青島地鐵1號線安安區(qū)間盾構(gòu)隧道地表沉降研究

徐祥云 胡云飛 高福軍 李地元 王文健

(1.中鐵八局集團昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南昆明 650200；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

為了緩解日益嚴重的交通堵塞問題，越來越多的城市開始進行地鐵建設(shè)。地鐵具有客運量大、運輸速率快、運行穩(wěn)定、對地面交通影響較小等優(yōu)點，但同時具有造價高昂、易導致地表沉降等缺點。盾構(gòu)施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或剪切破壞引起的重塑土再固結(jié)，是導致地表沉降的重要原因。地表沉降一般為非均勻沉降，容易使地面產(chǎn)生裂縫。如果沉降量過大，地表沉降還會對沉降范圍內(nèi)的建筑物和地下管線造成安全影響。

針對地表沉降問題，眾多學者從基礎(chǔ)理論和工程實踐方面展開了研究。Peck等早在1969年就研究了隧道開挖引起的地表沉降槽，并提出了地層損失的概念和Peck公式[1]。之后，很多學者根據(jù)不同的地質(zhì)情況對Peck公式進行了修正[2-4]。劉建航等以Peck公式為基礎(chǔ)，提出了縱向地表沉降Peck公式[5]。劉寶琛[6]、朱忠隆[7]等運用隨機介質(zhì)理論對隧道縱向地表沉降進行預測。岳廣學等對隧道開挖過程中產(chǎn)生的地層變形做了統(tǒng)計分析[8]。另外，大量學者通過數(shù)值分析對地表沉降進行了研究[9-15]。對雙線隧道分先后掘進的施工條件下地表沉降規(guī)律的研究鮮有報道。以青島地鐵1號線安子站-安子東站區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進過程中的地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析盾構(gòu)隧道左、右線分別開挖條件下，近海富水地層的地表沉降規(guī)律，為今后青島地鐵的盾構(gòu)隧道施工或其它海濱城市地鐵建設(shè)提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況及地層條件

青島市地鐵1號線安子站-安子東站區(qū)間(下稱：安安區(qū)間)位于青島市黃島區(qū)新港山路愛琴海小區(qū)對面。區(qū)間隧道由安子站引出后，沿長江東路下方敷設(shè)，穿過中冶愛彼岸小區(qū)北側(cè)地塊后再轉(zhuǎn)入新港山路，最終到達安子東站。區(qū)間隧道位于長江東路及新港山路下方。安安區(qū)間左線全長940.54 m，右線全長921.70 m，間距13.7～14.0 m，拱頂埋深9.0～13.2 m，為淺埋隧道。采用單洞單線圓形斷面，盾構(gòu)斷面建筑限界為5.2 m，斷面內(nèi)徑為5.4 m，管片厚0.3 m，管片長1.5 m。

安安區(qū)間主要位于構(gòu)造剝蝕區(qū)、濱海堆積區(qū)，地質(zhì)條件較差。第四系地層厚2.20～18.60 m，主要由全新統(tǒng)人工填土層、濱海沼澤化層、(淤泥質(zhì))粉質(zhì)黏土、海相層中粗砂，以及上更新統(tǒng)洪沖積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層組成?；鶐r為燕山晚期侵入巖，主要為石英二長巖、花崗巖。地質(zhì)剖面如圖1。

圖1 安安區(qū)間地質(zhì)剖面

1.2 盾構(gòu)法施工概況

安安區(qū)間隧道掘進使用的是直徑6.28 m的土壓平衡式盾構(gòu)機。盾構(gòu)機從安子東站始發(fā)，接收于安子站。由于地層條件較差，盾構(gòu)始發(fā)需要進行端頭地層加固。為了盡量降低隧道掘進對地層造成的影響，左右線分別進行掘進。左線盾構(gòu)隧道先掘進，達到總里程的1/3時，右線隧道開始掘進。為控制地表沉降，在盾構(gòu)掘進過程中應同步注漿，及時填充盾構(gòu)機盾尾與開挖輪廓之間的間隙。實際注漿量一般為計算量的130%～250%，根據(jù)現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測情況，在適當位置進行二次注漿。盾構(gòu)掘進過程中設(shè)置的基本技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 盾構(gòu)掘進參數(shù)

2 地表沉降監(jiān)測方案

監(jiān)測點按照監(jiān)測斷面進行分組，在安安區(qū)間盾構(gòu)隧道上方全線布置。監(jiān)測斷面分為主要監(jiān)測斷面和次要監(jiān)測斷面。主要監(jiān)測斷面上一般布置9個測點，次要監(jiān)測斷面一般布置2個測點，分別布置于盾構(gòu)隧道左線和右線的中軸線上方。監(jiān)測斷面間距約為25 m，主要監(jiān)測斷面和次要監(jiān)測斷面相間布置，如圖2。主要監(jiān)測面的測點布置如圖3。從DC01到DC38共38個監(jiān)測斷面，其中DC01靠近安子站，DC38靠近安子東站。采用儀器為天寶DiNi03電子水準儀，配套銦鋼尺等。

