深厚淤泥地層盾構(gòu)隧道地表沉降規(guī)律初探

熊 燕

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州510010）

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工過程中難以避免對周圍土體產(chǎn)生擾動，從而引起地表變形。大量的工程實(shí)測資料表明，正態(tài)分布曲線能夠較好地擬合實(shí)測橫斷面地面沉降曲線［1］，Peck公式［2］屬于此類，且應(yīng)用廣泛。下述為Peck公式，曲線如圖1所示。其中，Sx為地表沉降；Smax為地表最大沉降；i 為沉降槽寬度系數(shù)；Vs為盾構(gòu)隧道單位長度地層損失量；VL為地層損失率；R為刀盤外直徑。

圖1 地表沉降槽斷面形狀Fig.1 Sectional Shape of Surface Settlement Groove

近年來，廣州市城市化進(jìn)程飛速發(fā)展，但廣州地層的復(fù)雜多樣性直接影響著軌道交通的建設(shè)。廣州市南沙區(qū)地處北江、西江下游濱海河網(wǎng)區(qū)，瀕臨珠江口伶仃洋，為珠江三角洲沖積平原的前沿地帶，長期的河流沖積和海潮的進(jìn)退作用使該地區(qū)沉積了深厚的海陸交互相軟土［3］。盡管南沙地區(qū)是深厚淤泥地層，但隧道所處的淤泥類地層厚度較薄，隧道與硬土、巖層垂直距離短，盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的土層軟硬結(jié)合。探討盾構(gòu)隧道在南沙深厚淤泥地層中引起的地表沉降規(guī)律，對加快軌道交通建設(shè)具有重要的意義。

1 工程概況

廣州地鐵4號線南延段某區(qū)間位于廣州市南沙區(qū)西南部，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。該區(qū)間左右線隧道中心線間距14 m；先施工左線，后施工右線，同時施工左右線前后相距約500 m；管片外半徑3 m，寬1.5 m，厚0.3 m，隧道底板埋深16.24～23.46 m。

隧道左線地表沉降監(jiān)測點(diǎn)沿隧道全長布置，在隧道軸線上沿縱向間距普遍10 m 設(shè)1 個測點(diǎn)，間距在聯(lián)絡(luò)通道附近加密至3～1 m；每30 m 設(shè)置橫向監(jiān)測斷面，測點(diǎn)個數(shù)3～6個，測點(diǎn)間距3～6 m。

該區(qū)間左線隧道部分主要穿過地層為淤泥質(zhì)土層、沖～洪積砂層以及可、硬塑黏性土層，隧道上覆土層主要為填土層和淤泥類軟土層，區(qū)間左線部分地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 區(qū)間部分地質(zhì)剖面Fig.2 Sectionpartial Geological Profile

2 橫向沉降槽規(guī)律

2.1 沉降槽特征值與最大沉降值分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和隧道斷面地層條件來選取監(jiān)測斷面（見圖3），所選斷面地表沉降曲線及高斯公式擬合曲線如圖4（共10 個監(jiān)測斷面）所示，對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為盾尾脫出監(jiān)測斷面后2d～3d內(nèi)沉降值［4］。

圖3 各監(jiān)測斷面土層條件Fig.3 Soil Conditions of Each Monitoring Section

關(guān)聯(lián)高斯公式與Peck公式對應(yīng)的參數(shù)，監(jiān)測斷面地表沉降槽特征值及隧道、淤泥層埋深如表1所示。

圖4 實(shí)測地表沉降曲線以及擬合曲線Fig.4 The Soil Conditions and the Measured Surface Settlement and Fitting Curve of Each Monitoring Section

圖5 各監(jiān)測斷面Smax分別與Z0和H的關(guān)系Fig.5 The Relationship between Smax and Z0 and H of Each Monitoring Section

依據(jù)表1，最大沉降值Smax（取實(shí)測值為代表）、沉降槽寬度系數(shù)i 以及地層損失率與隧道軸線埋深Z0、淤泥層埋深H之間的關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖6 各斷面i和VL分別與Z0和H的關(guān)系Fig.6 The Relationship between i and VL and Z0 and H of Each Monitoring Section

