淺覆土盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降規(guī)律研究

高洪吉， 謝文達(dá)， 孫正陽， 孫 偉， 楊志勇

(1.中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250014； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北 京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

盾構(gòu)法由于其安全、快速、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在城市軌道交通建設(shè)過程中得到廣泛的應(yīng)用。隧道開挖不可避免地會(huì)引起地表沉降，尤其是隧道上覆土層較淺時(shí)，隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)更為明顯，使得沉降難以控制。地表沉降與覆土厚度之間的關(guān)系已成為盾構(gòu)法施工的重要課題之一。

對(duì)于淺覆土盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律，學(xué)者們做了大量研究，并提出了一些施工控制措施[1-3]。劉金慧等[4]通過理論計(jì)算與現(xiàn)場結(jié)合，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了土壓平衡盾構(gòu)隧道施工引起的地層損失影響規(guī)律。李乾等[5]在北京地鐵亦莊線盾構(gòu)隧道工程中，通過施工監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬的方法，研究了小間距淺覆土條件下隧道結(jié)構(gòu)的受力特征和地表變形規(guī)律。孫立建[6]在某電纜隧道工程中，通過優(yōu)化刀盤布局、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等方法，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，有效控制了淺覆土無水砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的地面變形。韓磊等[7]采用基于地層損失率的位移控制有限元法，分析了淺覆土大直徑盾構(gòu)隧道開挖對(duì)河堤的影響。郭彩霞等[8]通過顆粒流數(shù)值模擬分析，得到了水下盾構(gòu)隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度臨界值的判定依據(jù)和條件。

相對(duì)黏性土地層，砂卵石地層具有顆粒間空隙大，沒有黏聚力，在無水狀態(tài)下顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力等特點(diǎn)[9]，若施工控制不當(dāng)，很容易破壞地層的穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生突然的坍塌。目前對(duì)淺覆土盾構(gòu)施工的研究主要集中在黏性土地層下的盾構(gòu)施工方法、沉降機(jī)理、地表沉降規(guī)律等方面且以6 m左右直徑的盾構(gòu)為主?，F(xiàn)以北京地鐵新機(jī)場線9 m直徑盾構(gòu)工程為背景，對(duì)大直徑盾構(gòu)在砂卵石地層施工過程中不同覆土厚度情況下地表沉降規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，研究結(jié)論可供類似工程借鑒和參考。

1 工程背景

北京新機(jī)場線2號(hào)風(fēng)井～3號(hào)風(fēng)井區(qū)間全長3 847 m，覆土厚度9.3～15.3 m，采用開挖直徑9.15 m的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。隧道管片用C50混凝土，外徑8.8 m，內(nèi)徑7.9 m，厚度450 mm，環(huán)寬1.6 m。盾構(gòu)從2號(hào)風(fēng)井始發(fā)，在3號(hào)風(fēng)井接收，先施工右線再施工左線。隧道自始發(fā)端開始覆土厚度不斷增加，選取4個(gè)覆土厚度(10、12、13、15 m)的地表沉降監(jiān)測斷面，對(duì)右線盾構(gòu)施工造成的地表沉降進(jìn)行分析。

工程隧道穿越地層從上到下依次為粉質(zhì)黏土④、粉細(xì)砂④3、粉土④2、卵石圓礫⑤、卵石圓礫⑦，如圖1所示，各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。本區(qū)間主要地下水類型為層間水，水位覆土厚度22.88 m左右，隧道上方地層屬于無水層。

圖1 隧道地質(zhì)情況Fig.1 Geological condition of tunnel

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Parameters of soil

2 淺覆土定義

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)[10]中關(guān)于盾構(gòu)法隧道覆土厚度的規(guī)定為：盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道覆土厚度一般不小于1.0D，D為盾構(gòu)開挖直徑。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[11]中，根據(jù)隧道覆土厚度不同，將隧道分為深埋隧道和淺埋隧道，判定原則是隧道拱頂以上覆蓋層厚度能否形成“自然拱”。隧道覆蓋厚度滿足式(1)要求時(shí)應(yīng)按淺埋隧道設(shè)計(jì)。

H<2.5ha

(1)

ha=0.45×2s-1?

