曲線平行雙隧道施工引起的地表沉降規(guī)律分析

張 雁，馮 浩，璩繼立

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

隧道開挖時(shí)，開挖面附近土體受到擾動(dòng)，圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，使得圍巖松動(dòng)并向開挖面移動(dòng)，引起地表沉降。盾構(gòu)地鐵區(qū)間隧道大多采用雙孔平行形式，上下行隧道平行近距離先后開挖。在近距離情況下，兩次開挖使周圍土體擾動(dòng)相互影響，可能造成比單隧道開挖更大的地表沉降。受城市規(guī)劃、地表已有建筑等限制，曲線盾構(gòu)隧道越來越多出現(xiàn)在城市地鐵隧道中。為保護(hù)地表建筑和設(shè)施，預(yù)測(cè)和控制地表變形一直是工程界關(guān)注的重點(diǎn)。曲線盾構(gòu)隧道由于施工時(shí)需要不斷地超挖糾偏，引起的地表沉降不同于直線盾構(gòu)隧道情況。因此，合理預(yù)測(cè)曲線盾構(gòu)隧道引起的地表沉降顯得尤為重要。

1969年，Peck[1]提出正態(tài)分布曲線模型，用以估算單線隧道引起的地表沉降規(guī)律。大量的工程案例表明Peck公式預(yù)測(cè)結(jié)果比較符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于近距離平行隧道施工，由于先、后行隧道前后施工的相互擾動(dòng)影響，使得對(duì)地表沉降的預(yù)測(cè)更為復(fù)雜。目前一般認(rèn)為雙線隧道地表沉降槽與平行隧道的水平間距、埋深有關(guān)[2-12]。魏綱等[2]認(rèn)為當(dāng)雙線隧道間距大于0.79隧道軸線覆土厚度時(shí)，橫向地表沉降槽呈W形狀；當(dāng)雙線隧道間距小于0.66倍隧道軸線覆土厚度時(shí)，兩條隧道為近距離隧道，地表沉降槽符合正態(tài)分布。蒙曉蓮[9]通過ANSYS軟件模擬了不同曲線半徑時(shí)單線隧道施工引起的地表沉降，發(fā)現(xiàn)開挖面的橫向地表沉降槽關(guān)于隧道軸線明顯不對(duì)稱，曲線半徑越小，地表最大沉降值越大。

目前，關(guān)于平行雙隧道引起的地表沉降研究多為針對(duì)直線段隧道施工的情況，鮮有對(duì)曲線段施工工況下的研究。本文基于馬來西亞MRT一期工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同曲線半徑處的地表沉降槽進(jìn)行研究，分析其地表沉降的特征。本文的研究成果可作為有益經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)類似的工程建設(shè)。

1 工程概況

如圖1所示，吉隆坡MRT項(xiàng)目一期北段工程為三馬丹北港經(jīng)吉隆坡中心站至市場(chǎng)中心站區(qū)間隧道，工程總長(zhǎng)2 716 m。南北雙線平行隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工，北線施工盾構(gòu)為TBM1，南線施工盾構(gòu)為TBM2。雙線隧道中心軸距為13 m，平均覆土厚度約為13 m。隧道管片內(nèi)徑為5.8 m，管片厚度為275 mm，管片長(zhǎng)度為1.4 m，采用5+2+1的單層鋼纖維混凝土管片錯(cuò)縫拼裝。轉(zhuǎn)彎段采用楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合方式，即左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)和直線襯砌環(huán)。盾構(gòu)機(jī)殼體長(zhǎng)度為9.89 m，5.39 m處設(shè)鉸接裝置。刀盤直徑6 670 mm，盾構(gòu)外徑6 630 mm、內(nèi)徑 6 490 mm。盾構(gòu)機(jī)平均掘進(jìn)速度為每天8環(huán)，北線較南線先行30 d始發(fā)。

圖1 總平面圖Fig.1 Site plan plot

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料（見圖2），該施工段隧道主要處于風(fēng)化的肯尼山殘積土層之中。被風(fēng)化的肯尼山構(gòu)造復(fù)雜，地層多樣化，軟硬相間，大段地層包含著土石夾層或者巖土相間的地層。隧道掘進(jìn)范圍存在高度風(fēng)化的石英巖、千枚巖、泥巖等巖體，巖石等級(jí)基本為4級(jí)，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度大部分在30 MPa以內(nèi)。風(fēng)化的肯尼山殘積土大致分為A，B，C這3類，土體力學(xué)性質(zhì)見表1。表1中：N為標(biāo)準(zhǔn)貫入度值；γ為土體容重；E為土體彈性模量；c'為土體有效黏聚力；φ'為土體有效內(nèi)摩擦角。本文研究的斷面CH1+448，CH1+518和CH2+400，隧道主要穿越砂質(zhì)粉土和礫質(zhì)粉土，為A類土體；斷面CH1+960，隧道主要穿越稍微斷裂的石英巖，為C類土體。地下水位位于地面以下1～3 m，地層滲透系數(shù)為1.0×10–6～5.0×10–5m/s。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physic-mechanical parameters of soils