由圖5 可知，Smax隨Z0增大呈現(xiàn)降低趨勢，原因是在沉降槽體積一定的前提下，隧道埋深越大，隧道施工產(chǎn)生的應(yīng)力往地表擴(kuò)散的幅度（范圍）越大，引起沉降值越?。碨max越?。?；Smax隨H 的增大呈現(xiàn)增大趨勢，原因是在同種施工條件及應(yīng)力條件下，淤泥層埋深越大，斷面土層平均壓縮模量越低，造成地表沉降量越大。

由表1可知，各斷面擬合曲線得到的i 普遍為8～9 m，而斷面ZDK58050 和ZDK58080 所對應(yīng)的i 較小，沉降槽呈現(xiàn)深且窄的形狀，與卵石地層的沉降形狀相似［5］，但由于監(jiān)測頻率過低，未能結(jié)合施工參數(shù)對該現(xiàn)象進(jìn)行分析。Attewell 等人［6］提出i 與Z0關(guān)系：i=KZ0，由表1 可知沉降槽寬度參數(shù)K的取值在0.3～0.6范圍內(nèi)，綜合各斷面得到K的平均值為0.42。

在不考慮盾尾注漿的情況下，理論地層損失率VL理論=8.72%。在現(xiàn)有的施工工藝條件下，盾尾同步注漿后區(qū)間盾構(gòu)施工引起的地層損失率VL范圍主要在0.25%～1.00% 之 間［5］，在 黏 性 土 地 區(qū) 是0.20%～2.02%［4］。表1 中所示各斷面VL雖低于理論值，但普遍大于2.02%。VL偏大的原因主要是監(jiān)測不能及時進(jìn)行且難以準(zhǔn)確界定土體“不排水”與“排水”階段［4］，測得的“盾尾脫出后”沉降值包含了土體部分固結(jié)沉降，而Peck公式不考慮土體固結(jié)沉降。同時，考慮施工中注漿階段引起的沉降占主要［7］，注漿量參數(shù)尤其重要，直接影響地表沉降。各監(jiān)測斷面前后兩環(huán)和四環(huán)注漿量平均值如表2 所示，考慮注漿充填率為150%～200%，理論注漿量為6.08～8.10 m3。總體來看，注漿量越大，地層損失率越小。注漿量在相對較軟弱的斷面ZDK58050～ZDK58430 偏低，且差異不大，可知注漿量參數(shù)選取欠合理，造成VL增大。

由圖6 可知，i 隨Z0增大呈現(xiàn)增大趨勢，VL隨Z0增大呈現(xiàn)降低趨勢；i 隨H 增大呈現(xiàn)降低趨勢，VL隨H 增加呈現(xiàn)增大趨勢（即土質(zhì)條件越差，VL越大）。造成上述趨勢的原因分別與Smax隨Z0和H變化的原因相同（趨勢原因的分析僅限于單一因素分析，而地表變形是多因素共同作用的結(jié)果，因此趨勢分析缺乏全面性）。

表1 各監(jiān)測斷面地表沉降擬合沉降槽特征值及其它參數(shù)匯總Tab.1 Each Monitoring Section Surface Fitting Subsidence Trough Characteristic Value and Other Parameters of the Summary

2.2 施工引起橫斷面影響范圍

按照本工程盾構(gòu)施工設(shè)計要求，地表施工沉降值要控制在-10～30 mm（報警值為24 mm，控制值為30 mm）。采用沉降槽寬度系數(shù)i作為判斷基礎(chǔ)，對于地表沉降控制在30 mm附近及以內(nèi)的盾構(gòu)施工工程，施工橫斷面主要影響范圍一般認(rèn)為是±i，次要影響范圍是±i～±，如文獻(xiàn)［7］所示。由表1可知斷面ZDK58750～ZDK59020的最大沉降值在30 mm 附近。結(jié)合表3 和圖4，可以認(rèn)為：當(dāng)盾構(gòu)隧道斷面土層主要為黏土層（相對其它斷面強(qiáng)度較高）、上覆土層厚度較大且淤泥層埋深較小時，施工橫斷面主要影響范圍約為距離隧道軸線0～9 m（即0～1.5d，d 為隧道外徑.d=6 m；9 m 是據(jù)表3 取平均值所得，實(shí)際為9.33 m，本節(jié)后述取值同理），次要影響范圍約為9～15 m（即1.5d～2.5d）。

