侧15 m内。

(2)盾尾脱出过程中，需通过注浆的方式维持地层的稳定性。

(3)所得的数值模拟结果与实测值具有高度的相似性，因此有限元数值模拟的方式较为可行，可用于研究地层及结构力学等方面的问题。此外，盾构隧道开挖难度较大，其涉及到的因素较多，掌子面的受力状态为重点影响因素，需通过三维模型的方式展开分析，以便直观地反应地表沉降变形情况。