始发段盾构掘进诱发粉土地层与环境响应的实测研究_金晖.pdf

收稿日期：2022-11-07基金项目：中铁二十二局集团有限公司科研计划课题资助（21-12B）；江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目资助（22KJB170020）作者简介：金晖，男，在读硕士研究生，主要研究方向为盾构施工及其模拟。引文格式：金晖，王宾，陆勇，等.始发段盾构掘进诱发粉土地层与环境响应的实测研究 J.市政技术，2023，41（3）：52-57，139.（JIN H，WANG B，LU Y，et al.Field measurement study on silty soil layer and environmental response caused by shield tunneling in launchingsection J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：52-57，139.）文章编号：1009-7767（2023）03-0052-07第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.052Journal of Municipal Technology始发段盾构掘进诱发粉土地层与环境响应的实测研究金晖1*，王宾2，陆勇1，范存新1，李安勇1（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215000；2.中铁二十二局集团 轨道工程有限公司，北京 100101）摘要：以苏州市轨道交通 7 号线白荡南站扬东路站区间为例，依据盾构掘进诱发地层变形响应将施工过程分为 4 个阶段（接近下穿远离极远），继而研究了盾构掘进诱发地表、管片和建筑物的沉降规律，得出以下结论：始发段掘进是盾构施工过程中的关键环节，该阶段埋深较浅，地表受盾构影响大，合理的施工参数（掘进速度应在 610 环/d）能够使地表沉降趋于稳定；盾构停机是盾构施工过程中不可避免的环节，该阶段须保持掌子面压力与掘进面土压力相平衡才能控制地表沉降趋势；从沉降槽曲线可看出，盾构掘进对土体的扰动影响主要集中于中轴线距隧道两侧 12 m 以内的区域，而对超过 12 m 以外的区域影响较小，且在地质条件较好的地层中，盾构掘进诱发的地表沉降槽宽度较宽；地层变形对周围环境的影响具有时间依赖性，隧道管片和邻近建筑物在盾构掘进后的一段时间内呈沉降趋势。关键词：盾构掘进；沉降时程曲线；沉降断面曲线；施工阶段中图分类号：U 455文献标志码：AField Measurement Study on Silty Soil Layer and Environmental ResponseCaused by Shield Tunneling in Launching SectionJin Hui1*，Wang Bin2，Lu Yong1，Fan Cunxin1，Li Anyong1（1.School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215000，China；2.China Railway 22nd Bureau Group Track Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100101，China）Abstract：Taking the section between Baidang South Station and Yangdong Road Station of Suzhou Rail Transit Line7 as an example，this paper divides the construction process into four stages（close-underpass-far away-extremelyfar）and studies the settlement law of surface，segment and building induced by shield tunneling.The following con-clusions are drawn that the excavation of the starting section is the key link in the process of shield construction.Inthis stage，the shallow surface is greatly affected by shield tunneling and reasonable construction parameters（tun-neling speed should be 610 rings/day）can make the surface settlement tend to be stable；Shield