對于斷面ZDK58050～ZDK58430來說，在曲線i處沉降值普遍超過控制值30 mm，甚至斷面ZDK58080的沉降值為111.33 mm。對于沉降值偏大的斷面，需要預(yù)先設(shè)定沉降值，然后確定擬合曲線上產(chǎn)生該特定沉降值的點(diǎn)位置，最后計算該點(diǎn)與隧道軸線最遠(yuǎn)距離。

參考斷面ZDK58750～ZDK59020 影響范圍對應(yīng)的沉降值取值，認(rèn)為沉降值≥15 mm 的區(qū)域?yàn)橹饕绊懛秶?5 mm＞沉降值≥5 mm的區(qū)域?yàn)榇我绊懛秶⒈?。對于斷面ZDK58050～ZDK58430 來說，結(jié)合表4 和圖4，可以認(rèn)為：當(dāng)盾構(gòu)隧道斷面土層主要為淤泥軟土層（相對其它斷面強(qiáng)度較低）、上覆土層厚度較小且淤泥層埋深較大時，施工橫斷面主要影響范圍約為距離隧道軸線0～15 m（即0～2.5d）；次要影響范圍約為15～18 m（即2.5d～3d）。

結(jié)合表4，整體上來看，可以認(rèn)為：本區(qū)間左線盾構(gòu)隧道施工橫斷面主要影響范圍約為距離隧道軸線0～12 m（即0～2d）；次要影響范圍約為距離隧道軸線12～18 m（即2d～3d）。

表2 各監(jiān)測斷面前后兩環(huán)和四環(huán)注漿量平均值Tab.2 Before and After Each Monitoring Section Two Ring and Average Sihuan Grouting Quantity（m3）

表3 各監(jiān)測斷面擬合曲線沉降值匯總Tab.3 Summary of Settlement Values of Fitted Curves of Each Monitoring Section

表4 各斷面在擬合曲線上特定沉降值所對應(yīng)位置與隧道軸線的距離匯總Tab.4 Summary of the Distance between the Location Corresponding to the Specific Settlement Value of Each Section on the Fitting Curve and the Tunnel Axis（m）

3 施工引起縱向影響范圍

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的選取及處理

土體發(fā)生擾動，地表會發(fā)生不同程度的變形，或者深層土體發(fā)生變形而在地表不顯現(xiàn)。針對本工程采取的實(shí)際監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)結(jié)果，通過地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)來分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤前方縱向地表沉降的影響范圍。當(dāng)測點(diǎn)發(fā)生隆沉，即該點(diǎn)處地表發(fā)生變形，利用測點(diǎn)與盾構(gòu)刀盤的空間相對位置計算影響距離，如圖7所示，統(tǒng)計多個影響距離就可以得出影響范圍，所得影響范圍比實(shí)際范圍偏小。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)計算施工影響距離示意圖Fig.7 Monitoring Data to Calculate the Impact Distance of Construction Diagram

定義“變形值增量”：在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，同一監(jiān)測點(diǎn)相鄰兩次監(jiān)測結(jié)果相減得到的值。本節(jié)采用第二次監(jiān)測值減去第一次監(jiān)測值（增量值為正代表發(fā)生沉降，為負(fù)代表發(fā)生隆起）。所有測點(diǎn)根據(jù)相同監(jiān)測時段得到的變形值增量的集合為一組數(shù)據(jù)。如圖7 所示，從4月7號掘進(jìn)到4月8號，計算得到各測點(diǎn)變形值增量，為一組數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)組的定義，會出現(xiàn)一個最遠(yuǎn)測點(diǎn)，而影響距離有2種，分別為盾構(gòu)掘進(jìn)前和掘進(jìn)后計算得到的影響距離值，簡稱為“前”和“后”。

