一种区分欠固结软土地区盾构施工地表沉降组成的方法

本发明属于土木工程盾构施工沉降分析领域，特别涉及一种区分欠固结软土地区盾构施工地表沉降组成的方法。

背景技术：

1、随着城市化建设的不断发展，地下空间建设越来越受到重视，作为地下空间建设中的一大重点，地铁建设面临着城市土地资源日益紧张的问题，导致在线路规划时难免会遇到诸如软土等地质条件较差的情况。盾构法隧道施工技术以其机械化程度高、施工快捷安全、对周边环境干扰小等众多优点而被广泛应用于软土地区的地铁隧道建设[1]。

2、虽然，盾构施工相比其他隧道施工工法对周围地层的扰动要小，但仍不可避免地会在软土地区中引起地表沉降。同时，由于城市发展进程中工程建设、交通运输、地下水开采或场地填土年代较近等原因，软土地区本身可能存在持续的大面积沉降，也即表现为欠固结软土地层的特性。而国内外许多学者对盾构施工进行的相关研究大多主要集中于单纯由盾构隧道施工引起的地表沉降，很少有结合软土地区自身欠固结的特点进行分析[1～4]。相关研究表明，在欠固结软土地区盾构施工会引发长期固结沉降，且本身也存在地层自身的大面积沉降[5-7]。

3、在现有研究中，盾构施工中地表沉降基本都认为是由盾构施工引起的，分为两大部分：地层损失引起的瞬时沉降和施工扰动引起超孔隙水压力增长与消散而导致的固结沉降。

4、但在这两大组成部分中，没有分析建设场地自身可能存在还未完成的固结沉降，也即当在欠固结软土地区采用盾构施工时，实际测试得到的地表沉降应还有第三部分——欠固结软土自身的大面积固结沉降。因此，在欠固结软土地区采用盾构法施工时，总地表沉降可按产生的原因分成两大部分：第一部分为盾构施工引起的沉降，包括瞬时沉降和固结沉降；第二部分为地层欠固结引起的沉降。即：

5、s总＝s施工+s地层＝s瞬时+s固结+s地层

6、式中：s总为现场测试中总的土体沉降量；s施工为盾构施工引起的土体沉降量，分为地层损失引起的瞬时沉降s瞬时和扰动引起的固结沉降s固结；s地层为软土地区欠固结引起的地层自身大面积土体沉降量，对于整个场地其沉降速率应基本一致或接近。

7、而在现有盾构施工引起地表沉降的相关研究中，peck公式[3]是公认的较为有效的方法之一。peck通过收集众多的隧道沉降数据进行统计分析得出隧道施工中由地层损失引起横断面(垂直于盾构轴线的平面)地表不排水沉降符合高斯分布，预测的公式如下：

8、

9、式中i为隧道轴线到反弯点的距离，y为地表沉降计算点到轴线的水平距离，smax为轴线对应地表处最大位移。

10、璩继立等人[8-9]在peck公式的基础上，采用等效沉降槽的方式，综合考虑了固结沉降；张忠苗等人[10-11]通过实测分析，认为泥水盾构施工中存在固结沉降，但横断面也成槽形分布或近似槽形分布(最大值可能稍偏离轴线)，仍能用peck公式进行较好的拟合，并取沉降速度随盾尾离开时间的变化曲线的转折点作为地层损失沉降和固结沉降的分界时间点，建议为盾尾离开4～8d。梁荣柱等[12]在张忠苗的基础上进一步提出“vi速度法”和“拟合直线法”分析，利用沉降速率划分盾构施工引起的瞬时沉降和固结沉降，并得出该时间分界为盾尾离开8.5～12d。但是现有技术无法区分施工引起的地表沉降和欠固结软土地层自身沉降。

11、[1]mair r j.tunnelling and geotechnics:new horizons[j].géotechnique,2008,58(9):695-736.

12、[2]vu m n,broere w,bosch j.volume loss in shallow tunnelling[j].tunnelling&underground space technology incorporating trenchless technologyresearch,2016,59:77-90.

13、[3]peck r b.deep excavation and tunneling in soft ground[c]//state ofthe art report.proceedings of 7th international conference on soil mechanicsand foundation engineering mexico city：[s.n.]，1969

14、[4]lee k m,ji h w,shen c k,et al.ground response to the constructionof shanghai metro tunnel-line 2.[j].soils&foundations,1999,39(3):113-134.

