软土地区盾构隧道施工沉降槽的特征分析

2024-07-19 来源：爱问旅游网

软土地区盾构隧道施工沉降槽的特征分析

璩继立　葛修润

(上海交通大学　上海　200030)

　　摘　要:根据实测资料,分析了上海软土地区盾构隧道施工时所形成的沉降槽的特征。通过统计、拟合、对比及作图等方法,对沉降槽的形状、沉降槽与隧道埋深的关系、沉降槽随时间的演变以及沉降槽宽度系数与埋深和时间的关系进行了深入的研究,得出了在软土地区具有重要指导意义的结论。　　关键词:沉降槽　盾构施工　隧道埋深　宽度系数

ANALYSISOFCHARACTERISTICSOFSETTLEMENTTROUGHINDUCED

BYSHIELDCONSTRUCTIONINSOFTSOILAREA

QuJili　GeXiurun

(ShanghaiJiaotongUniversity　Shanghai　200030)

Abstract:ThispaperanalyzesthecharacteristicsofsettlementtroughinducedbyshieldconstructioninsoftsoilareainShanghaibasedontestdatainsitu.Theshapeofthetrough,therelationshipbetweentroughanddepthoftunnel,troughevolvementwithtimeandrelationshipbetweentroughwidecoefficientandtunneldepthandtimeareprofoundlyresearchedmainlyusingthemethodsofstatistics,fitting,comparisonanddrawingetc.Fromwhichtheconclusionswhichareofimportantguidancetosoftsoilareaareobtained.

Keywords:settlementtrough　shieldconstruction　tunneldepth　widthcoefficient

1997年7月18日开始推进,盾构切口里程为8791859m,1997

1　工程概述

年11月9日结束。由于种种原因,本次试验只获得3个月的资料,未能获得更长的资料。切口里程为941962m,推进环数为785环;8月21日开始监测地表长期沉降,此时盾构推进环数为167环。各层土物理力学性质见表1。

2　埋深不同的隧道各断面沉降槽的实测形状研究

上海地铁二号线是上海市地铁规划网络中一条东西走向线,与地铁一号线垂直相交,是上海地铁规划网络中关键线路之一。地铁二号线以虹桥国际机场为起点,浦东国际机场为终点,一期工程为中山公园站至龙东路站,共设置11个地下车站。现场试验研究在上海地铁二号线区间隧道龙东路-中央公园站进行。本区间隧道自龙东路站出发,里程桩

131530～5531179m,除距离为5391664m的曲线段外(其中缓

从剖面中可以看出,中央公园站至龙东路站区间隧道在龙东路(该站为地面站)时上抬,使得隧道埋深在整个区间内有明显变化。选取不同埋深条件下具有代表性的6条横向断面沉降观测槽所监测到沉降稳定值(90d后),见表2,并绘制图1、图2,可看出如下简单规律:

1)随隧道埋深的增大,地表沉降槽横向影响范围呈增大

和曲线两段各60m,中间半径350m的圆曲线4191649m),其他均为直线。隧道的纵坡在全程范围内变化较大。在上下引线出洞口附近有一个半径为3000m凸竖曲线,洞口附近有一个半径为3000m凸竖曲线,中途有2个半径为5000m的凹竖曲线,其余为27‰和612‰的坡度线。盾构通过地层为第四层灰色淤泥质粘土。本区间隧道由外径6200mm,内径5500mm的预制钢筋混凝土衬砌组成,环宽1000mm,厚度

350mm,每环由拱底块(D)1块,标准块(B)2块,邻接块(L,

L)2块,封顶块(F)1块拼装而成。本区间隧道共计

趋势,埋深6109m时为-6～+6m;埋深10137m时为-9～

+9m;埋深12172m时为-12～+12m。

2)随隧道埋深的增大,地表最大沉降值减少。埋深6109m时,轴线处的沉降值为65141mm,埋深增加约1倍即为12172m时,轴线处的沉降值减少为24123mm,减少量为41118mm。

3)尽管国外一些资料显示,隧道埋深(即上覆粘性土厚

1624环。预制衬砌钢筋混凝土强度等级C50,抗渗等级S8,

衬砌纵环向联结螺栓共(16+13)×1620套,衬砌环缝及纵缝间防水采用弹性密封衬垫。区间隧道采用法国FCB公司生产的土压平衡式盾构掘进机施工,其外径6340mm,长度

