复杂地层地铁盾构井施工土体竖向变形规律.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）*收稿日期：基金项目：武汉轻工大学 年度校立科研项目（）*作者简介：李炜明，年出生，男，教授，硕士生导师。文章编号：（）复杂地层地铁盾构井施工土体竖向变形规律*李炜明*朱义王慕鸿连杰刘旭强吴政（武汉轻工大学，武汉；中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京）摘要：研究目的：复杂地层大直径地铁盾构井基坑施工过程中，土体变形受到诸多因素影响，具有显著的地区、形状等差异性，有必要基于施工前的数值模拟与施工中的监测数据，进行施工土体变形规律研究。研究结论：（）基于假设条件与工程简化模型，对于本工程初始方案的 个典型工况进行了数值模拟，基坑长边、短边方向上 个施工步可能出现的最大竖向变形分别为 、，应在施工过程进行实时监测；（）施工过程中，监测竖向变形最大值为 ，已接近工程允许值，建议适当延长监测周期；（）对于本工程而言，监测区段的竖向变形在空间上与理论曲线较为接近，并随盾构井开挖深度增加而增大，同时因为监测点布置空间距离较小等因素影响，监测数据在空间上未能形成空间上的完整沉降槽；（）数值模拟与工程实际存在差异，而施工监测由于多类条件限制，数据通常不完备，施工中二者应相互补充；（）本研究成果可为类似地铁基坑工程的土体竖向变形规律研究提供参考。关键词：地铁施工；土体变形；基坑监测；数值模拟；规律分析中图分类号：文献标识码：，（，；，）：（），（），（），（），（）：；据统计，截至 年 月，我国内地城市轨道交通城市投入运营的总里程约为 。地铁施工过程中，周边环境复杂，同时对周边建筑存在一定影响，受到了国内外学者的广泛关注。在 年对盾构施工的土体变形进行了分析。钱七虎在 年指出了解决城市三大危机的措施，同时指出了解决城市交通拥挤、城市可持续发展的途径是对地下空间的开发与利用。刘洪洲等分析了上海地区典型软黏土对隧道盾构法施工所产生的影响，总结了多类因素对软土地基的隧道盾构施工的影响。张顶立等通过对深圳某地铁施工过程中的拱顶竖向变形数据进行回归分析得到了一函数关系，分析了在不同地层条件下拱顶竖向变形与地表竖向变形的关系。郑刚等利用有限元软件模拟不同围护结构条件下的基坑开挖，得到了不同类型的围护结构变形形式对邻近建筑物的变形和墙体拉应变产生的影响。李方明等依托地铁基坑项目，分析了悬挂式帷幕基坑的沉降曲线，同时对比分析了流固耦合作用对沉降的影响。李炜明等依托城市地铁车站施工，基于现场施工监测数据，对异形狭长基坑中地下连续墙的横向变形进行了类型分析。工程背景与数值模型本工程为广州地铁某线路区间，全程长 。本文研究对象为其中的一盾构井基坑，基坑平面形状为矩形，设计宽约 ，长约为 ，采用明挖逆筑法施工。工程位于海陆交互冲击平原地貌，地面往下 为杂填土，处为淤泥质土，处为淤泥质粉细砂，为淤泥质土，为中粗砂，为强风化粉砂质泥岩，以下皆为中风化粉砂质泥岩。盾构井基坑土层参数如表 所示。盾构井地下水为第四系松散层孔隙水，地下水水位埋深较浅，稳定埋深为 ，盾构井主要含水层上覆软土，局部地段为潜水，砂层水位稳定在 ，砂层承压水约在 处。整体而言，本盾构井基坑位于复杂地层区域，施工需注意诸多问题。表 盾构井基坑土层参数土层及编号泊松比弹性模量 密度（）杂填土（）淤泥质土（）淤泥质粉细砂（）淤泥质土（）中砂（）强风化粉砂质泥岩（）中风化粉砂质泥岩（）为掌握施工中盾构井周围地表的变形情况，该工程在盾构井四周布置了地表竖向变形测点。测点布置如图 所示，在监测完成时（年 月 日）共有 个测点的累计竖向变形值。其中，至 和 至 为全过程监测，至 和 至 为 年 月 日开始监测，至 和 至 为 年 月 日开始监测。DBC1-1DBC1-2DBC1-3DBC1-6DBC1-7DBC1-4DBC1-5DBC3-1 图 施工测点布置示意图盾构井采用明挖逆筑法施工，土体采用分层开挖方式，开挖过程中共施作 道环框梁支撑，在回筑阶段拆除第一、二、四、七道支撑，剩余支撑兼作永久顶、中纵梁，地连墙与内衬墙叠合而成的侧墙结构形式，同第 期李炜明 朱 义 王慕鸿等：复杂地层地铁盾构井施工土体竖向变形规律时地连墙兼作永久结构侧墙。基坑整体采用先开挖并浇筑围护结构，包括地连墙、三轴搅拌桩等，再开挖施工内部主体结构。