都市快轨交通・第２８卷第２期２０１５年４月 土建技术．．Ｉ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—６０７３．２０１５．０２．０２２ 大直径土压平衡盾构施工 诱发地层变形规律研究 江 华 ，２ 江玉生 张晋勋２ 武福美 （１．中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院北京１０００８３；２．北京城建集团有限责任公司北京１０００８８） 北京１０００２９； ３．北京城建设计发展集团股份有限公司工程总承包部持续发展的重要命题和难点所在。 摘要 以北京地铁ｌ４号线高家园站一京顺站区间大 直径盾构隧道工程为背景，基于北京轨道交通工程施 为了解决上述问题，北京轨道交通建设管理有限 公司首次提出在北京地铁ｌ４号线１５标试点采用大直 径土压平衡盾构修建单洞双线隧道，然后通过成型的 隧道扩挖建设地铁车站。尽管盾构法具有地层适应性 强、对周围环境影响小、机械化程度高、掘进速度快、施 工安全等优点，但盾构施工诱发的地层变形仍不可避 免。特别对于大直径土压平衡盾构而言，盾构开挖面 积大，稳定性要求高，国内外可借鉴的工程经验较少， 如果大直径盾构施工诱发的地层变形得不到有效控 制，将会危及周边的地下管线、建（构）筑物及城市道路 等工程，引发一系列工程风险问题。笔者以１５标高家 园站一京顺站区间工程为背景，分析盾构诱发地层变 形的规律，基于北京轨道交通工程施工安全风险管理 Ｙ－安全风险监控系统开展地层变形监测试验，研究在 大直径土压平衡盾构施工诱发的地层横向和纵向变形 规律 研究结果表明：大直径盾构施工诱发地层变形 规律总体符合Ｐｅｃｋ沉降曲线，但由于地层差异和施工 控制等原因，沉降槽两侧并不完全对称，横向影响范围 约为隧道两侧２０ １１１，纵向影响范围约为盾体前后６０ ｆｆｌ， 变形值在０～一２５ １＂１］ｌｌｌ之间；盾构通过和盾尾脱离管片 时地层变形较大，两者之和通常大于总沉降的６０％；同 步注浆控制地层变形效果显著，但有一定时间的延滞， 必须恨据风险要求控制好浆液的凝结时间。 关键词北京地铁；大直径；土压平衙盾构；纵向变形； 横向变形 中图分类号文章编号Ｕ４５６．３ 文献标志码Ａ 监控系统，进行现场变形监测试验，研究大直径土压平 衡盾构施工诱发的地层变形规律。 １６７２—６０７３（２０１５）０２—００９４—０４ 按照北京市轨道交通“先中心、后外围，先骨架、后 １ 盾构施工诱发地层变形规律 １．１纵向地层变形规律 地层纵向变形是反映盾构掘进沿轴线方向对地层 的影响，同时它反映了盾构掘进时不同因素、盾构机不 同部位对地层的作用，包括正面土压力、摩擦力及盾尾 间隙等。根据大量的实测结果与数值模拟分析表明， 支线”的建设时序，在高强度开发、高密度建筑和大客 流量集散点密集的城区快速建设地下隧道逐渐成为轨 道交通工程的重中之重。然而，地铁工程规模大、建设 周期长、中心城区几乎没有较为宽阔的道路可作为工 程施工场地，不仅明挖法施工场地的选择越来越困难， 大规模暗挖施工的地面条件也越来越苛刻。因此，如 何在越来越严酷的城市建筑环境条件下，完成大规模 的地下区间隧道建设将是北京市未来地下空间开发可 收稿日期：２０１４。０７。１０ 修回日期：２０１４—０８‘１３ 纵向变形一般分为先期沉降、开挖面前部下沉、盾构通 过时下沉、盾构尾部脱离时变形（盾尾间隙引起）、后续 沉降５个阶段，如图１所示。其中，由于盾构开挖间隙 和盾尾间隙（通常大直径盾构Ｉ；Ｌ４，直径盾构大）的存 在，盾构通过时和盾尾脱离管片后的变形最为显著。 为了使盾构能够顺利推进，刀盘的开挖直径通常要大 于盾体的直径，因此会在盾体周围形成一个开挖间隙， 作者简介：江华，男，博士后，从事地下工程设计研究工作 ａｌａｎｄａｖｉｄ ｒａｉｎ＠１６３．ｃｏｍ 基金项目：国家自然科学基金重点项目（Ｕ１２６１２１２） ９４ ＵＲＢＡＮ ＲＡＰＩＤ ＲＡＩＬ ＴＲＡＮＳＩＴ 大直径土压平筏盾构施Ｉ诱发地层变形规律研究 如图２、３所示，盾构推进时，盾构工作面的推力以及盾 构和土层间的摩擦剪切力导致土体向开挖间隙移动， 引起地层移动而导致盾构通过时的地层变形如图４所 示，盾尾脱离管片后的变形是由于盾尾间隙的存在，使 得盾尾脱离管片后，土体应力释放或注浆加压而引起 土体的弹塑性变形¨ 。 隆 起 ０ 下 沉 面 图１ 盾构施工引起的纵向地层变形 刀 盘 图２盾构设备纵剖面 盾壳 开 图３盾构开挖间隙示意 图４盾尾间隙构造示意 １．２横向地层变形规律 盾构掘进施工引起地表横向沉降的计算方法有很 多，最经典的公式莫过于美国科学家Ｐｅｃｋ的地表沉降 横向分布计算。