(2)

?=1+j(B-5)

(3)

式中：H為隧道拱頂以上覆蓋層厚度，m；ha為深埋隧道垂直荷載計(jì)算高度，m；s為圍巖級(jí)別；?為寬度影響系數(shù)；B為坑道寬度，m；j為B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5 m時(shí)，取j=0.2，B>5 m時(shí)，取j=0.1。

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，本工程中深埋、淺埋隧道分界深度為12.7 m。第1(10 m)、第2(12 m)監(jiān)測斷面為淺埋，地層不能形成“自然拱”；第3(13 m)、第4(15 m)監(jiān)測斷面為深埋，地層可以形成“自然拱”。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.1 施工參數(shù)控制

區(qū)間右線施工過程中，上土壓力按靜止土壓力控制，同步注漿注入率控制值為160%(漿液注入率=實(shí)際注漿量/理論注漿量，理論注漿量每環(huán)7.89 m3)，漿液結(jié)石率實(shí)測為92%。盾構(gòu)通過各監(jiān)測斷面時(shí)的參數(shù)控制情況如表2所示。

表2 各斷面掘進(jìn)參數(shù)Table 2 Parameters of the every section

3.2 覆土厚度10 m斷面沉降分析

第1監(jiān)測斷面(覆土厚度10 m)位于右線25環(huán)處。隧道覆土主要為粉土、粉質(zhì)黏土、黏土。測點(diǎn)布設(shè)及斷面前后地質(zhì)剖面情況如圖2所示對(duì)右線盾構(gòu)通過斷面后的地表沉降進(jìn)行分析。右線隧道正上方測點(diǎn)DB15-8在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的時(shí)間歷程曲線如圖3(a)所示(橫坐標(biāo)第0天表示刀盤到達(dá)測點(diǎn)下方，下同)。盾構(gòu)刀盤到達(dá)測點(diǎn)下方時(shí)，DB15-8測點(diǎn)沉降約-3.10 mm；刀盤通過后，經(jīng)過約5 d測點(diǎn)沉降穩(wěn)定。由圖3(b)可知，右線盾構(gòu)通過后，監(jiān)測斷面上方地表最大沉降為-31.88 mm。

圖2 第1監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)及地質(zhì)情況Fig.2 Monitoring points and geological condition of the 1st section

圖3 第1斷面測點(diǎn)沉降Fig.3 Deformation of the 1st section

3.3 覆土厚度12 m斷面沉降分析

第2監(jiān)測斷面(覆土厚度12 m)位于右線720環(huán)，隧道覆土主要為雜填土、黏土、粉土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。測點(diǎn)布設(shè)及斷面前后地質(zhì)剖面圖如圖4所示。

圖4 第2監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)及地質(zhì)情況Fig.4 Monitoring points and geological condition of the 2nd section

對(duì)右線盾構(gòu)通過斷面后的地表沉降進(jìn)行分析。右線隧道正上方測點(diǎn)DB57-8在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的時(shí)間歷程曲線如圖5(a)所示。盾構(gòu)刀盤到達(dá)測點(diǎn)下方時(shí)，DB57-8沉降為-3.22 mm；刀盤通過約4 d后測點(diǎn)沉降穩(wěn)定。由圖5(b)可知，右線盾構(gòu)通過后，監(jiān)測斷面上方地表沉降最大值為-23.35 mm。

圖5 第2斷面測點(diǎn)沉降Fig.5 Deformation of the2nd section

3.4 覆土厚度13 m斷面地表沉降分析

第3監(jiān)測斷面(覆土厚度13 m)位于右線2 070環(huán)，隧道覆土主要為雜填土、黏土、粉土、粉質(zhì)黏土。測點(diǎn)布設(shè)及斷面前后地質(zhì)剖面如圖6所示。