其主体结构为地下三层结构，负一层层高为 ，负二层层高为 ，负三层层高为 ，其底板、侧墙及顶板采用 防水混凝土浇筑；内墙、站台板则采用 混凝土浇筑。盾构井内开挖时存在 道环形框架梁，其材料属性如表 所示。表 盾构井支撑材料属性支撑编号混凝土强度梁高 支撑中心标高 本文建立了盾构井基坑长边、短边两个方向的基坑施工数值模型。在施工模拟过程中，通过将开挖部分模拟具有部分刚度的混凝土材料，来考虑基坑相邻边的地连墙的空间效应。为研究施工过程中不同工况对施工过程产生的位移以及应力的规律，将长边截面施工分为开挖段与结构回筑段，开挖段分为 个施工步，其中包含围护结构施工以及土层开挖与支撑支护，由于支撑均为混凝土环框梁，施工周期长且需要达到设计强度，同时有效控制每一工况下土层开挖深度，尽可能与实际工程施工一致。基坑开挖流程如图 所示，其开挖工况如图 与表 所示。开挖完成后，进行逆向回筑结构，回筑段包含底板、垫层、底板以及通风管道等浇筑，回筑段需要破除部分支撑。图 盾构井基坑施工流程图1-1杂填土2-1A淤泥质土2-2淤泥质粉细砂2-1B淤泥质土3-2中砂7-2强风化粉砂质泥岩8-2中风化粉砂质泥岩工况工况工况工况工况工况工况工况工况 各层支撑地连墙基坑底（a）盾构井施工开挖工况1-1杂填土2-1A淤泥质土2-2淤泥质粉细砂2-1B淤泥质土3-2中砂7-2强风化粉砂质泥岩8-2中风化粉砂质泥岩工况 工况工况工况工况工况工况工况各层支撑地连墙（b）盾构井施工回筑工况图 基坑施工工况示意图表 盾构井基坑施工工况工况施工内容地连墙、三轴搅拌桩等围护结构施作土体开挖至第一道支撑顶第一道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土土体开挖至第二道支撑顶第二道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土土体开挖至第三道支撑顶第三道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土土体开挖至第四道支撑顶第四道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土土体开挖至第五道支撑顶第五道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土土体开挖至第六道支撑顶 第六道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土 土体开挖至第七道支撑顶 第七道支撑开挖、绑扎钢筋并浇筑混凝土 土体开挖至基坑底部 浇筑垫层、底板、侧墙至第七道支撑底部 拆除第七道支撑，浇筑侧墙至第六道支撑底部以及负三层中柱 浇筑负三层顶板 浇筑负二层侧墙以及中柱 浇筑负二层顶板 拆除第四道支撑，浇筑侧墙至第三道支撑底部以及负一层中柱 浇筑负一层顶板 拆除第一、二道支撑，并浇筑上部铁 道 工 程 学 报 年 月 盾构井基坑施工的数值模拟盾构井施工过程中，本文将表 中的开挖与浇筑工况缩减为 个特征施工步。前六个典型工况为开挖阶段，其阶段划分的时间对应表 中第、工况，开挖阶段典型工况以支撑开挖浇筑为主，同时也包含土体开挖至基坑底部工况。后六个典型工况为回筑阶段，其阶段划分的时间对应表 中第、工况，回筑段典型工况包括支撑拆除、结构浇筑、盾构机出洞接收。对表 提取出的 个典型步进行了数值模拟计算，如图 所示。对于盾构井长边截面竖向位移，从平衡地应力工况完至第六道支撑开挖浇筑工况，整体模型呈现出沉降现象，云图色块由两侧地连墙向外呈杯状扩散，其负向位移最大值为 。而在回筑段盾构机出洞前，模型呈现出隆起现象，其中隆起最大出现在拆除第七道支撑浇筑侧墙及中柱工况。在盾构机出洞工况及出洞后上部结构浇筑工况，模型同时存在隆起与沉降，其中隆起、沉降均出现在洞门处。对于整个施工工况，竖向变形最大值出现在盾构机出洞工况。类似的，对于盾构井短边截面竖向位移进行了 个施工步的模拟，其竖向变形最大值为 。按照工程方案分别进行长边、短边方向模拟时，周边加固区域只在短边方向模拟中出现，因此短边方向的整体沉降较长边方向大。需要注意的是，数值模拟与工程实际存在必然的差异，施工前的模拟主要为施工方案的拟定与优化提供参考。