6540mm,盾构与车架总长度28m。在盾构轴线上布置了一

度)与地表最大沉降值之间存在近似双曲线的关系,但在上

第一作者:璩继立　男　1964年7月出生　博士后收稿日期:2004-08-05

系列地表沉降监测点,并随时对其进行沉降观测,上行线于　42　IndustrialConstruction2005,Vol135,No11

工业建筑　2005年第35卷第1期

表1　各土层物理力学性质参数

土层名称人工填土

褐黄色粘土灰色砂质粉土灰色淤泥质粉质粘土灰色淤泥质粘土灰色粘土灰色粉质粘土暗绿色粘土草黄色粉质粘土草黄色砂质粘土草黄色粉砂

层厚Πm

1101153152157154152103101107101210

34334550353524263028

1187118711761172118411822101119511891193

0196791917112411141102110201667017690185301781

含水量Π%

密度Π

(g・cm-3)

孔隙比e

压缩模量Π

MPa4163412111103212121053195319971261931014113175

变形模量Π

MPa315231376187113811283129313361315178912512138

泊松比

0125012701250125012501250125012201250121012

粘聚力Π

kPa181217176131312121614171513251711215210

内摩擦角Π

(°)18172197131091619202425

表2　隧道不同埋深时地表横向沉降槽实测值

xΠm

H/m

6109-2-8132-22193-55164-65141-46162-12195-316-1

8137-215-10158-38122-4718448194-36152-23111-6133-115

9178-3-5121-22142-32135-3615-37156-19122-10124-1

10137-5184-12132-23168-35128-34152-30121-1417-10155-114

11137-2191-13165-42138-26108-28162-20163-1315-9174-8133

12172-9176-13185-22123-20175-24123-26145-18125-16151-12103

-12-9-6-3036912

　　注:x为距隧道中心线横向距离,H为隧道中心线埋深。

海的实测资料显示它们之间存在近似线性的关系,这从图3可以看出,其拟合的相关系数为019874,关系式为:s=

102148-61417x,单位:沉降取mm,埋深x取m。

实线为拟合值;虚线为实测值

图2　埋深不同的地表沉降槽轴线处沉降值变化

虚线为实测值;实线为拟合值

图3　埋深为6109m时地表横向沉降槽曲线

1-H=12172m;2-H=11137m;3-H=10137m;4-H=9178m;5-H=8137m;6-H=6109m

4)综合1)、2)可知,土体受盾构施工扰动在近盾构处影

图1　埋深不同的地表横向沉降槽曲线

响较大,远离盾构处较小,其扰动程度随与隧道距离加大呈

现衰减性和扩展性的特点。因此,在对盾构施工中邻近建筑物采取改善土性的办法进行保护时,重要的是要对近盾构周

软土地区盾构隧道施工沉降槽的特征分析———璩继立,等

围的土体进行加固处理,加固范围在盾构周围应包括不小于

3m的土体,即距盾构中心线6m范围内的土体(考虑盾构直

拟合结果为:i=4135+7129×10-9s8,相关系数R=

019985。

径为6134m)。

3　埋深不同的各断面沉降槽的统计分析

可见,沉降槽宽度系数与隧道轴线埋深之间存在8次幂关系,沉降槽宽度系数与隧道轴线埋深的8次幂之间具有非常好的线性关系。其拟合过程如下:

如果y=a+bx,则相关系数R=018300;如果y=

a+bx,则相关系数R=018853;如果y=a+bx,则相关系

表2为隧道埋深不同时(从隧道轴线算起的上覆粘土厚度)地表横向沉降槽实测值。由此得出的实测值与拟合值及其相关参数的关系如图3～图5。其中,i为宽度系数;R为拟合的相关系数;为节省篇幅,只给出当埋深为6109、10137、

12172m时的曲线。

数R=019285;如果y=a+bx4,则相关系数R=019592;如果y=a+bx5,则相关系数R=019791;如果y=a+bx6,则相关系数R=019909;如果y=a+bx7,则相关系数R=

019967;如果y=a+bx

715

,则相关系数R=019980;如果y=

815

a+bx,则相关系数R=019985;如果y=a+bx

,则相关

系数R=019983;如果y=a+bx,则相关系数R=019975;如果y=a+bx10,则相关系数R=019949。

从以上回归过程可清楚地看出,当y=a+bx8,相关系数R=019985时为最佳。由上可得如下结论:

虚线为实测值;实线为拟合值

图4　埋深为10137m时地表横向沉降槽曲线

1)隧道埋深与地表沉降之间的关系。从图2可看出,他

们之间的关系非常近似于直线,即隧道轴线埋深越大,则沉降量越小;反之,则沉降量越大。其拟合的相关系数为

019874,关系为:s=102148-61417x,单位:s取mm,x取m。

这可能与盾构施工对地层的扰动范围有关,因为土体的分层沉降表明,土体越靠近盾构,受到的扰动越大,造成的地层损失沉降和随后的固结沉降越大;土体越远离盾构,受到的扰动越小,造成的地层损失沉降和随后的固结沉降也越小;因此,盾构埋深越小,地表离盾构就越近,地表土体受到的扰动

虚线为实测值;实线为拟合值

图5　埋深为12172m时地表横向沉降槽曲线

就越大,因而造成的地层损失沉降和随后的固结沉降也越大;反之,盾构埋深越大,地表离盾构就越远,地表土体在盾

埋深为6109m时,拟合关系为:s(x)=55115e-37188,i=

4135m,R=-019715。

-x4311

构施工中受到的扰动就越小,造成的地层损失沉降和随后的固结沉降也就越小。

2)隧道埋深与地表沉降槽宽度系数之间的关系。从上

埋深为8137m时,拟合关系为:s(x)=55176e

4164m,R=-019803。

,i=

述拟合分析和图7可知:沉降槽宽度系数与隧道轴线埋深之间存在8次幂关系,即沉降槽宽度系数与隧道轴线埋深的8

-98

次幂之间具有非常好的线性关系:i=4135+7129×10s,

埋深为9178m时,拟合关系为:s(x)=42139e-45145,i=

4177m,R=-019648。

xx2

相关系数R=019985,单位均为m。从图7也可看出,当隧道

埋深超过10m之后,宽度系数随埋深的增加迅速增加。这可作如下解释:随埋深的增加,由于盾构外壳与周围土体的摩擦以及向盾尾空隙的注浆而产生的影响范围也大大地扩展,即引起地层移动的范围也大大横向扩展,尤其与土层的横向位移、土体流变及横向超孔隙水的消散关系密切。

埋深为10137m时,拟合关系为:s(x)=37151e-58114,i=

5139m,R=-019235。

x埋深为11137m时,拟合关系为:s(x)=30116e-81197,i=

614m,R=-018490。

埋深为12172m时,拟合关系为:s(x)=24151e-174152,i=

9134m,R=-019578。

埋深与宽度系数之间关系如图6所示。

◆3个月;▲1年;○最终

图7　埋深为6109m时横向沉降槽随时间的演变

3)随着隧道埋深的增大,地表沉降减小,但沉降槽宽度

虚线为回归计算值;实线为拟合值

图6　隧道轴线埋深与沉降槽宽度系数之间的关系

系数却反而增加。从形成的沉降槽形状看,埋深浅时,沉降槽深而窄,曲线的曲率增加,横向影响范围也小;反之埋深大

工业建筑　2005年第35卷第1期

时,沉降槽浅而宽,曲线的曲率减小,横向影响范围大。埋深为6109m时,其宽度系数i值为4135m,若按Peck公式,则其影响范围是215i,即215×4135=10188mm;也即隧道侧向

11m范围内的建筑均会受到不同程度的影响;埋深为12172m

数i=4135m,结果见表3。

由表3绘出的各时间沉降槽演变情况如图7所示。为显示清楚,只绘出时间为3个月、1年和最终沉降的横向沉降槽。

当埋深分别为10137m和12172m时的情况如表4、表5以及图8、图9所示。

表4　埋深为10137m时,时间、中心沉降量和

宽度系数三者之间的关系

时间

1个月3个月5个月1年2年10年

时,其宽度系数i值为9134m;若按Peck公式,则其影响范围是215i,即215×9134=23135m,亦即隧道侧向23m范围内的建筑将会受到不同程度的影响。所以随埋深增加,横向影响范围大大扩展了。

4)图3～图5还可看出,其出现最大沉降量的位置,往往

隧道中心轴线对应各时间的沉降量Πmm

24166341523914544138461844818249131

并不是在隧道中心轴线上,而是有所偏离。图4和图5偏离值为3m左右,该值正好是盾构的半径,显示施工时可能由于盾构的“蛇行”和超挖引起土体向盾构一侧的移动和流变,使得沉降最大值不在中间,而在两侧,在隧道埋深较浅时尤其明显。