Ｐｅｃｋ对大量隧道施工引起的地面沉降 实测数据进行了分析，并认为隧道开挖后引起的地面 沉降是在不排水条件下发生的，沉降槽体积等于地层 损失的体积，地面沉降横向分布可用正态分布曲线来 描述，如图５所示［ ｏ‘ 。 ２现场试验 以高家园站一京顺站区间工程为背景进行现场变 形监测试验，隧道采用一台大直径土压平衡盾构进行开 图５ Ｐｅｃｋ公式描述的地表沉降曲线 挖（刀盘直径＋ａｏ．２６ ｍ，盾体直径６１０．２２ ｍ），单洞双 线，区间管片外径为１０ ｍ，内径为９ Ｉｎ，环宽为１．８ ｍ。所 选监测断面地层主要为粉质黏土、粉土，中间夹杂粉细 砂、细中砂，隧道埋深约为１６ ｍ，地下水位位于隧道顶板 以上。为确保各个监测断面监测数据呈现规律性，各 个监测断面设置统一的盾构掘进参数：上土压力０．１～ ０．１５ ＭＰａ，刀盘扭矩１５ ０００～２０ ０００ ｋＮ・Ｉｎ，盾构推力 ３５ ０（３０～４０ ０００ ｋＮ，刀盘转速０．６８ ｒ／ｍｉｎ，推进速度３０～ ０４ ｍｍ／ｍｉｎ，同步注浆采用双液浆，注浆量为８～ｌ０ ｍ３。 ２．１ 测点布置 测点布置以满足安全管理和监控为前提，以控制 安全为目的，监测项目包括建筑群、桥桩、管道、道路以 及深层土体的沉降，测试试验共布置２１２个测点，选取 其中１６２个具有代表性的测点进行研究，并对这些测 点进行统一编号，按照与隧道中心线的距离分为隧道 轮廓线、距离中线１０、２５、３５ ｍ进行分列。 ２．２监测频率 现场根据掘进面至监测断面的距离设定监测频 率。当掘进面至监测断面前后的距离 ≤３０ ｍ时，监 测频率为１次／ｄ；当掘进面至监测断面前后的距离为 ３０ ｍ＜Ｌ≤６０ ＩＴＩ时，监测频率为１次／２ ｄ；当掘进面至 监测断面前后的距离为Ｌ＞６０ ｍ时，监测频率为１次／ 周；经数据分析确认达到基本稳定后，监测频率为１次／ 月，盾构在穿越机场高速桥桩和建筑群的过程中需加 密监测频率为２次／ｄ。同时，当监测值和变形速率超 过有关标准或场地各方面条件变化较大时，应加密观 测，当有危险事故征兆时，则需进行加密监测。 ３试样结果分析 ３．１ 测点总体变形规律 对所选的１６２个测点在监测期间所呈现的最大沉 ＵＲＢＡＮ ＲＡＰＩＤ ＲＡＩＬ ＴＲＡＮＳＩＴ ９５ 大直径土压平衡盾构麓工诱发地层变形规律研究 ２）大直径盾构施工诱发的横向变形规律总体符合 Ｐｅｃｋ沉降曲线，但由于盾构姿态、刀盘转向、地层均匀 性及同步注浆浆液扩散性差异等原因，沉降槽并非完 全呈对称分布，影响范围约为隧道两侧２０ ｍ；大直径盾 结构的影响 ］．中国铁道科学，２００９，３０（４）：５１。５７． ［３］杨广武，关龙，刘军，等．盾构法隧道下穿既有结构三维数 值模拟分析ｌ Ｊ］．中国铁道科学，２００９，３０（６）：５４—６０． ［４］王法，周宏磊，雷崇红，等．盾构施工参数对地表沉降的因素 敏惑眭分析［Ｊ］．都市ｌ｝夹轨交通，２０１３，２６（６）：６３—６７． ［５］姜忻良，李林，袁杰，等．深层地铁盾构施工地层水平位移 动态分析［Ｊ］．岩土力学，２０１ｌ，３２（４）：１１８６—１ １９２． ［６］刘纪峰，崔秀琴，刘渡．考虑水一土耦合的盾构隧道地表沉 降试验研究【Ｊ］．中国铁道科学，２００９，３０（６）：３８—４５． ［７］朱忠隆，张庆贺，易宏传．软土隧道纵向地表沉降的随机 预测方法［Ｊ］．岩土力学，２００１，２２（１）：５６—５９． ［８］张庆贺，朱忠隆，杨俊龙，等．盾构推进引起土体扰动理论 分析与试验研究［Ｊ］．岩石力学与５－程学报，ｌ９９９，１８ （６）：６９９—７０３． 构隧道中心线处沉降较大，逐渐往两边递减，但中心线 处隆起并非最大，距中心线１０ ｍ处隆起较为明显；测点 变形曲线反弯点均出现在隧道中心线两侧ｌ０～１５ ｍ处。 ３）大直径盾构施工对地层的纵向影响范围约为 盾构前后６０ ｍ；由于大直径盾构构造间隙和盾尾间隙 较大，盾构通过和盾尾脱离管片时测点变形值较大，两 者之和大于总沉降的６０％；同步注浆对盾尾间隙的填 充及地层变形控制作用显著，但注浆后其效果并不能 即刻发挥作用，一般在１～２ ｄ后效果才会显现。因此， 当大直径盾构穿越重大风险工程时，应加强同步注浆 浆液质量的控制，确保浆液初凝和终凝时间能够满足 ［９］贾勇．盾构施工地层变形实测与三维数值模拟及参数分 析［Ｄ］．天津：天津大学，２００９． 【１０］柳厚祥．地铁隧道盾构施工诱发地层移动机理分析与 控制研究［Ｉ）］．西安：西安理工大学，２００８． 沉降控制要求。 ４）相比目前地铁常用６ ｍ直径盾构，横、纵影响范 围大约为１．５Ｄ（Ｄ为开挖盾构外径）和３ （ 为盾体长 度），直径１０ ｍ大盾构隧道开挖对周围地层的影响范 围更大，隧道横向的影响范围约为２Ｄ，隧道纵向的影 响范围约为５Ｌ。 参考文献 ［１］王建秀，邹宝平，陈学军，等．填海区地铁盾构隧道下穿 公路施工地层沉降规律的数值模拟［Ｊ］．