軟土灰?guī)r復(fù)合地層盾構(gòu)隧道施工地表沉降規(guī)律研究

孫成偉 范 雨 姚旭朋

1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510330； 2.同濟(jì)大學(xué) 上海 200092

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展和城市交通系統(tǒng)的完善，地鐵建設(shè)成為了城市地下空間開發(fā)的重要部分。在地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中，由于工程地質(zhì)和掘進(jìn)過程控制的影響，隧道施工將會對周圍的巖土體造成一定擾動，使得隧道周圍的巖土體場產(chǎn)生變形。當(dāng)盾構(gòu)施工擾動過大時(shí)會導(dǎo)致過大的地表沉降，危及隧道周邊建筑物和道路安全，引起一系列的工程環(huán)境問題[1-2]。系統(tǒng)分析盾構(gòu)法隧道施工造成的地面沉降規(guī)律，對有效預(yù)測與控制地層擾動對地面及周邊建筑物的影響具有重要的指導(dǎo)作用。

目前，針對隧道施工過程中的地表和建筑物沉降規(guī)律研究成果較多，主要方法為經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)法。垂直于隧道軸線的橫向沉降經(jīng)驗(yàn)公式有Peck[3]基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù)提出的Peck公式；國內(nèi)陳春來等[4]、韓煊等[5]和姚愛軍等[6]根據(jù)我國不同地層條件的監(jiān)測數(shù)據(jù)對Peck公式進(jìn)行了修正，提出Peck公式的修正系數(shù)，提高了Peck公式的運(yùn)用范圍。在理論分析法中，Sagaseta[7]、魏綱等[8]和劉建航等[9]基于流動法則的彈性半空間解，利用鏡像法建立了地表沉降的預(yù)測模型。對于復(fù)雜施工環(huán)境下隧道開挖引發(fā)沉降的分析，數(shù)值模擬法較為有效，孫鈞等[10]、陶龍光等[11]和郭樂[12]采用數(shù)值模擬對多個隧道工程實(shí)例進(jìn)行了地表沉降和影響因素分析。在模型試驗(yàn)中，劉紀(jì)峰等[13]利用大型三維模型試驗(yàn)對水土耦合的地基地表沉降進(jìn)行了研究，孫兵等[14]利用離心機(jī)對雙孔隧道地表位移進(jìn)行了定量分析

本文的研究對象所處的廣州地區(qū)分布有大范圍的上軟下硬地層，地鐵8號線盾構(gòu)隧道穿越的土層有較軟的砂土、黏土層，較硬的灰?guī)r層以及軟硬復(fù)合式土層。隧道施工影響范圍的地層性質(zhì)及分布較為特殊，有必要對該類地層中盾構(gòu)隧道施工引發(fā)的地表沉降進(jìn)行研究。

本文依托廣州地鐵8號線石井站—亭崗站區(qū)間盾構(gòu)隧道周邊地表實(shí)測數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)施工時(shí)地層的主要影響范圍、地表沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)的發(fā)展規(guī)律及其影響因素進(jìn)行分析，并把盾構(gòu)隧道在穿越復(fù)雜地形條件下的橫向和縱向沉降發(fā)展的實(shí)測數(shù)據(jù)與相應(yīng)的沉降預(yù)測理論進(jìn)行比較與評價(jià)分析，以期對類似穿越地層的盾構(gòu)施工沉降預(yù)測和施工控制提供參考和依據(jù)。

1 隧道穿越地層分布

廣州地鐵8號線石井站—亭崗站區(qū)間（下稱“石—亭區(qū)間”）沿線地層條件多變，隧道將依次穿越軟土地層、砂層、上軟下硬復(fù)合層及全斷面巖層和溶洞區(qū)域，如圖1所示。盾構(gòu)在富水地層中掘進(jìn)同時(shí)將下穿河涌地段，盾尾易出現(xiàn)漏水、漏砂等情況，造成地面較大沉降，嚴(yán)重影響道路和建筑物安全。隧道外徑6.0 m，開挖直徑6.3 m，隧道中心埋深為12.5～18.5 m。該區(qū)間隧道為雙線隧道，兩隧道中心距為9.0～14.2 m。

圖1 石井站—亭崗站區(qū)間地質(zhì)剖面

本文沿石—亭區(qū)間隧道軸向選取4個典型斷面DB3、DB21、DB60、DB62進(jìn)行沉降分析。

盾構(gòu)隧道施工影響范圍內(nèi)的地層從地表至深處主要分布有填土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、灰?guī)r層，但該區(qū)間地層分布差異性較大，不同斷面的地層組合存在顯著差別。根據(jù)DB3、DB21、DB60、DB62斷面所在的地層分布、隧道中心埋深及兩隧道中心的距離可知，DB3斷面隧道穿越淤泥與礫砂層，DB21斷面隧道穿越層主要為礫砂層，DB60與DB62斷面隧道穿越層均為灰?guī)r層。