2 觀測(cè)面選取

隧道區(qū)間施工段含有多個(gè)曲線段，為監(jiān)測(cè)隧道施工引起的地表沉降，沿隧道縱向布置了多個(gè)沉降觀測(cè)面，沿沉降觀測(cè)面布置了若干沉降觀測(cè)點(diǎn)。為研究雙線隧道施工引起的地表沉降與曲線半徑的關(guān)系，本文選取4個(gè)位于不同半徑曲線段的觀測(cè)面作為研究對(duì)象。曲線段觀測(cè)面里程及相應(yīng)的曲線半徑分別為 CH1+448（R=500 m）、CH1+518（R=400 m）、CH1+960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）。如圖 3所示，以觀測(cè)面CH1+518為例建立坐標(biāo)系，x軸表示與南線隧道軸線的距離，則北線隧道軸線坐標(biāo)為x=–13 m，z軸表示觀測(cè)面的地表沉降量，地表隆起為正，沉降為負(fù)。垂直于雙線隧道的綠色直線表示布置的觀測(cè)面CH1+518，GSM1521～1528為布置在觀測(cè)面上的地表沉降觀測(cè)點(diǎn)。

3 盾構(gòu)施工參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)密切影響地表沉降，其中千斤頂速度、土倉(cāng)壓力和注漿量是主要影響地表沉降的因素。本文選取北線隧道盾構(gòu)機(jī)TBM1和南線隧道盾構(gòu)機(jī)TBM2，分別對(duì)通過各觀測(cè)面時(shí)的施工參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。 其中，盾構(gòu)機(jī)TBM1通過斷面CH1+448的盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)缺失，另有少數(shù)環(huán)號(hào)部分盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)缺失，由于整體數(shù)據(jù)充分，這并不影響分析效果。

3.1 千斤頂速度

盾構(gòu)機(jī)TBM1和TBM2通過各觀測(cè)面時(shí)，千斤頂頂推速度如圖4所示。由圖4可知，盾構(gòu)機(jī)TBM2 通過觀測(cè)面 CH1+448（R=500 m）時(shí)，千斤頂平均速度為35 mm/min。盾構(gòu)機(jī)TBM1通過觀測(cè)面 CH1+518（R=400 m）時(shí)，千斤頂平均速度為35 mm/min；盾構(gòu)機(jī)TBM2通過時(shí)速度較慢，從16 mm/min 逐漸加速，平均速度為 25 mm/min。盾構(gòu)機(jī) TBM1和 TBM2通過觀測(cè)面 CH1+1 960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）時(shí)，千斤頂速度比較穩(wěn)定，平均速度分別為 37 mm/min 和 33 mm/min，40 mm/min 和 31 mm/min。

圖4 盾構(gòu)機(jī)通過各觀測(cè)面的千斤頂速度Fig.4 Variation of the advancing speed of jacks at monitoring sections

3.2 土倉(cāng)壓力值

盾構(gòu)機(jī)TBM1和TBM2通過各觀測(cè)面時(shí)，土倉(cāng)壓力如圖5所示。由圖5可知，盾構(gòu)機(jī)TBM2通過 CH1+448（R=500 m）時(shí)，土倉(cāng)壓力平均值為108 kPa。盾構(gòu)機(jī) TBM1 通過 CH1+518（R=400 m）時(shí)，土倉(cāng)壓力由100 kPa提高到160 kPa，平均為109 kPa；而盾構(gòu)機(jī)TBM2通過該觀測(cè)面時(shí)，土倉(cāng)壓力值比較穩(wěn)定，基本維持在100 kPa，比盾構(gòu)機(jī)TBM1低了 60 kPa。盾構(gòu)機(jī) TBM1和 TBM2通過觀測(cè)面 CH1+1 960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）時(shí)，平均土倉(cāng)壓力分別為 155，165，178，205 kPa。