15、[5]刘松樵.软土扰动地层再固结及其对地铁隧道的影响[d].同济大学,2007.

16、[6]肖勤,刘松樵.盾构施工扰动地层的再固结沉降分析[j].地下工程与隧道,2007,(03):40-43+61.

17、[7]许烨霜,马磊,沈水龙.上海市城市化进程引起的地表沉降因素分析[j].岩土力学,2011,(s1):578-582.

18、[8]璩继立，许英姿,盾构施工引起的地表横向沉降槽分析[j].岩土力学,2006(02):第313-316+322页

19、[9]璩继立.盾构施工引起的地面长期沉降研究[d].同济大学,2002.

20、[10]林存刚,吴世明,张忠苗等.泥水盾构隧道施工引起的地面沉降分析及预测[j].土木建筑与环境工程,2012,(05):25-32.

21、[11]张忠苗,林存刚,吴世明等.泥水盾构施工引起的地面固结沉降实例研究[j].浙江大学学报(工学版),2012,(03):431-440.

22、[12]梁荣柱等,软土地区盾构施工沉降界限[j].浙江大学学报(工学版),2014(07):第1148-1154+1201页.

技术实现思路

1、本发明的目的在于为了解决在工程实践中，不能利用盾构施工期间的监测数据来区分施工引起的地表沉降和欠固结软土地层自身沉降的技术缺陷，提出了一种具有实用价值，且具有合理性的区分欠固结软土地区盾构施工中地表沉降组成的方法，本适用于欠固结软土地区，仅利用三种曲线，便可以区分盾构施工过程中地表总沉降的组成。

2、为了实现本发明目的，本发明提供了一种区分欠固结软土地区盾构施工中地表沉降组成的方法，根据测点沉降随时间变化曲线、沉降槽、沉降速率槽三种在施工阶段实测取得的曲线来区分地表沉降组成，所述方法包括以下步骤：

3、确定盾构开挖工程所在的场地土层分布；

4、布置监测断面，以取得在掘进过程中该断面的沉降随时间变化曲线和地表沉降曲线，根据现有理论，地表沉降曲线形状应符合高斯分布，也被称为槽形分布，因此在本发明中将沉降曲线称为沉降槽；

5、基于前述步骤，在刀盘到达监测断面后，开始对断面进行较长时间的监测，根据各测点的实测数据，绘制各测点沉降量随时间的变化曲线；

6、根据实测数据，绘制各时间节点的沉降槽，并将其放在同一坐标系当中；

7、定义沉降速率，采用相邻两次测试的沉降量增量与时间间隔相除得到。根据实测数据，采用绘制沉降槽的方式，绘制“沉降速率槽”；

8、根据上述步骤所得一系列图形，通过分析图形特点，区分盾构施工引起沉降和欠固结软土地层自身沉降。

9、本发明方法能够利用盾构监测断面所测得的各测点的沉降曲线，区分盾构施工引起沉降和欠固结软土自身的沉降。

10、作为本发明再进一步的方案：

11、因本方法适用于区分盾构施工引起的地表沉降和欠固结软土地层自身沉降，因此在使用此方法前，应查明盾构掘进过程中欠固结软土地层的分布情况。(绘制地层分布剖面图，见图1)

12、作为本发明再进一步的方案：在布置监测断面时，监测断面的数目可以根据工程场地实际情况而定，其目的是完整地获得欠固结软土地层的沉降情况。在布置测点时，以盾构隧道中心轴线为起点，向两边分别布置(如图2)。单个断面的测点数目根据精度要求而定，可以根据测点数据画出沉降槽即可。

13、作为本发明再进一步的方案：因为地表沉降是一个时间跨度较长的过程，因此对监测断面的监测需要长时间进行，一般在盾构机开挖面即将到达时开始监测，直到地表沉降基本完成，即沉降速率接近“0”时，停止监测。

14、在盾构施工过程中，总的沉降应该包含：①施工引起地表沉降和②欠固结软土地层自身沉降两大部分，计算式如下：

15、s总＝s施工+s地层＝s瞬时+s固结+s地层

16、式中：s总为现场测试中总的土体沉降量；s施工为盾构施工引起的土体沉降量，分为地层损失引起的瞬时沉降s瞬时和扰动引起的固结沉降s固结；s地层为软土地区欠固结引起的地层自身大面积土体沉降量，对于整个场地其沉降速率应基本一致或接近。