2 地表沉降規(guī)律分析

2.1 橫向地表沉降

Peck最早提出了單隧道施工引發(fā)的地表橫向沉降的實(shí)用計(jì)算公式，假定在不排水情況下地表沉降槽的體積等于隧道施工產(chǎn)生的地層損失體積，地表橫向沉降槽近似正態(tài)分布曲線，沉降曲線預(yù)測公式如式（1）所示：

式中：S(x) ——距隧道中心軸線x處的地表沉降；

x ——距隧道中心軸線水平距離；

i ——地表沉降槽寬度系數(shù)；

R ——盾構(gòu)計(jì)算半徑；

η ——地層體積損失率；

H ——隧道中心埋深；

φ ——土體內(nèi)摩擦角。

對于雙線隧道，Peck認(rèn)為后行隧道開挖導(dǎo)致地層損失量增大，沉降槽寬度隨之增大，當(dāng)橫向沉降槽關(guān)于兩隧道中軸線對稱時(shí)，在式（1）中用R＋L/2代替R，可計(jì)算雙線隧道的地表沉降槽曲線，其中，L為兩隧道中心之間的水平距離。

地層體積損失率是盾構(gòu)施工變形預(yù)測中的關(guān)鍵之一，其受土層性質(zhì)、施工方法等諸多因素的影響，其中土層性質(zhì)的影響較大。魏綱[15]對不同地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越不同巖土層引起的地層損失率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，因此，可確定本工程多個沉降監(jiān)測斷面地層體積損失率的基本范圍。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合反分析，即根據(jù)實(shí)測沉降槽的最大沉降值，由式（1）進(jìn)一步確定DB3、DB21、DB60、DB62斷面地層體積損失率分別取為1.25、0.96、1.00、1.00。

圖2為DB3、DB21、DB60、DB62斷面橫向地表沉降預(yù)測曲線與實(shí)測值對比圖，預(yù)測誤差均值分別為－2.6、－1.2、0.1、0.9 mm，預(yù)測沉降槽曲線與實(shí)測值基本吻合，從圖中預(yù)測曲線與實(shí)測值看出，隨著沉降點(diǎn)距離隧道軸線中心的距離增大，地表沉降量將逐漸減小。預(yù)測曲線最大沉降量由地層體積損失率控制。實(shí)測結(jié)果中DB3斷面隧道穿越層分布有大范圍淤泥層，沉降量值最大，最大值達(dá)到23 mm。由式（1），當(dāng)x為± i2 時(shí)，為橫向沉降曲線的拐點(diǎn)，因此預(yù)測曲線沉降較大區(qū)域?yàn)閮伤淼乐行淖笥覂蓚?cè)各 i2 的范圍，為沉降主要影響區(qū)，該區(qū)域?qū)挾仁芩淼缆裆钆c隧道穿越土層的內(nèi)摩擦角控制。DB21斷面隧道穿越層礫砂層的內(nèi)摩擦角較大，沉降主要影響區(qū)寬度較大。對于雙線隧道，沉降主要影響區(qū)還與兩隧道間距密切相關(guān)。DB3、DB21斷面的兩隧道間距明顯大于DB60、DB62斷面，實(shí)測沉降中前兩者的主要影響區(qū)寬度大于預(yù)測曲線，而后兩者實(shí)測主要影響區(qū)寬度則小于預(yù)測曲線。雙線隧道施工參數(shù)控制復(fù)雜，穿越灰?guī)r層的DB60、DB62斷面實(shí)測數(shù)據(jù)中兩隧道中心線兩側(cè)的地表沉降呈現(xiàn)非對稱性。

圖2 橫向地表沉降預(yù)測曲線與實(shí)測值對比

2.2 縱向地表沉降

在盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層擾動將導(dǎo)致地表沉降的產(chǎn)生。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向的地表沉降隨著隧道開挖面的推進(jìn)不斷變化，分析開挖面前后隧道軸線上方地表沉降，可獲得施工過程的地表三維沉降變化規(guī)律。

Sagaseta假定土體為均質(zhì)各向同性且不可壓縮，推導(dǎo)了隧道施工地層損失導(dǎo)致的土體應(yīng)變場與位移場解析解。土體彈性力學(xué)場坐標(biāo)系原點(diǎn)位于隧道軸線上方地表，y軸為隧道軸線方向，x軸為垂直于隧道軸線的橫向，z軸為豎向。在位移場解中令x=0、z=0，且假定任意y值對應(yīng)的橫斷面地層損失率與最大沉降值之比不變，則可得到隧道軸線上方地表沿隧道軸向即掘進(jìn)方向變化的地表沉降〔式（2）〕：