3.3 注漿量

同步注漿采用雙液漿，由4個(gè)注漿孔注入。盾構(gòu)機(jī)TBM1和TBM2通過各觀測(cè)面時(shí)，注漿量如圖6所示。由圖6可知，盾構(gòu)機(jī)TBM2通過斷面 CH1+448（R=500 m）時(shí)，注漿量平均值為 4.7 m3。

盾構(gòu)機(jī)TBM1和TBM2分別通過斷面CH1+518（R=400 m）時(shí)，注漿量平均為 5.0 m3和 5.3 m3。盾構(gòu)機(jī) TBM1和 TBM2通過觀測(cè)面 CH1+1 960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）時(shí)，平均注漿量分別為5.4 m3和4.6 m3，5.4 m3和4.7 m3，5.3 m3和5.5 m3。

圖6 盾構(gòu)機(jī)通過各觀測(cè)面的注漿量Fig.6 Variation of the grouting volume at monitoring sections

4 地表沉降

4.1 先行線盾構(gòu)引起的地表沉降規(guī)律

北線盾構(gòu)機(jī)TBM1通過觀測(cè)面5 d后地表沉降趨于穩(wěn)定，通過觀測(cè)面20 d后的地表沉降已經(jīng)穩(wěn)定，如圖7所示。由圖7可知，曲線盾構(gòu)施工引起地表沉降槽與高斯擬合曲線有差異，圖7（a），（b）有不對(duì)稱現(xiàn)象，圖 7（c），（d）基本與高斯曲線吻合。盾構(gòu)直線推進(jìn)時(shí)，千斤頂力均勻分布，沉降槽為對(duì)稱的高斯分布。當(dāng)盾構(gòu)曲線推進(jìn)時(shí)，曲線外側(cè)的頂力大于內(nèi)側(cè)頂力，外側(cè)頂力的側(cè)向分量使得曲線外側(cè)土體有隆起趨勢(shì)，曲線內(nèi)側(cè)的土體比曲線外側(cè)的土體沉降大。盾構(gòu)通過后，曲線外側(cè)隆起的土體逐漸下沉，但是曲線內(nèi)側(cè)土體沉降仍然大于曲線外側(cè)土體，造成地表沉降槽不對(duì)稱。曲線兩側(cè)的頂力差越大，地表沉降槽不對(duì)稱現(xiàn)象越明顯。如圖7（a）所示，位于北線隧道內(nèi)側(cè)3.5 m 處（x=–9.5 m）沉降值為–3.4 mm，大于位于曲線外側(cè) 3.5 m 處（x=–16.5 m）的沉降值–2.04 mm。

位于不同曲線半徑處的觀測(cè)面，實(shí)測(cè)最大沉降位置都位于北線隧道中線處，即x=–13 m處。根據(jù)高斯擬合曲線，各觀測(cè)面最大沉降位置也位于北線隧道中線附近，往曲線內(nèi)側(cè)略有偏移。

盾構(gòu)機(jī)TBM1通過觀測(cè)面CH1+960（R=700 m）時(shí)，最大地表沉降量為–6.43 mm；通過觀測(cè)面CH1+518（R=400 m）時(shí)，最大地表沉降量為–10.83 mm；通過觀測(cè)面CH2+400（R=300 m）時(shí)，最大地表沉降量增加到–13.91 mm?？梢姡乇沓两底畲笾涤须S曲線半徑減小而增大的趨勢(shì)。相比直線段隧道，曲線隧道的曲線半徑越小，超挖量越大，盾尾間隙越大，在其他施工條件相同時(shí)引起的地表沉降量越大。

圖7 TBM1通過后觀測(cè)面地表沉降槽Fig.7 Surface settlement profiles after TBM1 passing through

TBM1 通過觀測(cè)面 CH1+960（R=700 m）后注漿量約為 5.6 m3，最大地表沉降為–6.43 mm；通過觀測(cè)面 CH2+400（R=300 m）后注漿量偏少，約為5.0 m3，最大地表沉降為–13.91 mm。盾構(gòu)在小半徑曲線掘進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生超挖，此時(shí)應(yīng)適度增加注漿量以減少地表沉降。