根據(jù)測點(diǎn)的布置情況和監(jiān)測時間，確定地表監(jiān)測點(diǎn)選取的標(biāo)準(zhǔn)：①測點(diǎn)必須位于隧道軸線上方；②同一測點(diǎn)相鄰2 天（最短監(jiān)測時間）的監(jiān)測數(shù)據(jù)需完整；③測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化是在盾構(gòu)推進(jìn)過程中產(chǎn)生的，并非在盾構(gòu)停止過程中；④所選測點(diǎn)的空間位置在區(qū)間中段附近，避免在區(qū)間兩端，防止盾構(gòu)出洞時掘進(jìn)參數(shù)調(diào)試的干擾以及進(jìn)洞前測點(diǎn)布置的不充分。

3.2 篩選條件的確定

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，選取70 個符合要求的數(shù)據(jù)組合，按圖8 定義方式計算出70 組“前”和“后”影響距離，但未對變形值增量進(jìn)行合理性的篩選。把這些變形值增量以及距離值統(tǒng)稱為“原始”。

圖8 數(shù)據(jù)組定義及“前”、“后”距離示意圖Fig.8 Data Group Definition and‘Before’‘After’Distance Diagram

一般來說，土體越靠近刀盤，受擾動而引起地表變形量越大，其地表變形量隨著土體與刀盤距離增加而減小。①因此當(dāng)最遠(yuǎn)監(jiān)測點(diǎn)的變形值增量大于其它刀盤前監(jiān)測點(diǎn)增量的時候，認(rèn)為該最遠(yuǎn)測點(diǎn)變形值增量主要由非施工因素而不是盾構(gòu)施工引起，該增量值應(yīng)當(dāng)忽略，但暫不考慮隆起值。考慮本工程盾構(gòu)停止掘進(jìn)時也采取沉降監(jiān)測，按照合適標(biāo)選取4 個數(shù)據(jù)組（停止掘進(jìn)時），不考慮上述①條件（因?yàn)楦鳒y點(diǎn)的變形值增量差別不大），將刀盤前方各測點(diǎn)變形值增量分別按沉降和隆起計算平均值，得到0.60 mm（沉降）和-0.34 mm（隆起）。②從最遠(yuǎn)監(jiān)測點(diǎn)往刀盤方向篩選，認(rèn)為測點(diǎn)的沉降變形增量值小于0.60 mm 時或隆起變形值增量小于0.34 mm 時，該測點(diǎn)受盾構(gòu)施工影響的可能性較低，應(yīng)當(dāng)忽略對應(yīng)變形值增量。

上述①、②認(rèn)為是初篩選條件，目的是篩除非施工因素引起的變形值增量。把“原始”變形值增量經(jīng)初篩選條件后所得到的70 組“前”和“后”影響距離值及相應(yīng)變形值增量統(tǒng)稱為“初篩選”。

理論上，初篩選條件能夠有效地將非施工因素剔除，并把影響距離劃分得更為準(zhǔn)確。但實(shí)際上，地表沉降影響因素相互混雜、交叉干擾，僅據(jù)于監(jiān)測數(shù)據(jù)難以精準(zhǔn)確定用于篩除非施工因素的篩選條件，因此需要根據(jù)刀盤前方變形值增量分布情況來進(jìn)一步制定篩選條件。