shutdown is aninevitable part of the process.It is necessary to maintain the balance between the pressure of the tunnel face and theearth to control the surface subsidence trend；According to the settlement trough curves，the influence of shieldtunneling on soil disturbance is mainly concentrated in the area within 12 m from both sides of the tunnel，and haslittle effect on the areas beyond 12 m.In the stratum with better geological conditions，the width of the surface settle-ment trough is relatively wider；After excavation，the disturbance of stratum deformation to the surrounding environ-ment is time-dependent.Tunnel segments and adjacent buildings will tend to settlement for a period of time.Key words：shield tunneling；settlement time history curve；settlement section curve；construction process第3期盾构法施工具有地面影响小、机械化程度高、安全性好、进度快等优点，在我国城市地铁施工中得到了广泛应用1。但盾构法施工会引起周围土体的应力重分布，导致土体变形，继而诱发地表沉降、管片位移，并影响上部建筑物的正常使用和使用寿命。因此，研究盾构掘进响应规律，特别是对周围建筑物的影响具有重要意义。随着盾构法理论与实践的发展，国内外学者2-13运用数值模拟和现场实测的方法对不同隧道埋深、不同地质条件、不同掘进速度条件下盾构掘进诱发地表沉降和周围环境响应规律进行了研究。在现场实测方面：秦睿成等8通过现场实测研究了黏土地层盾构掘进速度对地表沉降的影响，认为盾构掘进速度较快时造成的地表沉降更小，但可能会引起地表隆起；王淼等14基于周围建筑物现场实测数据，认为在合理的施工参数下盾构下穿对周围建筑物的影响较小。在数值模拟方面：李俊猛15基于浅埋隧道地表现场实测数据和数值模拟，分析得出地表沉降槽曲线基本沿隧道轴线呈对称分布，横向主要影响区域大致在中轴线一侧2D（D为隧道直径）区域内；秦亚斌等16采用数值模拟的方法模拟了盾构掘进施工过程，发现按照6环/d（约9 m/d）的盾构掘进速度进行施工，地表沉降可趋于稳定。基于始发段盾构掘进和停工期间的施工参数控制（掌子面压力和掘进速度）对地表沉降影响的研究相对较少，因而对浅埋地层中盾构掘进扰动控制缺乏系统认识，笔者以苏州市轨道交通7号线白荡南站扬东路站区间浅埋粉黏土地层的土压平衡盾构施工为例，分析（近）始发段盾构掘进诱发地层变形的时空响应，并结合盾构穿越地层、隧道埋深条件和施工参数，分析沉降规律，以期为类似工程提供参考与借鉴。1工程简介与地质条件苏州市轨道交通7号线（白荡南站扬东路站）工程地质特征见表1。白荡南站扬东路站区间地质剖面见图1。由图1可知，隧道始发段处于黏质粉土层与粉砂夹粉土层中，埋深约5.3 m；隧道中间段大致处于粉砂夹粉土层中，埋深7.19.1 m。2施工与监测方案2.1施工方案该区间隧道自白荡南站南端始发，以直线向南掘进，直到扬东路站。区间隧道采用加泥式土压平衡盾构施工，匀速掘进，盾构掘进速度保持在23cm/min。2022年3月15日右线隧道开始掘进，5月5日掘进到476环；2022年4月9日左线隧道开始掘进，5月5日掘进到159环。2.2监测方案（监测点见图2）由图2可知，该区间地表监测点在左、右线隧道中轴线的地表上进行放样并作标记（见图2a）、b）。盾构始发段、近始发段每10环布置1个横断面，并垂直于隧道左、右线，横向监测间距宜为3、3、5、7 m，且每侧布置4个监测点。隧道拱底监测点布置在管片拱底上方（见图2d），每个断面监测间距为10环。3地层响应分析该隧道盾构掘进速度见表2。盾构始发段、近始发段中的典型监测断面特征见表3。表1工程地质特征Tab.1 Geological characteristics of the engineering地层编号岩土名称岩性描述123123211a1杂填土淤泥素填土黏土粉质黏土黏质粉土粉砂夹粉土粉质黏土黏质粉土粉质黏土杂色，松散。