土壓平衡盾構隧道施工引起的地層損失及影響因素

劉金慧+丁萬濤+戴尊勇+王煥+賈開民

摘 要：收集中國已有地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及土體損失率統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，結合長株潭城際高鐵Ⅱ標樹木嶺盾構隧道進口樹木林車站區(qū)間16個監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)及其詳細地層信息，分析土壓平衡盾構隧道施工引起的地層損失規(guī)律影響因素。分析表明，土壓平衡盾構隧道施工引起的土體損失率的累積概率較好的服從對數(shù)正態(tài)分布；土體損失率隨著埋深或深徑比的增大，呈現(xiàn)逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢，且兩者關系可近似采用冪函數(shù)擬合；當H大于20 m或H/D大于3.25時，土體損失率基本穩(wěn)定在075%附近，且對應地層信息表明盾構隧道施工時其上覆巖層呈現(xiàn)拱效應，說明盾構隧道施工中其頂部土層成拱效應可較好的控制土體損失；土體損失率或名義土體損失率隨著盾構開挖通過時間的增加而逐漸增大，且趨于穩(wěn)定，說明固結變形對名義土體損失率的影響較大，最大可達瞬時沉降所引起土體損失率的4.58倍。

關鍵詞：盾構隧道；土體損失率；固結變形；瞬時沉降

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2017）05-0001-08

Abstract：The observed data of surface settlement and the statistical analysis data of ground loss ratio caused by EPB shield tunnel construction are collected. Combining with the monitoring data and stratigraphic information of the sixteen sections in the interval from tunnel import to Shumuling station of the Chang-Zhu-Tan intercity high-speed rail II standard， the ground loss and its factors induced by EPB shield tunnel construction are analyzed. The results show that the cumulative probability of ground loss ratio caused by EPB shield tunnel construction better obeys lognormal distribution； with the buried depth and the depth to diameter ratio increasing， the ground loss ratio decreases and tends to be stable， and the relationship between the ground loss ratio and the tunnel buried depth & the depth to diameter ratio can be approximately expressed by power functions； when H greater than 20m or H/D greater than 3.25， the ground loss ratio is basically stable near 0.75%， and the corresponding stratigraphic information indicates that the overlying strata in the shield tunnel is in the arch effect when constructing. So， it shows that the arch effect of the upper soil layer in the shield tunnel construction can be better control the ground loss ratio. With the increase of the time of shield tunneling through face， loss rate and nominal loss rate of the soil mass gradually increase and tend to be stable. It indicates that the consolidation deformation has great influence on the nominal ground loss ratio， and the maximum value is 4.58 times of the ground loss ratio caused by instantaneous settlement.

Keywords：shield tunnel； ground loss ratio； consolidation deformation； instantaneous settlement

盾構法隧道施工會打破地層原有的應力平衡，引起周圍土體變形，對周邊環(huán)境產(chǎn)生危害，盾構施工引起的地層變形成為學者們一直關注的熱點問題[1-3]。

在施工過程中，經(jīng)常采用監(jiān)控量測實時掌握開挖所引起的地表動態(tài)變形，并通過繪制變形時間（距離）關系曲線評估和預判開挖面的穩(wěn)定狀態(tài)。變形時間（距離）關系曲線主要包括沿橫斷面和縱斷面兩種曲線，其中沿橫斷面的地表沉降曲線一般習慣稱之為“沉降槽”。沉降槽作為預測隧道開挖引起的地表位移的關鍵曲線，引起了許多學者的關注，提出了一系列的土體變形公式，主要包括經(jīng)驗公式[4-10]、隨機介質理論[11]、有限單元法[12-14]、模型試驗法[15]、解析法[16]等，這些公式計算時涉及到土體損失及地面沉降槽寬度等關鍵參數(shù)。endprint