5)应该说明的是:上述分析得出的宽度系数与隧道埋深

宽度系数iΠm

510651395156517351815188519

各时间沉降槽方程

s=24166e-010195xs=34152e-010172xs=39145e-010162xs=44138e-010152xs=46184e-010148xs=48182e-010145xs=49131e-010144x

2222222

之间的关系,是在有土体固结作用参与下发生的,因而该宽度系数远大于Peck公式得到的i值,这是可以理解的,因为随着固结沉降的进行,沉降槽的宽度也在增加;如按照Peck公式的估算i=

H+R最终沉降

表5　埋深为12172m时,时间、中心沉降量和

宽度系数三者之间的关系

时间

1个月3个月5个月1年2年10年

2πtan45-

,并按现场勘测资料,埋深

隧道中心轴线对应各时间的沉降量Πmm

17131241232716931115321883412634161

为6109m时,φ=18°;埋深为12172m时,φ=14°;则按上述公式可分别求出此两种情况下的i值为3134m和615m,与拟合出的值4135m和9134m相差甚远,这也从另外一个方面说明了固结和次固结沉降对沉降槽形状的影响,即不同于完全由于盾构施工初期地层损失引起的沉降。

4　埋深不同的各断面沉降槽形状随时间的演变

宽度系数iΠm

9111913491469158916491679168

各时间沉降槽方程

s=17131e-01006x

2222

s=24123e-010057xs=27169e-010056xs=32188e-010054xs=34161e-010053x

s=31115e-0100545xs=34126e-0100535x

最终沉降

根据上海地区大量统计资料[1],当地层沉降达到最终沉降量的50%、70%、80%、90%、95%、99%、9915%时的相应时间大致为1个月、3个月、5个月、1年、2年、10年和20年,而上述实测沉降量大约在3个月,根据上述规律,可推算出埋深不同的各断面在不同时间的中心沉降及沉降槽的形状演变过程。如埋深为6109m时,3个月的中心沉降为65141mm,则其最终沉降为65141Π70%=93144mm,其他各时间的中心沉降也可算出,见表3。

表3　埋深为6109m时,时间、中心沉降量和

宽度系数三者之间的关系

时间

1个月3个月5个月1年2年10年

◆1个月;▲5个月;

Ξ无穷

图8　埋深为10137m时横向沉降槽随时间的演变

隧道中心轴线对应各时间的沉降量Πmm

4617265141741758411088177921593144

[1]

宽度系数iΠm

3172413541664198511351265129

各时间沉降槽方程

s=46172e-01036xs=65141e-01026xs=74175e-01023xs=8411e-0102x

2222

◆1个月;●5个月;

Ξ无穷大

图9　埋深为12172m时横向沉降槽随时间的演变

s=88177e-01019xs=9215e-01018x

　　由表4绘出的各时间沉降槽演变情况如图8所示。为

最终沉降

s=93144e-010179x

显示清楚,只绘出时间为1个月、5个月和最终沉降的横向沉降槽。

由表5绘出的各时间沉降槽演变情况如图9所示。为显示清楚,只绘出时间为1个月、5个月和最终沉降的横向沉降槽。

　　根据统计资料,在埋深不变时,沉降槽中心的沉降量

每增加1mm,横向槽宽度系数约扩展010336m,即3316mm,则可据此算出各时间相应的宽度系数,因此3个月时的宽度系软土地区盾构隧道施工沉降槽的特征分析———璩继立,等

对上述图表说明如下:

1)随固结的继续,在中心沉降量不断增加的同时,横向

度系数变化并不大,甚至局部出现随埋深增大,宽度系数减小的情况,如就最终沉降而言,埋深为8137m,宽度系数为

5133m,而埋深增加到9178m时,宽度系数反而减少为5131m。

沉降槽也在不断扩展。而埋深不同时,其扩展的范围也不同。埋深为6109m时,从1个月到最终时,其宽度系数从

3172m扩展到5129m,扩展了42%;而埋深为12172m时,在同

再如,到达90%的最终沉降时,埋深为8137m时,宽度系数为

511m,而埋深增加到9178m时,宽度系数为5113m,变化很小。

一时间间隔内,其宽度系数从9111m扩展到9168m,仅扩展了

6%;从1个月至1年的时间段内,埋深为6109m时,其宽度系

实际上,这一现象的发生,与土层条件不均匀有关,即与上覆土层的物理力学性质的差异有关。

5　结　论

1)隧道埋深与地表沉降之间的关系非常近似于直线反

数从3172m扩展到4198m,扩展了40%;而在同一时间间隔内,埋深为12172m,其宽度系数从9111m扩展到9158m,扩展了5%。这一方面说明,埋深较大时,宽度系数扩展较慢,另一方面也说明扩展幅度也不大。埋深浅时则正好相反。