（a）工况（b）工况（c）工况（d）工况（e）工况（f）工况（g）工况（h）工况（i）工况（j）工况（k）工况（l）工况 图 盾构井基坑施工长边方向典型工况竖向变形 盾构井基坑施工地表累计沉降本文将盾构井土体竖向变形分为累计变形与日变形进行分析，并将其中的竖向累计变形按监测项目表述为地表沉降。图（）为 至 地表竖向变形随时间的变化曲线。随着基坑开挖的进行，测点 和 的竖向变形逐渐增大；其中，测点 在工况 过程中达到竖向变形最第 期李炜明 朱 义 王慕鸿等：复杂地层地铁盾构井施工土体竖向变形规律大值（），在整个开挖过程中，竖向变形值在达到最大值后存在回升，并且在工况 完成后趋于稳定，竖向变形波动较小；在工况（底板浇筑）后，竖向变形存在小幅回升。在刀盘临近出洞时，地表存在较大隆起，本组监测在刀盘出洞后的第三天结束，竖向变形值分别为 、和 。测点 与测点 竖向变形趋势相似，区别在于，测点 竖向变形较测点 相对缓和，随着土体的开挖与支撑的架设，测点 的竖向变形值逐渐增大，在第八层土开挖完成时产生竖向变形最大值（），在底板浇筑时产生略微回升，刀盘出洞时段的竖向变形值变化趋势与测点 相似。测点 竖向变形变化与测点 和 相比，在工况 的未施工阶段与工况期间，测点 地表产生了较为显著的隆起。图（）为 至 监测断面地表竖向变形随时间的变化曲线，本部分测点为图 中与 至 同侧，但监测时间存在差异，在工况 后开始监测。其中测点 、和 均随着施工的进行逐渐产生竖向变形，在工况（浇筑垫层、底板）完成后产生最大竖向变形，竖向变形值分别为 、和 ，随后竖向变形回升；测点 在工况 完成后开始竖向变形，整体竖向变形值小于测点 、和 ，在工况（浇筑垫层、底板）完成后持续沉降，竖向变形最大值为 ，随后，在刀盘临近出洞时，本部分测点土体会产生回升，在刀盘出洞后，测点 竖向变形为 ，测点 、和 竖向变形值分别为、和，较为接近。图（）为 至 监测断面地表竖向变形随时间的变化曲线。随着基坑开挖的进行，个测点的竖向变形值都逐渐增大。在工况 完成后，测点 产生 左右的回升，在土体开挖至基坑底部（工况）过程中，测点 达到最大竖向变形 ，在工况 完成时，测点 达到最大竖向变形 ；测点 在整个过程中，除工况 完成后稍微回升，在其余过程中均持续沉降，在底板浇筑完成后达到竖向变形最大值为 ；在刀盘临近出洞时，土体竖向变形存在回升，监测结束时 个测点竖向变形值分别为 、和 。图（）为 至 监测断面地表竖注：累计沉降/mm（a）短边DBC1-1至DBC1-3地表沉降50-5-10-15-20-25-30100 150 200 250 300 350 400 45050监测次数DBC1-1；DBC1-2；DBC1-3 工况注：累计沉降/mm（b）短边DBC1-4至DBC1-7地表沉降50-5-10-15-20-25-30100 150 200 250 300 350 400 45050监测次数DBC1-4；DBC1-5；DBC1-6；DBC1-7 工况注：累计沉降/mm（c）短边DBC3测点组地表沉降50-5-10-15-20-25-30100 150 200 250 300 350 400 45050监测次数DBC3-1；DBC3-2；DBC3-3 工况图 盾构井基坑短边方向地表沉降向变形随时间的变化曲线，与测点 至 不同，该测点组监测时间偏晚，从工况 开始监测。整体上看，除测点 在工况 与工况 期间产生回升，测点组均随着基坑的开挖而产生竖向变形，在工况 完成后 个测点的竖向变形均趋于稳定。在底板浇筑的过程中，个测点的竖向变形值在一定范围内波动，在底板浇筑完成后，测点 、和 依次达到竖向变形最大值，分别为 、和 。需要注铁 道 工 程 学 报 年 月意的是，该测点组从 年 月 日开始至 年 月 日在施工过程中被遮挡，在图中以淡色虚线框标出，以下图中的被遮挡数据采用了类似的表达。图（）为 至 监测断面地表沉降随时间的变化曲线，与测点 至 相似，从工况 开始监测。在整个施工过程中，个测点的沉降值随施工的进行而逐渐增大，测点 和 在工况（浇筑垫层、底板）完成后达到竖向变形最大值分别为 和 ；基坑开挖过程中，测点 的竖向变形值小于测点 和 ，在工况 过程中和完成后存在沉降，达到最大竖向变形值 ；随后，在刀盘临近出洞时，该测点组地表存在回升，在刀盘出洞后，个测点同时达到施工结束后的最小竖向变形，分别为 、和 。