中国铁道科学， 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ｔｈｅ ｌｄ ｍｏｎｉｔｏｒｎｉｇ ｔｅｓｔｓ ｂｙ Ｓａｆｅｔｙ Ｒｉｓｋ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｂｅｉｊｎｉｇ Ｓｕｂｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｋｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａＲｈｏｕｇｈ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｓｔｒａｔａ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｓｔｒａｔａ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ １ａｒｇｅ ｅａｒｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｌａｎｃｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｗｅｒｅ缸ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｐｅｃｋ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ．Ａｆｔｅｒ ｓｈｉｅｌｄ ｔｔｍｎｅｌｌｉｎｇ，ｌａｔｅｒａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ｗａｓ ａｂｏｕｔ ２０ ｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ａｍｎｅｌ，ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ Ｗａｓ ａｂｏｕｔ ６０ ｍｅｔｅｒｓ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ａｎｄ ａｔ ｂａｃｋ ｏｆｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｗａｓ ０～一２５ Ｉｎｌｒ１．Ｓｔｒａｔａ ｄｅｆｏｒｍ— ａｔｉｏｎ Ｗａｓ ｖｅｒｙ ｏｂｖｉｏｕｓ ｗｈｅｎ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｇｏｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｉｓ ｏｆｆ ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｒｉｎｇｓ，ｗｈｏｓｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｗａｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ６０％ｏｆｔｏｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｒｏｕｔｎｇ ｗａｓｉ ｖｅｒｙ ｈｅｌｐｆｕｌ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔａ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ— ｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ．Ｉｔ ｗａｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｓｈｉｔｔｙ ｓｏｌｉｄｉｆｙｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｉｓｋ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｅｉｊｎｉｇ ｍｅｔｒｏ；ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ；ｅａｒｔｈ ｐｒｅｓｓｒｅ ｕｂａｌａｎｃｅ ｓｈｉｅｌｄ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｌａｔｅｒａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＵＲＢＡＮ ＲＡＰＩＤ ＲＡＩＬ ＴＲＡＮＳＩＴ雩ｒ７