4.2 后行盾構(gòu)引起的地表沉降規(guī)律

南線盾構(gòu)機(jī)TBM2通過觀測(cè)面時(shí)引起地表再次發(fā)生沉降，約20 d后地面變形基本穩(wěn)定，如圖8所示。由圖8可知，對(duì)于覆土厚度H為13 m、軸線距離L為 13 m的曲線雙隧道，在南線盾構(gòu)機(jī)TBM2通過后，不同半徑曲線處的觀測(cè)面地表沉降槽，與直線雙隧道引起的地表沉降類似，均為對(duì)稱的高斯分布，呈“V”形。由4.1可知，當(dāng)先行線通過觀測(cè)面后引起的最大沉降在該隧道軸線上方，而曲線內(nèi)側(cè)的后行隧道施工將主要引起先行線內(nèi)側(cè)地表繼續(xù)發(fā)生沉降。兩條隧道軸線中間區(qū)域土體在前、后行隧道施工主要影響范圍交疊處受到的擾動(dòng)最大。近距離平行雙隧道的施工條件比較類似，使得先、后兩次擾動(dòng)產(chǎn)生的地表最大沉降基本位于兩隧道軸線的中線位置。

除觀測(cè)面CH1+518（R=400 m）最大沉降值位于南線隧道軸線上方外，即x=0 m處，其他觀測(cè)面的最大沉降值都位于南、北雙線的中線位置，即x=–6.5 m處。由于盾構(gòu)機(jī)TBM2通過斷面CH1+518時(shí)土倉(cāng)壓力為 89 kPa，比 TBM1 通過時(shí)的 157 kPa 小 68 kPa。土倉(cāng)壓力設(shè)置過小導(dǎo)致盾構(gòu)到達(dá)觀測(cè)面前，南線軸線上方土體沉降突然增大7 mm，盾構(gòu)通過時(shí)土體繼續(xù)急劇沉降到–23.28 mm?？梢?，若在正常施工情況下，觀測(cè)面CH1+518（R=500 m）的最大地表沉降值也應(yīng)為雙線中線位置。實(shí)際上，土倉(cāng)壓力設(shè)置也不應(yīng)過大，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)TBM1到達(dá)觀測(cè)面CH2+400（R=300 m）時(shí)，土倉(cāng)壓力為 183 kPa，引起南線軸線上方土體隆起1.74 mm；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)TBM2再次到達(dá)時(shí)，土倉(cāng)壓力為205 kPa，引起南線軸線上方土體先隆起1.3 mm，通過后再發(fā)生6 mm沉降。

圖8 TBM2通過后的觀測(cè)面地表沉降槽Fig.8 Surface settlement profiles after TBM2 passing through

對(duì)比圖8（b）和圖 7（d）可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī) TBM2通過觀測(cè)面CH1+518（R=500 m）時(shí)，千斤頂速度約為 30 mm/min，引起的地表最大沉降為–29.92 mm；而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)TBM1通過觀測(cè)面CH2+400（R=300 m）時(shí)，千斤頂速度約為40 mm/min，引起的地表最大沉降為–13.91 mm?？梢?，對(duì)于本工程中的小半徑曲線隧道，降低千斤頂速度對(duì)減小地表沉降影響不大。圖 8（c）觀測(cè)面 CH1+960（R=700 m）最大沉降值為–11.83 mm，圖 8（b）觀測(cè)面 CH1+518（R=400 m）處，最大沉降值為–30.84 mm；圖 8（d）觀測(cè)面CH2+400（R=300 m）處，最大沉降值為–27.5 mm。由此可知，隨著曲線半徑減小，曲線雙隧道引起的最大沉降值隨之增大。

5 結(jié) 論

為研究曲線雙隧道施工引起的地表沉降規(guī)律，本文通過分析馬來西亞MRT一期北段工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

a.對(duì)于先行曲線盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)通過后的地表沉降槽有不對(duì)稱現(xiàn)象，位于曲線內(nèi)側(cè)的土體沉降大于曲線外側(cè)土體，這可能是施工時(shí)盾構(gòu)曲線內(nèi)外側(cè)頂力差引起的。最大沉降值發(fā)生在先行線隧道軸線上方。當(dāng)曲線半徑減小時(shí)，由于盾尾間隙增大，地表最大沉降量隨之增大，小半徑曲線隧道施工時(shí)應(yīng)適度提高注漿量。

b.對(duì)于平行雙曲線盾構(gòu)隧道，當(dāng)覆土深度等于隧道間距時(shí)，后行線盾構(gòu)通過后各曲線半徑處的地表沉降槽都呈對(duì)稱的高斯分布。最大沉降值的位置在雙線隧道中線上方，這可能是由于近距離平行先、后行隧道施工條件比較類似造成的。

c．本工程地質(zhì)條件下，千斤頂速度在30～40 mm/min變化時(shí)，對(duì)地表最大沉降量影響不大，而控制土倉(cāng)壓力在合理范圍內(nèi)，并適度提高注漿量能有效減小地表沉降。

致謝：感謝中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司提供數(shù)據(jù)資料。