在目前眾多預測地表沉降變形的經(jīng)驗方法中，Peck[4]基于有限地區(qū)的實測資料提出一種簡便經(jīng)驗公式，雖然當時只是一個權宜之計，但直到今天仍然在世界范圍內廣泛應用，成為預估沉降槽曲線的經(jīng)典公式；Vu等[5]通過研究淺埋盾構隧道開挖引起的土體體積損失與覆蓋層厚度與隧道直徑比之間關系，并參考已有文獻研究經(jīng)驗，提出盾殼和盾尾通過掌子面時土體損失，考慮土體固結估算盾構施工后長期土體損失；Vu等[6]分析了淺埋盾構隧道開挖時覆蓋層厚度對地層移動的影響；Qian等[7]等結合新建雙線隧洞對已有盾構雙線隧洞及地表的變形影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了同一監(jiān)測斷面上地表及已有隧洞處的地層損失；Ma[8]等通過擴展Peck公式提出一種新的預測雙線隧洞的土體損失率非線性曲線擬合方法。近年來，隨著中國地鐵建設熱潮的興起，各地逐漸積累了一些實測資料，其中，公開發(fā)表的主要有北京、上海、廣州、南京、武漢、長沙、天津、深圳、柳州、西北、香港、臺灣等地區(qū)的實測地表橫向沉降數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，韓煊等[17]分析了Peck公式在中國隧道施工地面變形預測中的適用性，并采用Peck公式對不同地區(qū)進行評價，對相關計算參數(shù)提出初步建議值；白海衛(wèi)等[18]通過收集盾構施工地層變形實測數(shù)據(jù)，研究了Peck公式在雙線盾構隧道施工地層變形中的適應性分析；魏綱[19]提出了施工階段地面沉降值的取值辦法，對盾構法隧道施工引起的土體損失率實測值進行了統(tǒng)計分析。晁峰等[20]、蔣彪等[21]結合長沙地鐵二號線地層特征、盾構（直徑6.25 m）施工狀況及地表沉降實測數(shù)據(jù)，對長沙地鐵典型地層盾構施工地表沉降進行分析與預測，總結了很多有益的經(jīng)驗。研究表明，沉降槽的關鍵參數(shù)主要與工程地質、水文地質、隧道施工方法、施工技術水平及工程管理經(jīng)驗等因素相關。因此，這些參數(shù)的取值依賴于地區(qū)經(jīng)驗。

盡管土體損失率取值依賴于地區(qū)經(jīng)驗，但大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，土體損失率與其影響因素之間呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，且隨著數(shù)據(jù)樣本的增多，所呈現(xiàn)的規(guī)律性越強。結合長株潭城際高鐵Ⅱ標樹木嶺隧道盾構（直徑9.33 m）施工進樹區(qū)間的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及收集中國已有監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同地區(qū)土壓平衡盾構施工工法所引起的土體損失規(guī)律進行分析，同時綜合考慮長株潭城鐵樹木嶺盾構隧道監(jiān)測中各種影響因素及時間效應，分析土體的固結對土體損失相關參數(shù)的變化影響及其與施工的相關性，為相類似地層大直徑盾構施工中地表沉降變形預估提供可借鑒的經(jīng)驗資料。

1 沉降槽關鍵參數(shù)計算

沉降槽關鍵參數(shù)主要考慮土層損失率η 和地面沉降槽寬度參數(shù)K，這兩個參數(shù)反映了地表的位移情況，前者決定了沉降的大小，后者則決定了沉降槽曲線的性狀（例如寬而淺或窄而深）。

1.1 土體損失率η

1.1.3 經(jīng)驗方法 因該參數(shù)取值依賴于地區(qū)經(jīng)驗。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗選擇一個合適的土體損失率來估算土體損失的大小，從而來評估施工中地表變形。主要有Attewell[22]、OReilly等[26]、Mair[27]等根據(jù)實際設備、控制程度、當?shù)亟?jīng)驗等因素，對不同類型土給出土體損失率的經(jīng)驗取值范圍。其中，OReilly所給出的經(jīng)驗取值范圍統(tǒng)計的開挖隧道直徑較小，對于目前直徑越來越大的盾構隧道適用性弱。

1.1.4 現(xiàn)場實測方法 王振信[28]提出土壓平衡盾構可計螺旋輸送機的轉數(shù)或計其渣土車車數(shù)；國外資料提出在皮帶運輸機上安裝電子稱來計重，或在皮帶運輸機上安裝激光掃描機來計量。

以上方法各有優(yōu)缺點，其中，理論分析方法主要考慮黏性土地層，而本文盾構主要處于粉砂巖及圓礫土地層中；現(xiàn)場實測方法數(shù)據(jù)不足；經(jīng)驗方法主要適用于小直徑隧道，對本文大直徑隧道不適用。因此，主要選用反分析方法對土體損失率進行計算。反分析方法具有精度高的優(yōu)點，同樣存在無法事先預測和難以界定“不排水”與“排水”階段的缺點。借鑒Lee等[25]提出的方法，結合盾構施工過程中縱向地面沉降曲線，獲取“不排水”階段地表的實際沉降量，消除“排水”階段固結引起的土體壓縮量對土體損失量的影響，從而獲得較準確的土體損失率。同時，考慮盾構通過監(jiān)測橫斷面的時間，分析名義土體損失率的時空效應及固結對土體損失量的影響。

1.2 地面沉降槽寬度參數(shù)K

2 樹木嶺盾構隧道實測數(shù)據(jù)分析

長株潭城際高鐵Ⅱ標樹木嶺隧道進口工作井樹木嶺站（盾構進樹區(qū)間）里程DK1+800～DK4+360，全長2 560 m。隧道于里程DK2+230～ DK2+600斜穿京廣鐵路線，下穿段隧道埋深約20 m。盾構區(qū)間為左右雙線，采用兩臺Ф9.33 m的土壓平衡盾構施工。盾構機從進口盾構工作井始發(fā)，穿越既有鐵路線、長重社區(qū)及勞動路立交橋等重要風險區(qū)。施工順序為先右線（始發(fā)靠近京廣鐵路），后左線，盾構始發(fā)段縱向坡度為-2.5%。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，選取16個監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測斷面地面沉降參數(shù)見表1。