圖2 監(jiān)測點縱向布置

圖3 監(jiān)測點橫向布置(單位：m)

3 盾構(gòu)隧道掘進地表沉降規(guī)律分析

3.1 地表沉降歷時曲線

以DC32監(jiān)測斷面作為代表，分析其地表沉降歷時曲線，如圖4。DC32監(jiān)測斷面有9個地表沉降監(jiān)測點，選擇其左線和右線隧道中軸線正上方的2個監(jiān)測點(DC32-03和DC32-07)分析其沉降規(guī)律，兩個監(jiān)測點距離約為14 m?？梢园l(fā)現(xiàn)，左右兩個監(jiān)測點的沉降歷時曲線均可分為4個階段。

圖4 DC32監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線

(1)左線監(jiān)測點

①左線盾構(gòu)機到達監(jiān)測斷面之前(大約從監(jiān)測天數(shù)13到監(jiān)測天數(shù)24，持續(xù)11 d)，對地層第一次擾動造成的沉降量為6.3 mm；②左線盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面之后(大約從監(jiān)測天數(shù)24到監(jiān)測天數(shù)40，持續(xù)16 d)，監(jiān)測點快速沉降，沉降量為21.6 mm；③緩速沉降期(大約從監(jiān)測天數(shù)40到監(jiān)測天數(shù)98，持續(xù)58 d)的沉降量為4.8 mm；④右線盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面造成的沉降較為緩慢(從監(jiān)測天數(shù)98到監(jiān)測天數(shù)126，持續(xù)28 d)，沉降量也較小，為4.3 mm。最終穩(wěn)定沉降量為37.0 mm。

(2)右線監(jiān)測點

①左線盾構(gòu)機到達監(jiān)測斷面之前(大約從監(jiān)測天數(shù)13到監(jiān)測天數(shù)24，持續(xù)11 d)，對地層第一次擾動造成的沉降量為4.4 mm；②左線盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面造成的沉降量也較小(從監(jiān)測天數(shù)24到監(jiān)測天數(shù)98，持續(xù)74 d)，為4.3 mm。③右線盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面之后(大約從監(jiān)測天數(shù)98到監(jiān)測天數(shù)106，持續(xù)8 d)，監(jiān)測點快速沉降，沉降量為11.7 mm；④緩速沉降期(大約從監(jiān)測天數(shù)106到監(jiān)測天數(shù)126，持續(xù)20 d)的沉降量為2.5 mm。最終穩(wěn)定沉降量為22.9 mm。

對沉降階段可以進行如下概括：先行隧道盾構(gòu)機到達監(jiān)測面之前，土體受到擾動，兩個監(jiān)測點均會產(chǎn)生較小的沉降。本線隧道盾構(gòu)機到達監(jiān)測斷面后，監(jiān)測點產(chǎn)生較大沉降，并且分為快速沉降階段和緩速沉降階段，前者的沉降量大約是后者的4.5倍。相鄰隧道的盾構(gòu)機到達監(jiān)測斷面后，監(jiān)測點產(chǎn)生較小沉降，并且沉降速度較慢。各階段沉降占比如圖5。雖然先后順序有所不同，但兩個測點各階段沉降所占比例基本相當。初期土體擾動沉降占比為18.1%，本線盾構(gòu)通過快速沉降占比為54.7%，本線盾構(gòu)通過緩速沉降占比為11.9%，鄰線盾構(gòu)通過沉降占比為15.2%。其他監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線也基本具有以上特點。

圖5 各階段沉降占比

進一步分析，根據(jù)Peck沉降槽曲線[1]，每個監(jiān)測點的沉降值與其到隧道軸線的水平距離相關(guān)，距離越遠沉降值越小。

(1)

式中：x—監(jiān)測點與隧道軸線的水平距離；i—沉降槽寬度系數(shù)；Smax—隧道軸線上方沉降值；S(x)—與隧道軸線水平距離為x的監(jiān)測點沉降值。

根據(jù)DC32-01至DC32-09的沉降值數(shù)據(jù)和式(1)可以擬合得到沉降槽寬度系數(shù)i，結(jié)果顯示，本工程中i的取值在8～9 m之間。左線和右線隧道軸線的距離為14 m，帶入式(1)，可以得到S(14)的取值在0.216Smax到0.298Smax之間。也就是說，本線盾構(gòu)施工對鄰線測點沉降值的貢獻為21.6%～29.8%。從圖4可知，左線盾構(gòu)施工對DC32-左線測點的沉降值貢獻為32.7 mm，對右線測點的沉降值貢獻為8.7 mm，為左線的0.266倍；右線盾構(gòu)施工對DC32-右線測點的沉降值貢獻為14.2 mm，對左線測點的沉降值貢獻為4.3 mm，為右線的0.303倍。這與之前計算得到的范圍一致，說明在雙線盾構(gòu)的施工條件下，每條線路的沉降槽依然獨立存在。