考慮刀盤前10 m 范圍內(nèi)測點(diǎn)直接受盾構(gòu)施工影響比重大，不把其作為確定新篩選條件的對象。將刀盤前方所有測點(diǎn)（除了在0～10 m 范圍內(nèi)測點(diǎn)）變形值增量按照沉降和隆起進(jìn)行統(tǒng)計集合，考慮變形值增量數(shù)值較小的偏多，利用平均值作為篩選條件不太合適，選擇四分位數(shù)作為篩選條件：從最遠(yuǎn)監(jiān)測點(diǎn)往刀盤方向篩選，認(rèn)為在距離刀盤較遠(yuǎn)處，當(dāng)沉降變形值增量≤a 或隆起變形值增量≤b 時，難以判斷該測點(diǎn)的隆沉是否由盾構(gòu)施工引起。因此確定變形值增量控制值a和b，如表5所示。

表5 變形值增量控制值a和b取值Tab.5 Deformation Value Increment Control Value a and Value b

刀盤前方10 m內(nèi)主要發(fā)生沉降，變形值增量平均值為19.37 mm，表5 中設(shè)定較為合理。經(jīng)過初篩選條件前提下，70個變形值增量組分別進(jìn)行情況A 至情況C條件的篩選，得到對應(yīng)的“前”和“后”距離值，分別統(tǒng)稱為情況A至情況C。

3.3 縱向影響范圍的確定

分別把“前”與“后”距離值導(dǎo)入origin 軟件進(jìn)行分析，結(jié)果顯示不能滿足正態(tài)分布的判定。使用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行影響距離值的區(qū)間估計：由中心極限定理可知，當(dāng)樣本數(shù)n 充分大（通常要求n≥30）時，總體均值的分布近似服從正態(tài)分布［8］。采用70 組“前”和70 組“后”合并成140 組的方法計算置信區(qū)間，得出縱向地表沉降影響范圍，如表6所示。

表6 盾構(gòu)施工刀盤前方縱向地表沉降影響范圍匯總（95%置信度）Tab.6 Knife Plate in Front of the Longitudinal Surface Settlement of Shield Construction Influence Scope of Summary（95% Confidence Level）

理論上簡化來算，考慮本工程刀盤前方普遍發(fā)生沉降，認(rèn)為土體向土倉內(nèi)運(yùn)動，土體滑裂面與水平面呈45°+φ/2（φ 為內(nèi)摩擦角），縱向地表影響范圍為2.0D～3.5D。由表6可知，“初篩選”對應(yīng)的影響范圍為4.5D～5.5D，采用四分位數(shù)進(jìn)行下一步篩選的“情況C”所對應(yīng)的影響范圍為1.5D～2.5D，比理論值偏小，但一定程度上能夠說明上述方法的可行性。

4 結(jié)論

⑴受隧道埋深和淤泥層埋深影響，最大沉降值、沉降槽寬度系數(shù)和地層損失率分別呈現(xiàn)增大或降低的變化趨勢，這主要是由于隧道施工應(yīng)力往地表擴(kuò)散范圍隨隧道埋深變化，以及地表沉降隨土層壓縮模量變化二者作用的原因。

⑵盾構(gòu)施工橫斷面地表沉降影響范圍受土層條件和隧道埋深影響，斷面土體強(qiáng)度越高、隧道埋深越大，影響范圍越?。灰劳斜竟こ?，認(rèn)為廣州南沙地區(qū)盾構(gòu)隧道施工橫斷面主要影響范圍約為距離隧道軸線0～2d，次要影響范圍約為2d～3d（d為隧道外徑，d=6 m）。

⑶監(jiān)測點(diǎn)變形值增量的篩分條件越嚴(yán)格，刀盤前方地表沉降縱向影響范圍越小；當(dāng)實(shí)測變形值增量經(jīng)過初篩選條件，并且設(shè)定沉降變形值增量控制值為1.5 mm 或隆起控制值為0.9 mm 時，縱向影響范圍為1.5D～2.5D（D 為刀盤外徑，D=6.28 m）。這影響范圍能夠?yàn)樵趶V州南沙地區(qū)盾構(gòu)隧道縱向地表沉降監(jiān)測范圍提供參考，減少監(jiān)測工作量，并且提前做好相關(guān)地表沉降控制措施（如重要建筑物的保護(hù)措施等）。