2.1 地面沉降槽寬度參數(shù)K

綜合分析所有監(jiān)測斷面縱向沉降曲線變化趨勢，分別選取盾構機通過開挖面5、15 d時對應地表沉降數(shù)據(jù)（圖1），采用高斯曲線擬合方法，獲得地面沉降槽寬度系數(shù)i（圖2），從而得到不同斷面不同開挖通過時間對應的地面沉降槽寬度參數(shù)K（圖3）。

從圖1可知，隨著開挖通過時間的增加，不同斷面隧道軸線上方地表沉降增大，且變化趨勢相同，說明隨著開挖通過時間的增加，隧道上方土體產(chǎn)生固結變形；其中斷面5的地表沉降值最大，這與其所處地層相對應；斷面3開挖通過5 d和15 d時地表沉降數(shù)據(jù)幾乎相同，這可能是由于在盾構開挖通過15 d內開展了二次補注漿，從而造成土體固結引起的變形未顯現(xiàn)，且瞬時沉降變形部分恢復。從圖2、圖3可知，隨著開挖通過時間的增加，由于土層固結的影響，地面沉降槽寬度系數(shù)和參數(shù)基本呈現(xiàn)增大的趨勢，增大的幅度由于不同斷面隧道上方土層的性質不同而不同，其中，斷面3呈現(xiàn)相反的趨勢，這可能與該斷面進行二次補注漿有關。endprint

圖3表明，分析斷面的沉降槽寬度參數(shù)0.10～0.80之間，參照倫敦經(jīng)驗分析斷面中涵蓋了無黏0.2～0.3、硬黏土0.4～0.5和軟的粉質黏土0.7；結合表1分析，沉降槽寬度參數(shù)因盾構頂部所處巖層不同而變化，基本符合：處于強風化泥質粉砂巖層中為0.1～0.55，此時地下水位影響可忽略；處于地下水位下硬塑粉質粘土層中為0.41～0.8；處于地下水位上硬塑粉質粘土層為0.34～0.47；處于地下水位下粉質黏土為0.45～0.55。對比倫敦經(jīng)驗，該地層沉降槽寬度參數(shù)分布規(guī)律基本吻合；由于地下水位及其上覆巖層影響而又有所差異。

2.2 不同斷面地層損失率η

根據(jù)高斯曲線擬合得到的地面沉降槽寬度系數(shù)，利用式（3）計算得到不同斷面不同開挖通過時間（5、15 d）時的地層損失率（圖4），其中，對應開挖通過15 d時計算得到的地層損失率稱為名義地層損失率。

從圖4可知，除斷面3（埋深9.5 m）外，其余斷面的（名義）地層損失率隨著盾構開挖通過時間的增大而增加，增加的部分是由于土體固結變形而產(chǎn)生的，固結變形引起的部分是瞬時沉降（開挖通過5 d）引起的地層損失率的0.84～4.58倍，這說明在對隧道開挖過程中地表變形評估中，僅僅利用瞬時沉降而得到的地層損失率會帶來較大的誤差，還必須考慮土體的固結產(chǎn)生的變形。斷面3可能是由于盾構開挖后15 d內開展了二次補注漿施工，從而土體固結造成的變形部分由于注漿的作用而沒有顯現(xiàn)，且由于補注漿而引起瞬時沉降變形部分恢復。圖4中對應斷面5（埋深12.44 m）時地層損失率和名義地層損失率最大分別為2.19%（開挖通過5 d對應瞬時沉降變形）和4.73%（開挖通過15 d時考慮土體固結變形），這主要是因為該斷面盾構機頂部正好穿越松散、富含承壓水的圓礫土地層，開挖后土體的瞬時沉降和固結沉降變形迅速。從埋深與地層損失率關系發(fā)現(xiàn)，基本呈現(xiàn)先增大而后逐漸降低的趨勢，這主要是與盾構機穿越各斷面時所處的地層有關，當盾構機通過斷面5后繼續(xù)向前掘進時，由于埋深的增加，盾構開挖面頂部進入粉砂巖地層，由于粉砂巖的成拱效應作用減少上覆土體的變形，從而地層損失率逐漸降低。