图（）为 至 监测断面地表竖向变形随时间的变化曲线，该测点组在工况 施工过程中开始监测，个测点均随着施工的进行逐渐产生竖向变形。在工况 完成后，测点 和 的竖向变形值接近，均大于测点 的竖向变形值；在工况（浇筑垫层、底板）的过程中，测点 的竖向变形速率大于测点 和测点 ；在工况 完成后，该测点组达到竖向变形最大值，竖向变形值由大到小为测点 、和 ，最大值分别为 、和 。在刀盘临近出洞时，该测点组地表存在回升，在刀盘出洞后，个测点同时达到施工结束后的最小竖向变形值，分别为 、和 。整体而言，测点组 的竖向变形随基坑的施工逐步增大；除测点组 的测点由于出洞阶段未进行监测外，其余测点组地表在盾构机出洞阶段产生较明显的回升。盾构井基坑施工地表日变形在施工监测累计竖向变形的基础上，图 汇总了在基坑不同侧地表竖向变形测点的最大日沉降、最大日隆起、日变形标准差和最大累计沉降。图 中将土体的竖向变形分成了沉降与隆起两种类型，其中，最大日沉降发生在测点 ，其值为 ，出现于施工过程中的 年 月 日在工况（浇筑底板）。最大累计沉降与最大日隆起发生在短边方向离基坑边缘较远位置的测点 处，分别为 和 ，接近了城市轨道交通工程监测技术规范（）中地表沉降控制值 、变化速率控制值 的上限；最大注：累计沉降/mm（a）长边DBC4-1至DBC4-3地表沉降50-5-10-15-20-25-30100 150 200 250 300 350 400 45050监测次数DBC4-1；DBC4-2；DBC4-3 工况注：累计沉降/mm（b）长边DBC2-1至DBC2-3地表沉降50-5-10-15-20-25-30100 150 200 250 300 350 400 45050监测次数DBC2-1；DBC2-2；DBC2-3 工况注：累计沉降/mm（c）长边DBC2-4至DBC2-6地表沉降50-5-10-15-20-25-30100 150 200 250 300 350 400 45050监测次数DBC2-4；DBC2-5；DBC2-6 工况图 盾构井基坑长边方向地表沉降累计沉降出现于 年 月 日，最大日隆起出现于 年 月 日，均处于施工过程中的工况。由此，类似工程相近位置在土体开挖至基坑底部时，应加强观测并做好预案。图 将图 中、测点组的最大日隆起、最大日沉降、日变形标准差、最大累计沉降进行了比较，可以发现，个测点组的 类特征参数差异不显著，即本工程开挖过程中，尽管 组测点的分布位置、测点数目存在差异，但 类特征参数在一定范围内变化，对于最大值出现第 期李炜明 朱 义 王慕鸿等：复杂地层地铁盾构井施工土体竖向变形规律规律，需要进一步结合其他类似工程监测数据来进行分析。00.511.522.533.541 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 2 3-2.5-2-1.5-1-0.501 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 2 300.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 2 3-30-25-20-15-10-501 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 2 3最大日隆起/m m最大日沉降/m m日变形标准差/m m最大累计沉降/m mDBC1DBC3DBC2DBC4DBC1DBC3DBC2DBC4DBC1DBC3DBC2DBC4DBC1DBC3DBC2DBC4图 基坑各边测点的监测特征参数-30-25-20-15-10-50注:5101 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4m m最大日隆起 最大日沉降 日变形标准差 最大累计沉降DBC1;DBC2;DBC3;DBC4图 基坑各边测点组监测特征参数的最大值图 按照测点距基坑边缘距离，将测点分为 类：类距离、类距离、类距离测点，分别距基坑边缘 、和 ；图 将 类距离测点的最大日隆起、最大日沉降、日变形标准差、最大累计沉降进行比较。本工程测点离基坑边缘的距离相对开挖深度而言，相对较小，同时，类测点的距离与开挖深度比较，差异相对较小。在图 与图 中，监测数据特征参数随 类距离的变化规律不显著。建议在工程现场条件允许的情况下，可适当增加离基坑边缘较远处测点的观测。