17、本发明认为欠固结软土地层自身的沉降是一种整体沉降，因此在施工引起沉降完成后，只发生地层自身沉降阶段中，三种曲线应具有以下特点：沉降随时间变化曲线为一条斜率近似不变的直线；沉降槽的位置随时间在坐标系中整体下移，而形状不变；沉降速率槽为一条直线，且沉降速率的值逐渐趋近于“0”。

18、地层自身沉降的图形具有上述特点，因此可以根据这些图形特点出现的时间节点，来判断施工引起沉降完成，只发生地层自身沉降的阶段是否出现。

19、作为本发明再进一步的方案：根据长期监测所得的结果，绘制分析所用的三种曲线图，即沉降量随时间变化曲线、沉降槽、沉降速率槽。

20、其中，绘制沉降量随时间变化的曲线时，横坐标为时间，纵坐标为测点沉降量，每个测点绘制一条曲线，放在同一直角坐标系中；根据欠固结软土地区的工程地质特性，在盾构施工引起沉降完成后，欠固结软土地层自身的沉降继续进行，第一种沉降量的增长速率会逐渐减小，而第二种沉降是一种近似匀速的沉降，根据上述特性，在稳定沉降阶段，沉降量随时间变化曲线的形态应是：前一段为斜率绝对值逐渐减小的曲线，在某一时间节点后，变成一条斜率接近不变的近似直线。

21、当某测点的沉降随时间变化曲线在某时间节点变成一条斜率接近不变的直线时，就认为施工引起的沉降基本完成，后续沉降主要由欠固结地层自身整体沉降引起，而在变为近似直线之前，沉降主要由盾构施工引起，而由地层自身沉降所占比例较小，可以忽略不计。

22、绘制各时间节点的沉降槽时，沉降槽的横坐标为“测点离隧道轴线距离”，纵坐标为沉降量，其形状符合槽形分布，各个测点的数据在一条折线上，不同时间所测的沉降槽为不同的折线，绘制在同一坐标系中，根据地表沉降的特点，在稳定沉降阶段，沉降量随时间增大，因此，沉降槽在坐标系中的位置随时间往下移动，且因为施工引起沉降的沉降速率呈现离隧道轴线越近，速率越大的特点，因此在监测前中期，槽形曲线成槽形逐渐加深，且各沉降槽的中间测点两次沉降读数的增量较大，大于左右两边测点的增量，意味着在此阶段，中间测点的沉降速率大于两边测点；在监测后期，施工引起地表沉降完成，欠固结地层自身沉降继续发生，这种沉降是一种整体沉降，因此后期沉降槽在坐标系中的位置应随时间向下整体平移，而形状不会发生改变，各测点沉降速率几乎相同。

23、沉降速率曲线的绘制中，横坐标为测点“离隧道轴线的距离”，纵坐标为“沉降速率”，因施工引起地表沉降的沉降速率有离隧道轴线越近，其值越大的特点，因此，在监测前期，所绘制的沉降速率曲线也呈槽形分布，随着时间推移，沉降速率逐渐减小，沉降速率曲线位置上移，且槽形逐渐变浅，直到施工因此沉降完成，沉降曲线变为一条水平或有微小斜率的直线，该直线的位置会随时间缓慢上移，直到沉降速率为“0”。

24、施工引起沉降的速率在监测前期呈现中间测点大，并随测点远离隧道轴线而减小的规律，因此在此阶段沉降速率曲线(也称“沉降速率槽”)也呈现槽形分布，但因沉降速率会逐渐减小，因此槽形会逐渐变浅，且中间测点和两侧测点的速率差值也会逐渐减小，最后变成直线，在变成直线时，意味着地层在整体沉降，此阶段就认为只有欠固结地层自身沉降发生。

25、与现有分析方法相比，本发明至少能够实现的有益效果是：

26、本发明所述的一种区分欠固结软土地区盾构施工地表沉降组成的方法，可以在没有预先确定了工程场地的大地沉降规律和量值的基础上，通过合理地指定监测方案，仅由沉降监测结果出发，区分出盾构施工引起的沉降和欠固结软土地层自身沉降，并分别得到两种沉降的沉降量与沉降速率等参数。

27、本发明可以通过不同因素产生的沉降速率的差异进行辨别，判断盾构施工引起的地表沉降是否完成，进一步区分地层自身欠固结沉降和盾构施工引起的沉降。