3 中國不同地區(qū)實測數(shù)據(jù)分析

3.1 土體損失率概率分布規(guī)律

搜集中國不同地區(qū)已有土壓平衡盾構施工的土體損失率統(tǒng)計數(shù)據(jù)77組[3，17，19-21，30-31]，統(tǒng)計數(shù)據(jù)16組，共93組數(shù)據(jù)，選用常用的概率分布模型（對數(shù)正態(tài)分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布及韋伯分布）對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，表明所搜集的土壓平衡盾構施工方法引起的土體損失率數(shù)據(jù)較好的服從對數(shù)正態(tài)分布（見圖5）。

3.2 土體損失率的影響因素分析

已有文獻研究認為，土體損失率主要與工程地質、水文地質、隧道施工方法、施工技術水平以及工程管理經(jīng)驗等因素有關。考慮大多文獻，未有詳細記錄施工技術水平、工程管理經(jīng)驗等因素，主要從反映工程地質、水文地質、隧道施工方法等相關因素分析。針對土壓平衡盾構施工方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，考慮隧道埋深及埋深與開挖直徑比等相關因素，并參考相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)的工程地質和水文地質情況，分析土體損失率的影響規(guī)律，見圖6、圖7。

圖6、圖7可知，土體損失率與深度、深徑比可用冪函數(shù)近似擬合，基本呈現(xiàn)土體損失率隨深度、深徑比的增大而減少的趨勢；在H>20 m或H/D>3.25后，土體損失率基本趨于穩(wěn)定在0.75%附近。分析原因可能是：H或H/D越大，盾構穿越地層條件越好，當深度或深徑比足以使盾構頂部土層成拱時，開挖對上覆土體的擾動降低，土體損失率也將趨于穩(wěn)定。當H或H/D較小時，數(shù)據(jù)離散性較大，說明地質條件對土體損失率的影響要比隧道軸線埋深或深徑比的影響要大；當H或H/D大到能夠使盾構開挖頂部土層成拱時，上覆土層條件和隧道軸線埋深或深徑比的影響都減弱，控制土體損失率的關鍵因素將主要是施工技術水平和工程管理經(jīng)驗。

4 長沙地層損失與地層性質相關性分析

為研究地層損失與地層性質的相關性，現(xiàn)將盾構切削土層各參數(shù)的加權平均值與地層損失率η、沉降槽寬度參數(shù)K繪制成圖，考慮到地層損失率η與隧道埋深h具有較強的相關性，在繪圖時以η/h作為縱坐標（如圖8）。

受勘探條件限制，各探孔所采集泥質粉砂巖性狀差異較大，所測得的壓縮模量差異較大，故此處暫不做壓縮模量與地層損失的相關性研究。由圖8可以看出，沉降槽寬度參數(shù)K、地層損失率η與盾構切削土體的內摩擦角f具有較強的線性關系，二者均隨著f的增大而減小，且K值的線性相關性更為明顯。而在圖（b）、（d）中，二者與粘聚力的相關性不是非常明顯，這也有可能是受分析樣本數(shù)量過少的影響，希望今后的工程項目做進一步分析。

5 結論

1）統(tǒng)計分析中國已有土壓平衡盾構施工土體損失率數(shù)據(jù)，其累積概率分布與對數(shù)正態(tài)分布比較吻合。

2）從深度和深徑比兩種影響因素分析了所統(tǒng)計的土體損失率，基本呈現(xiàn)隨著深度或深徑比的增大而逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢。分析表明，當盾構隧道頂部土層在施工中能夠成拱，發(fā)揮拱效應時，土體損失率受到隧道埋深、深徑比及上覆土層地質條件的影響變弱，主要受到施工技術方法及工程管理經(jīng)驗的控制；當盾構隧道施工中頂部無法成拱發(fā)揮拱效應時，土體損失率受上覆土層地質條件、水文條件的影響大，隧道埋深、深徑比的影響相對較弱。

3）分析長沙地層不同開挖通過時間的土體損失率與名義土體損失率，發(fā)現(xiàn)在沒有二次補注漿工藝的影響下，盾構上覆土體固結所造成的地面沉降變形是顯著的，最大可達瞬時沉降所引起土體損失率的4.58倍，因此，在對土體沉降變形評估過程中，僅僅采用瞬時沉降所引起的土體損失率是不夠的，還需考慮土體固結變形的影響。

4）通過收集已有土體損失率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)所進行的分析，可能會由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量的影響而降低準度。因此，還需后續(xù)在更多統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下深入研究，從而揭示土體損失率影響因素的相關性。另外，在后續(xù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計中，望能更多的收集到相關土體地質條件、水文條件、施工工序等資料，將會更好的對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。endprint

5） 分析長沙地層損失與土層性質關系圖得出沉降槽寬度參數(shù)K和地層損失率η與盾構切削地層內摩擦角、粘聚力的關系：K和η均隨內摩擦角的增大而減小，而對于二者與粘聚力的關系本文數(shù)據(jù)尚不能定論。希望今后工程能做進一步探究。

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（編輯 胡玲）endprint