最大日隆起/m m最大日沉降/m m日变形标准差/m m最大累计沉降/m m 00.511.522.533.541 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5I类距离类距离 类距离-2.5-2-1.5-1-0.501 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5I类距离类距离 类距离00.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5I类距离类距离 类距离-30-25-20-15-10-501 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5I类距离类距离 类距离图 不同距离测点组的监测特征参数注:-30-25-20-15-10-50510123123123123m m最大日隆起 最大日沉降 日变形标准差 最大累计沉降I类距离;类距离;类距离图 不同距离测点组的特征参数最大值需要注意的是，实际工程中，施工监测受到多方面因素约束。图 中，长边、短边方向的监测点布置位置、方式存在差异；测点组、中，测点组 监测时间开始较晚，也存在缺失数据段，因此，本工程以测点组 为例分析开挖深度对测点组竖向变形的影响。图 所示为基坑开挖到不同深度时，测点距开挖边界距离与地表竖向变形的关系。从左至右分别为 、和 测点，虚线表示不同深度土方开挖与支撑架设完成后的地表竖向变形。整体上看，随着基坑开挖深度的增加，地表竖向铁 道 工 程 学 报 年 月变形逐渐增大，但在部分基坑开挖与支撑架设的过程中，土体竖向变形会产生小幅回升。在施工过程中，最大竖向变形位置可能存在差异，整体上最大竖向变形随基坑开挖深度的增加而增加，在开挖至底层土层时，达到最大值，测点组 中的 个测点沉降槽并不显著。地表沉降/mm50-5-10-15-20-25-3002468距开挖边界距离/m挖至7.2 m；挖至12.6 m；挖至18 m；挖至23.9 m；挖至30.1 m；挖至35.8 m；挖至41.7 m101214注：图 不同开挖深度 测点组地表沉降 结论本文依托广州地铁某复杂地层下的盾构井基坑工程，对整个施工过程进行了数值模拟与施工监测数据分析，主要得出以下结论：（）对于本工程的数值模拟，在长边方向上前六道支撑以上的土体开挖过程中最大竖向变形为；在短边方向最大竖向变形为。（）对于复合地层下的本工程的施工，最大地表沉降最大值为 ，沉降变化率最大值为 ，已接近工程控制值 与 ；矩形盾构井基坑 条边的测点组竖向变形值都大于 ，应在类似工程中引起关注。由于边界条件、假设条件等原因，施工监测值与数值模拟的沉降值会存在一定差异。同时，实际监测中受诸多条件约束，监测位置、监测时间与数值模拟比较，相对较少。比如，本工程盾构井周边测点在盾构机出洞后，即停止了监测。建议类似工程中，如土体竖向变形较大，适当加长监测周期。（）对于本工程而言，因为监测点布置的距离较近，监测数据在空间上未能形成空间上的完整沉降槽；同时，在相同工况下，各监测点竖向变形值较为接近，随盾构井开挖深度增加而增大，离基坑边缘一定距离的点，竖向变形值整体略大，监测值部分与空间上的理论曲线较为接近。建议工程允许条件下，类似工程可适当增加相对开挖深度一定距离的施工观测测点。参考文献：全球已开通运营地铁系统数据统计 隧道建设（中英文），（）：，（）：，：钱七虎 迎接我国城市地下空间开发高潮 岩土工程学报，（）：，（）：刘洪洲，孙钧 软土隧道盾构推进中地面沉降影响因素的数值法研究 现代隧道技术，（）：，（）：张顶立，黄俊 地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测 岩石力学与工程学报，（）：，（）：郑刚，李志伟 不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析 岩土工程学报，（）：，（）：李方明，陈国兴，刘雪珠 悬挂式帷幕地铁深基坑变形特性研究 岩土工程学报，（）：，（）：李炜明，姚成毅，任虹，等 地铁车站异形狭长基坑地连墙变形分类及规律研究 中国铁道科学，（）：，（）：第 期李炜明 朱 义 王慕鸿等：复杂地层地铁盾构井施工土体竖向变形规律