圖6 第3監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)及地質(zhì)情況Fig.6 Monitoring points and geological condition of the 3rd section

對(duì)右線盾構(gòu)通過斷面后的地表沉降進(jìn)行分析。將右線隧道正上方測點(diǎn)DB133-8在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的沉降變化繪制曲線，如圖7(a)所示。右線盾構(gòu)刀盤到達(dá)監(jiān)測斷面時(shí)測點(diǎn)DB133-8沉降為-0.32 mm；刀盤通過越2 d后測點(diǎn)沉降穩(wěn)定。由圖7(b)可知，盾構(gòu)通過后，右線上方的地表沉降為-15.54 mm。

圖7 第3斷面測點(diǎn)沉降Fig.7 Deformation of the 3rd section

3.5 覆土厚度15 m斷面地表沉降分析

第4監(jiān)測斷面(覆土厚度15 m)位于右線1 080環(huán)，隧道覆土主要為素填土、黏土、粉細(xì)砂、粉土。測點(diǎn)布設(shè)及斷面前后地質(zhì)剖面圖如圖8所示。

圖8 第4監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)及地質(zhì)情況Fig.8 Monitoring points and geological condition of the 4th section

對(duì)右線盾構(gòu)通過斷面后的地表沉降進(jìn)行分析。取右線隧道正上方測點(diǎn)DB77-8，將盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的沉降變化繪制曲線，如圖9(a)所示。右線盾構(gòu)刀盤到達(dá)測點(diǎn)下方時(shí)測點(diǎn)DB77-8沉降為-2.87 mm；刀盤通過約2 d后測點(diǎn)沉降穩(wěn)定。由圖9(b)可知，盾構(gòu)通過后，監(jiān)測斷面右線上方地表最大沉降為-9.97 mm。

圖9 第4斷面測點(diǎn)沉降Fig.9 Deformation of the 4th section

3.6 不同斷面對(duì)比分析

影響地表沉降的主要盾構(gòu)施工參數(shù)為土倉壓力、同步注漿量[12]。根據(jù)各斷面施工過程中參數(shù)記錄可知，施工過程中實(shí)際土壓力與靜止土壓力之差分別為-0.04～0.16 bar、-0.06～0.14 bar、-0.06～0.14 bar、-0.06～0.14 bar(1 bar=0.1 MPa)，無明顯差異。同步注漿量與漿液結(jié)實(shí)率也相同，分別為160%、92%。對(duì)比各斷面右線隧道上方地表沉降(表3)，在施工參數(shù)基本相同的情況下，隨著覆土厚度增加，隧道軸線上方最大沉降逐漸減??；實(shí)測數(shù)據(jù)顯示隧道施工影響范圍約為隧道軸線兩側(cè)15 m，地層損失率隨覆土厚度增大而減小。從測點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間看，深埋隧道測點(diǎn)沉降穩(wěn)定時(shí)間較短，約為2 d，淺埋隧道時(shí)間較長，約為4 d。

表3 實(shí)測沉降槽參數(shù)Table 3 Parameters of settlement trough (monitoring value)

覆土厚度與最大沉降的關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，最大沉降和地層損失率隨覆土厚度的增大而減小，且成拱覆土厚度(12.7 m)附近存在變化速率的改變。覆土厚度小于12.7 m時(shí)，隨著覆土厚度增加，地表最大沉降量的減小速率相對(duì)較大；覆土厚度大于12.7 m后，隨著覆土厚度增加，地表最大沉降的減小速率明顯減小。

圖10 覆土厚度與最大沉降和地層損失率關(guān)系曲線Fig.10 Relation between the buried depth of tunnel and the maximum settlement and formation loss rate