式中：Smax(y)——隧道軸線上y坐標(biāo)處橫斷面沉降槽的最大 沉降量，是隨著y變化的函數(shù)；

Smax——隧道軸線上－∞處橫斷面沉降槽的最大沉降量。

實(shí)際施工時(shí)測得盾構(gòu)開挖至該區(qū)間隧道里程ZDK28＋ 704 m、ZDK28＋784 m處時(shí)隧道軸線上方測點(diǎn)的地表沉降。圖3為式（2）預(yù)測的隧道軸線上方地表縱向沉降曲線與實(shí)測值的對比。式（2）中的Smax為開挖面后60 m的橫斷面按照式（1）計(jì)算的最大沉降值，開挖面后60 m的縱向沉降已基本穩(wěn)定。圖中縱坐標(biāo)表示沉降量，以地面初始位置為零點(diǎn)；橫坐標(biāo)表示地表測點(diǎn)相對于隧道開挖面沿隧道軸向的距離，負(fù)值表示開挖面之后，正值表示開挖面之前。

圖3 地表縱向沉降預(yù)測曲線與實(shí)測值對比

從圖3中可看出，地表縱向沉降預(yù)測曲線與實(shí)測值從開挖面前至后基本分為3個發(fā)展階段：沉降緩慢發(fā)展區(qū)、沉降快速發(fā)展區(qū)、沉降趨于穩(wěn)定區(qū)。預(yù)測曲線中沉降快速發(fā)展區(qū)范圍大小為開挖面前 H2 /2至開挖面后 H2 ，受隧道中心埋深控制；而實(shí)測沉降中沉降快速發(fā)展區(qū)的大小還會受到由地層縱向不均勻性帶來的施工過程中地層損失率變化的影響。開挖面后 H2 以遠(yuǎn)的范圍沉降量值發(fā)展得最大，距開挖面越遠(yuǎn)沉降越趨于穩(wěn)定。地表縱向沉降預(yù)測曲線與實(shí)測值基本吻合，其中盾構(gòu)隧道開挖至ZDK28＋704 m里程時(shí)，地表縱向沉降發(fā)展規(guī)律預(yù)測與實(shí)測差異較小，差異均值為0.3 mm；盾構(gòu)隧道開挖至ZDK28＋784 m里程時(shí)，地表縱向沉降發(fā)展規(guī)律預(yù)測與實(shí)測差異均值為0.6 mm。

3 結(jié)語

本文依托廣州地鐵8號線北延伸段石—亭區(qū)間盾構(gòu)隧道的地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)，研究上部軟土、下部灰?guī)r復(fù)合地層地表橫向沉降和隧道軸線上方地表縱向沉降隨盾構(gòu)開挖的變化規(guī)律，對比了橫向與縱向沉降預(yù)測公式與實(shí)際監(jiān)測值，分析了沉降量值與沉降范圍的控制因素，得到以下結(jié)論：

1）地表橫向沉降曲線中，隨著沉降點(diǎn)與隧道軸線中心的距離的增大，地表沉降量將逐漸減小。最大沉降量由地層體積損失率控制，該參數(shù)受地層性質(zhì)與施工控制共同影響。預(yù)測曲線沉降較大區(qū)域?yàn)閮伤淼乐行淖笥覂蓚?cè)各 i2的范圍，為沉降主要影響區(qū)，該區(qū)域?qū)挾仁芩淼缆裆钆c隧道穿越土層的內(nèi)摩擦角控制。實(shí)際對于雙線隧道，沉降主要影響區(qū)還與兩隧道間距密切相關(guān)。

2）地表縱向沉降預(yù)測曲線與實(shí)測值從開挖面前至后基本分為3個發(fā)展階段，沉降緩慢發(fā)展區(qū)、沉降快速發(fā)展區(qū)、沉降趨于穩(wěn)定區(qū)。開挖面后 H2 以遠(yuǎn)的范圍沉降量值發(fā)展得最大，距開挖面越遠(yuǎn)沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值可由修正Peck公式令x=0預(yù)測；縱向沉降快速發(fā)展區(qū)范圍大小為開挖面前 H2 /2至開挖面后 H2 ，受隧道中心埋深控制；而實(shí)測沉降中沉降快速發(fā)展區(qū)的大小還會受到由地層縱向不均勻性帶來的施工過程中地層損失率變化的影響。

3）修正Peck公式預(yù)測的地表橫向沉降槽曲線與實(shí)測值基本吻合，預(yù)測值與實(shí)測值之間的差異主要是預(yù)測公式未能系統(tǒng)考慮雙線隧道對地層擾動的相互影響、疊加機(jī)制，以及2條隧道各自掘進(jìn)時(shí)施工參數(shù)的差異的影響；Sagaseta公式預(yù)測的地表縱向沉降曲線與實(shí)測值基本吻合，預(yù)測值與實(shí)測值之間的差異其主要原因有地層的縱向不均勻性與施工控制因素等。

通過上述結(jié)論，本文得出廣州軟土灰?guī)r復(fù)合地層盾構(gòu)施工過程中地表三維沉降的初步規(guī)律，為該地區(qū)同類型盾構(gòu)施工的沉降監(jiān)測與沉降控制提供了原始依據(jù)，對盾構(gòu)施工的環(huán)境影響和安全評價(jià)具有一定的參考意義。