中部为二灰碎石和灰土，下部为粉质黏土灰黑色，流塑，含少量碎石褐黄灰黄灰色，以黏性土为主,夹少量碎砖石褐黄灰黄色，局部呈硬塑状，含铁锰质结核灰黄青灰色，局部软塑，夹薄层粉土，粉土含量高黄灰灰色，很湿，中密，偶夹少量薄层粉质黏土灰色，饱和，中密，粉土中密状，夹薄层粉质黏土灰色，软塑，夹薄层状粉土灰色，很湿，粉质砂黏土暗绿灰色，可塑硬塑图1白荡南站扬东路站区间地质剖面Fig.1 Geological profile of the section from Baidang south stationto Yangdong Road station金晖等：始发段盾构掘进诱发粉土地层与环境响应的实测研究53Journal of Municipal Technology第41卷表2盾构掘进速度Tab.2 Tunnelling speed施工天数/d位置DBY15速度/（环/d）DBZ15速度/（环/d）DBY130速度/（环/d）DBZ125速度/（环/d）阶段12345678910111216116121222019131026565710984451210130000051679864120003121313阶段1阶段3阶段4阶段阶段阶段阶段3阶段1阶段2阶段3阶段4阶段4阶段4阶段2阶段3阶段2阶段1阶段1d）隧道拱底图2监测点Fig.2 Monitoring point由表3可知，从盾构始发段和近始发段左、右线各选取1个监测断面（DBZ15、DBY15、DBZ125、DBY130）。结合实际情况，可将施工过程分为4个阶段（见表4）。3.1盾构始发段、近始发段地表沉降时程曲线分析（见图3）由图3可知，地表沉降规律如下：1）由于始发段掘进速度较慢且埋深较浅，盾构施工对周围土体扰动大，故阶段1中始发段右线隧道中轴线上方地表呈明显下沉趋势，最大沉降量达到67 mm；而调整参数（提升盾构掘进速度）后，始发段左线和近始发段地表沉降均呈相对稳定趋势。相对于始发段而言，在掌握了合理的施工参数（盾构掘进速度、注浆参数）并及时调整后，能使地表沉降呈稳定趋势。2）由a）左、右线隧道地表b）左、右线隧道横向地表隧道位置监测断面埋深/m地质情况始发段近始发段DBZ15-19DBY15-19DBZ125-19DBY130-195.37.1黏质粉土层、粉砂夹粉土层粉砂夹粉土层表3不同位置地表监测断面特征Tab.3 Characteristics of surface monitoring section atdifferent locations表4施工阶段划分Tab.4 Division of construction stages阶段状态1234接近：盾头接近几十米10 m左右下穿：盾头接近10 m内盾头下穿远离：盾尾通过正下方通过一段距离极远：盾尾远离几十米后c）建筑物54第3期c）近始发段右线d）近始发段左线图3不同地表位置沉降时程曲线Fig.3 Subsidence time-history curves at different surfacea）始发段右线b）始发段左线于始发段设置的掌子面压力大于掘进面土压力，使得土体隆起变形，故阶段2中始发段地表呈明显上升趋势；而近始发段设置了合理的掌子面压力，使得掘进面土压力和掌子面压力相平衡，故在盾构掘进速度较慢甚至处于停工状态（见表4）时，近始发段地表因土体固结应呈下沉趋势，但实际地表沉降整体呈较稳定趋势。3）由于盾构开始远离后，前期扰动土体的再压缩和盾尾空隙会诱发地表发生一定程度的下沉，故阶段3中监测断面地表呈下沉趋势，但近始发段右线地表呈略微隆起趋势。4）阶段4中盾构机远离监测断面，地表受盾构掘进影响较小，地表沉降呈稳定趋势。3.2盾构始发段、近始发段地表沉降断面曲线分析（见图4）由图4可知，地表沉降大致呈“V”形对称形态，且主要集中于中轴线距隧道两侧12 m以内的区域。盾构始发段和近始发段4个阶段的地表沉降规律均为“下降上升下降”，主要是盾构下穿监测断面时，会引起地表隆起，与地表沉降时程曲线图描述一致。鉴于盾构始发段与近始发段的埋深接近，而黏质地层中盾构掘进对地层变形影响相对较大，因此表明该地层对盾构施工更敏感。从沉降槽宽度可看出，当盾构始发段与近始发段的埋深接近时，粉质黏土相对于粉质土的沉降槽宽度较窄，表明土质条件较差，则沉降槽宽度便较窄。4周围环境响应分析盾构施工影响地层变形，继而会影响隧道管片和周围建筑物的安全。因此选取隧道管片、建筑物沉降，分析盾构掘进对周围环境的响应。4.1隧道拱底沉降管片安装完成且盾构机完全驶离该监测点100多环后，开始测量隧道拱底沉降。选取右线始发段和近始发段某管片监测点数据绘制时程曲线（见图5）。由图5可知，始发段隧道管片监测点（SDY20、SDY30）的沉降幅值为-2.01.5 mm，整体处于较稳定趋势；近始发段隧道管片监测点（SDY180、SDY200）的沉降相较于始发段隧道管片沉降略为显著，这是金晖等：始发段盾构掘进诱发粉土地层与环境响应的实测研究55Journal of Municipal Technology第41卷隧道位置监测断面埋深/m地质情况始发段近始发段SDY20SDY30SDY180SDY2005.39.1粉质黏土、粉砂夹粉土粉砂夹粉土表5不同位置隧道管片监测断面特征Tab.5 Characteristics of tunnel segment monitoringsectionsat different locations由于近始发段隧道管片受竖井边界的约束影响相对较弱。