3.2 二次注漿對地表沉降的影響

DC33監(jiān)測斷面與DC32監(jiān)測斷面相鄰，且地層條件基本相同。不同點在于，盾構(gòu)隧道左線DC33監(jiān)測斷面附近在第30個監(jiān)測天數(shù)和第60個監(jiān)測天數(shù)進行了2次二次注漿。下面通過分析DC33監(jiān)測斷面的地表沉降歷時曲線，并將其與DC32監(jiān)測斷面進行對比，來說明二次注漿對地表沉降的影響。

DC33監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線如圖6。DC33左線監(jiān)測點在左線盾構(gòu)機到達前的初期土體擾動沉降量為6.3 mm，與DC32左線監(jiān)測點的情況一致。左線盾構(gòu)機通過監(jiān)測面后，DC33左線監(jiān)測點進入快速沉降階段?？焖俪两惦A段持續(xù)6 d后，在左線隧道DC33監(jiān)測面附近進行二次注漿。6 d內(nèi)，DC33左線監(jiān)測點地表豎向位移從-17.4 mm回升到-12.2 mm(回升量為5.2 mm)。之后DC33左線監(jiān)測點繼續(xù)沉降，到第60個監(jiān)測天數(shù)，左線隧道DC33監(jiān)測面附近又進行二次注漿，地表豎向位移從-20.9 mm回升到-15.4 mm(回升量為5.5 mm)。之后右線盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面，經(jīng)過大約40 d，DC33左線監(jiān)測點沉降值穩(wěn)定于25.9 mm。由于二次注漿的位置在左線隧道，DC33右線監(jiān)測點地表豎向位移回升值明顯小于左線監(jiān)測點，并具有一定的滯后性。

圖6 DC33監(jiān)測斷面地表沉降歷時曲線

DC33監(jiān)測面兩個測點地表沉降歷時曲線基本上可以分為前文所述的4個階段，但受到二次注漿的影響，各階段的沉降值與DC32監(jiān)測面產(chǎn)生了較大的區(qū)別，如圖7和圖8。

圖7 左線監(jiān)測點各階段沉降值比較

圖8 右線監(jiān)測點各階段沉降值比較

對于左線監(jiān)測點，DC32和DC33的初期土體擾動沉降值基本一致。在第1回二次注漿的作用下，DC33測點本線盾構(gòu)通過的快速沉降得到了抑制，只有DC32的51%。在第2回二次注漿的作用下，土體豎向位移回升量基本抵消了DC33測點本線盾構(gòu)通過導致的緩速沉降，沉降值僅為0.1 mm。與前面3個階段不同，在第2回二次注漿之后，DC33測點的鄰線盾構(gòu)通過沉降達到了DC32的兩倍，這是二次注漿對土體強烈擾動的結(jié)果。對于右線監(jiān)測點，二次注漿的影響明顯小一些。DC32測點和DC33測點的初期土體擾動沉降、本線盾構(gòu)通過的緩速沉降、鄰線盾構(gòu)通過的沉降基本一致。DC33測點本線盾構(gòu)通過的快速沉降明顯大于DC32測點，增幅為33%，這也是二次注漿對土體擾動的結(jié)果，但程度不及左線。

整體來看，左線隧道的二次注漿減少了左線測點的最終穩(wěn)定沉降量，DC32左線測點的最終穩(wěn)定沉降值為37.0 mm，DC33左線測點的最終穩(wěn)定沉降值為25.9 mm，降幅為42.8%。左線隧道的二次注漿增加了右線測點的最終穩(wěn)定沉降量，DC32為22.9 mm，DC33為28.8 mm，增幅為25.8%。

4 結(jié)論

(1)對于分先后掘進的雙線盾構(gòu)隧道，無論是先行隧道還是后行隧道，其隧道軸線上方監(jiān)測點的地表沉降都可以分為4個階段：初期土體擾動導致的沉降，平均占比為18.1%；本線盾構(gòu)通過導致的快速沉降，平均占比為54.7%；本線盾構(gòu)通過導致的緩速沉降，平均占比為11.9%；鄰線盾構(gòu)通過導致的沉降，平均占比15.2%。

(2)在沉降槽寬度系數(shù)為8～9 m，左右雙線隧道軸線距離14 m的情況下，本線盾構(gòu)施工對鄰線軸線測點沉降值的貢獻為本線測點的0.216～0.298倍。

(3)后行隧道盾構(gòu)機未到達時，對先行隧道已完成段進行二次注漿，地表沉降規(guī)律會發(fā)生明顯變化。對于先行隧道，二次注漿可以減少本線盾構(gòu)通過導致的沉降，同時增加鄰線盾構(gòu)通過產(chǎn)生的沉降，減小最終穩(wěn)定沉降值。對于后行隧道，二次注漿會增加本線盾構(gòu)通過導致的沉降，并增加最終沉降量。