*注：此處地層損失率=沉降槽面積/盾構(gòu)開挖面積，盾構(gòu)開挖面積為65.76 m2。

4 基于Peck公式的沉降槽分析

4.1 Peck公式

Peck[13]認(rèn)為，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)引起的地層損失導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降。假設(shè)施工過程中地層不發(fā)生排水，則地表沉降槽的體積應(yīng)等于損失土體的體積，地層損失體積可以根據(jù)沉降槽體積反算[14]。大量工程實(shí)測數(shù)據(jù)表明，隧道地表橫向沉降曲線接近于正態(tài)分布曲線，Peck對(duì)地表橫向沉降曲線進(jìn)行擬合得到Peck經(jīng)驗(yàn)公式。

(4)

(5)

式中：Sx為到隧道中線距離x處的地面沉降量，m；Smax為隧道中線的地面沉降量，m；x為距離隧道中線的距離，m；Vs為開挖單位長度隧道引起的地層損失量，m2；i為沉降槽的寬度系數(shù)，為隧道中線到沉降槽曲線反彎點(diǎn)之間的距離，m。

4.2 沉降槽分析

基于Peck公式，取右線盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖11)。

圖11 各監(jiān)測斷面沉降槽Fig.11 Settlement trough of monitoring section(Gaussian fitting)

地層損失率是地層損失與設(shè)計(jì)開挖面積的比值[15]。采用MATLAB對(duì)擬合得到的4個(gè)監(jiān)測斷面沉降槽進(jìn)行分析，計(jì)算地層損失率、沉降槽寬度系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 沉降槽參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Parameters of settlement trough

由表4可知，不同監(jiān)測斷面的沉降槽寬度系數(shù)范圍為5.9～7.0 m，與隧道覆土厚度相關(guān)性不明顯；相同盾構(gòu)施工參數(shù)下，通過地表沉降槽反算的地層損失率隨著覆土厚度增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，擬合的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相同。

分析4個(gè)監(jiān)測斷面地層條件，隧道開挖范圍地層均為上部粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，下部卵石圓礫；4個(gè)斷面上覆土層均為雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)經(jīng)過4個(gè)監(jiān)測斷面時(shí)參數(shù)控制基本相同，說明施工過程中由隧道開挖引起的地層損失量基本相同。從上文分析可知隨覆土厚度增大，地表最大沉降和地層損失率減小。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要為盾構(gòu)開挖所引起的地層損失量并未完全向上發(fā)展至地表，而是由于地層中的“成拱”效應(yīng)造成沉降向地表發(fā)展的程度不同。

5 結(jié)論

以新機(jī)場線9 m直徑土壓平衡盾構(gòu)施工引起的不同覆土厚度斷面(10～15 m)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了覆土厚度對(duì)地表沉降的影響，得出以下結(jié)論。

(1)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，相同盾構(gòu)施工參數(shù)下隧道上方測點(diǎn)最大沉降和地層損失率隨覆土厚度增大而減小，在成拱覆土厚度(12.7 m)存在變化速率改變。覆土厚度小于12.7 m時(shí)，隨著覆土厚度的增加，地表最大沉降的減小速率相對(duì)較大，覆土厚度大于12.7 m后，隨著覆土厚度的增加，地表最大沉降量的減小速率明顯減小。

(2)沉降發(fā)生的主要階段為盾尾脫出后，深埋隧道(覆土厚度超過12.7 m)和淺埋隧道(覆土厚度小于12.7 m)測點(diǎn)沉降穩(wěn)定時(shí)間有顯著的差異。深埋隧道測點(diǎn)沉降穩(wěn)定時(shí)間較短，約為2 d，淺埋隧道時(shí)間較長，約為4 d。

(3)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)施工影響范圍約為1.5倍盾構(gòu)直徑(15 m)，影響范圍與覆土厚度相關(guān)性不明顯，利用Peck公式對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合也得出了相同的結(jié)論。

(4)在相同土壓力及同步注漿量的條件下，隨著隧道覆土厚度的增加，通過地表沉降槽反算的地層損失率表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。