2)从沉降槽的形状上看,埋深浅时,最终沉降大,宽度系

比关系,即隧道轴线埋深(即上覆粘土层厚度)越大,则沉降量越小;反之,隧道轴线埋深越小,则沉降量越大。其拟合的相关系数为019874,关系为:s=102148-61417x,单位:s取

mm,x取m。

2)隧道埋深与地表沉降槽宽度系数之间存在8次幂关

数小;而埋深大时,最终沉降小,宽度系数大。这种情况并不因为沉降的继续而改变。埋深和沉降达90%时的宽度系数以及埋深和最终宽度系数之间的关系如图10所示。为了对比,把沉降为70%时的宽度系数一并绘出。

系,即沉降槽宽度系数与隧道轴线埋深的8次幂之间具有非常好的线性关系:i=4135+7129×10-9s8,相关系数R=

019985,单位均为m。

3)随着隧道埋深的增大,地表沉降减小,但沉降槽宽度

系数则反而增加。从形成的沉降槽形状看,埋深浅时,沉降槽深而窄,横向影响范围也小;反之埋深大时,沉降槽浅而

◆70%(3月);●90%(1年);▲最终图10　不同时间时埋深与宽度系数之间的关系

宽,横向影响范围大。

4)出现最大沉降量的位置,往往并不是在隧道中心轴线

由图10也可以看出,随埋深的增大,其宽度系数随时间的变化越来越不明显,而在埋深较浅时,宽度系数随时间的变化较为明显。这和上面的分析完全一致。另外,从总体上看,这三条曲线的形状相差并不大,说明各个时期埋深与宽度系数之间的关系也都服从于8次幂关系。

3)由于在埋深一定时,隧道中心沉降的变化与宽度系数

上,而是有所偏离。偏离值为3m左右,该值正好是盾构的半径。

5)随固结的继续,在中心沉降量不断加深的同时,横向

沉降槽也在不断扩展。而埋深不同时,其扩展的范围也不同。埋深较大时,宽度系数扩展较慢,扩展幅度也不大。埋深浅时则正好相反。

6)随埋深的增大,其宽度系数随时间的变化越来越不明

之间具有相对固定的关系,即沉降每增加1mm,宽度系数将扩展010336m。因而宽度系数随时间的变化情况可从中心沉降随时间的变化中推出。

4)从其最终影响范围看,埋深为6109m时,大约为隧道

显,而在埋深较浅时,宽度系数随时间的变化较为明显。

参考文献

1　璩继立.盾构施工引起的地面长期沉降研究:[博士学位论文].上

侧边15m;而埋深12172m时,大约为24m。

5)图10还可以看出,埋深为6109、8137、9178m时,其宽(上接第41页)

海:同济大学,2002

件箍筋λv同暗柱。

2)按“高规”第712118条规定“剪力墙水平和竖向配筋

　　如果小塔楼的层数大于2层,则振型数应取多一些。

4　短肢剪力墙结构体系构造要求

1)因为一般小高层剪力墙结构总的房屋高度在40～50m,所以对于14层以下的小高层,底部加强区高度一般都

率:二、三级抗震设计时均不应小于0125%;四级抗震设计和非抗震设计时均不应小于012%”。一般对于以上工程的短墙肢的水平计算配筋值H在019cm2左右,最大值也只有

213cm,短肢剪力墙配置的暗柱箍筋配箍率ρsvy计算值一般

在底部3层。新“抗震规范”出现了约束边缘构件这个概念,上述工程中出现的短肢剪力墙抗震等级定义为二级,必须设置约束边缘构件。笔者认为,由于短肢剪力墙的墙肢长度较短,约束边缘构件沿墙肢两个方向的lc接近于整段墙肢(见图2),为了加强墙肢抗震性能,可以把整段墙肢作为约束边缘构件考虑,其中暗柱内纵向钢筋应按墙肢两端的As值来配筋,箍筋应满足配箍率ρsv的最小配箍率要求;约束边缘构

在112%左右,均能满足这一条的规定。

参考文献

1　赵西安.钢筋混凝土高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社,19922　方鄂华.多层及高层建筑结构设计.北京:地震出版社,19923　同济大学.钢筋混凝土结构(下册).北京:中国建筑工业出版社,

1980

工业建筑　2005年第35卷第1期

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