不同位置隧道管片监测断面特征见表5。4.2建筑物沉降选取的建筑物监测对象为民建1和民建2，民建1监测点距右线隧道1520 m，民建2监测点距右线隧道510 m。为了研究建筑物沉降变形规律，绘制每个监测点的沉降时程曲线，见图6。由图6可知，盾构接近段中的民建1监测点整体呈较稳定的微幅下沉趋势，而民建2监测点呈上升趋势，这是由于民建2监测点比民建1监测点距隧道更近，受盾构影响更大；盾构下穿段中的民建1监测点呈较明显的上升趋势，这是由于民建1监测点埋深较浅，盾构下穿期间对周围土体扰动较大，而民建2监测点掌子面压力设置更为合理，且盾构埋深增大，该阶段地表沉降整体呈较稳定趋势；盾构远离段中盾构机已远离监测断面，地表受盾构掘进影响较小，监测点地表沉降呈稳定趋势。c）近始发段右线（DBY130）d）近始发段左线（DBZ125）图4不同地表位置沉降断面曲线Fig.4 Subsidence section curves at different surface locationsa）始发段右线（DBY15）b）始发段左线（DBZ15）图5不同位置隧道拱底沉降时程曲线Fig.5 Settlement time-history curves at different tunnel archbottom positions56第3期a）民建1b）民建2图6不同建筑物沉降时程曲线Fig.6 Settlement time-history curve of different buildings5结论结合苏州市轨道交通7号线区间始发段盾构施工现场实测数据，绘制了监测断面时程曲线。根据盾构掘进诱发地层变形的规律将施工过程分为4个阶段：接近下穿远离极远，分析土体扰动诱发的地层响应特征、隧道拱底沉降特征和周边建筑物沉降特征，得出如下结论：1）盾构始发掘进阶段是盾构施工过程中的关键环节，面临地层埋深较浅且需要处理盾构施工参数与地层相适应等问题，因此合理的施工参数（盾构掘进速度应在610环/d）能够使地表沉降趋于稳定；盾构停机是盾构施工过程中不可避免的环节，须保持掌子面压力和掘进面土压力相平衡才能控制地表沉降趋势。2）从沉降槽曲线可以看出，盾构掘进对土体的扰动影响主要集中在中轴线距隧道两侧12 m以内的区域，而对12 m以外的区域影响较小。此外，地质条件是决定盾构掘进影响的重要因素，在土质条件较好的地层中盾构掘进诱发的地表沉降槽宽度相对较宽。3）盾构掘进对周围环境具有一定的影响，使隧道管片呈一定的沉降趋势。合理的盾构施工参数可以降低盾构掘进对其上部建筑物变形的影响，而建筑物距隧道越近受盾构掘进的影响就越大。参考文献1王选祥.盾构隧道管片上浮机理及控制技术J.铁道建筑，2009（5）：52-55.（WANG X X.The floating mechanism and controltechnology of shield tunnel segmentsJ.Railway engineering，2009（5）：52-55.）2严鹏飞，殷建光，葛新辉，等.不同埋深隧道开挖对地表沉降影响的三维有限元分析J.广西大学学报（自然科学版），2021，46（1）：60-66.（YAN P F，YIN J G，GE X H，et al.Three-dimen-sional finite element analysis of influence by excavation of dif-ferentburiedtunnelsongroundsubsidenceJ.JournalofGuangxiUniversity（natural science edvition），2021，46（1）：60-66.）3王渭明，李强，曹正龙，等.不同埋深下近距交叠隧道施工地表变形研究J.铁道标准设计，2015，59（10）：123-128.（WANGWM，LIQ，CAOZL，et al.Studyon surface deformation in smallspacing overlapping tunnel in different depthsJ.Railway stan-dard design，2015，59（10）：123-128.）4李倩倩，张顶立，张成平，等.不同埋深下暗挖隧道施工的地层响应J.北京交通大学学报，2013，37（1）：27-33.（LI Q Q，ZHANG D L，ZHANG C P，et al.Ground response caused by un-dercutting subway tunnel under different overburden 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