結(jié)構(gòu)性軟土地層中后掘進(jìn)隧道引起地表沉降計(jì)算分析與研究

高坤，柯宅邦，童智能，谷鈺，王飛，陶俊，陳小川

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 2300031；3.江西科技師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 引言

盾構(gòu)法隧道是當(dāng)前隧道行業(yè)較為先進(jìn)的地鐵隧道施工方法，已廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道修建。盡管盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境影響較小，但仍不可避免施工過(guò)程會(huì)擾動(dòng)鄰近土體，從而影響到鄰近構(gòu)筑物的安全使用。本課題組已提出了一種可以考慮先掘隧道影響的結(jié)構(gòu)性地層后掘進(jìn)隧道沉降預(yù)測(cè)方法。本文基于某城市地鐵工程項(xiàng)目地鐵站區(qū)間的雙線地鐵隧道工況，采用實(shí)測(cè)與擬合對(duì)比分析的方法，驗(yàn)證了上述預(yù)測(cè)方法的可行性，且基本可以反映盾構(gòu)后掘進(jìn)隧道在結(jié)構(gòu)性地層中的地表沉降規(guī)律，可為城市地鐵隧道工程建設(shè)提供一定的借鑒作用。

2 工程概況

某城市地鐵工程項(xiàng)目地鐵站區(qū)間為雙線地鐵隧道，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，區(qū)間總長(zhǎng)約為702.6 m，盾構(gòu)直徑6.34 m，隧道外徑為6.2 m，采用高強(qiáng)度鋼筋混凝土管片錯(cuò)縫拼裝，管片長(zhǎng)度為1.2 m，厚度為0.35 m，管片間采用高強(qiáng)度螺栓連接。隧道軸線埋深為13.13 m～18.4 m，主要穿越②2-2灰色淤泥質(zhì)黏土～③2灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂層。兩線隧道軸線間距為12m～13 m。區(qū)間剖面如圖1所示。各層地基土物理力學(xué)參數(shù)見表1。在圖1中，鉆孔揭示，場(chǎng)地范圍內(nèi)分布地基土為強(qiáng)度低、滲透性差、液性指數(shù)大、壓縮性大、孔隙比大、靈敏度較高的濱海沉積軟土，也是沿海城市地區(qū)典型的地層分布。

地基土物理力學(xué)參數(shù)表 表1

圖1 隧道區(qū)間地質(zhì)剖面圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為獲得地基土的不排水抗剪強(qiáng)度及靈敏度參數(shù)，在盾構(gòu)施工范圍內(nèi)進(jìn)行一系列十字板剪切試驗(yàn)。典型的十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在圖2中，C為不排水抗剪強(qiáng)度峰值，C′為殘余強(qiáng)度值，兩者之比定義為靈敏度參數(shù)S。由圖2可見，地基土不排數(shù)抗剪峰值強(qiáng)度C在17 kPa～38 kPa之間，土體強(qiáng)度低，地基土靈敏度參數(shù)S在4.5～6.5范圍內(nèi)，為靈敏性土。場(chǎng)地基本為高靈敏土。在前后盾構(gòu)掘進(jìn)鄰近土體經(jīng)受雙重?cái)_動(dòng)施工，土體強(qiáng)度將下降，地表沉降加劇。

圖2 典型地層十字板剪切試驗(yàn)

梁榮柱等指出在盾構(gòu)通過(guò)后7 d可以認(rèn)為地表不排水沉降與固結(jié)沉降的界限。后掘進(jìn)隧道通過(guò)后7 d地表沉降變形規(guī)律如圖3所示。由圖3可見，后掘進(jìn)隧道引起的地表位移沉降多為不對(duì)稱，存在“兩沉降槽”。這與杭州粉土地層盾構(gòu)隧道、臺(tái)北卵石地層隧道、曼谷硬粘土盾構(gòu)隧道、西安黃土地層盾構(gòu)隧道和武漢第三系黏土地層盾構(gòu)隧道地表沉降模式截然不同。這種現(xiàn)象的根本原因?yàn)閮伤淼乐虚g土體經(jīng)受兩次強(qiáng)烈擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)性軟土地層強(qiáng)度下降，地表位移急劇發(fā)展，導(dǎo)致先掘隧道一側(cè)地表位移發(fā)展大于后掘隧道上沉降量。沉降槽寬度系數(shù)k的取值對(duì)地表沉降影響范圍有重要影響。在已經(jīng)擾動(dòng)的地層中引起的地表沉降槽，其寬度較正常掘進(jìn)的窄，在本工程中假定后掘進(jìn)隧道中沉降槽系數(shù) k=0.3，沉降槽寬度 i=k×z。并假定虛擬隧道引起的沉降槽寬度為后掘進(jìn)的一半，即 k=k/2。

圖3 實(shí)測(cè)與擬合結(jié)果

4 數(shù)值擬合對(duì)比分析

根據(jù)課題組前期推導(dǎo)出的后掘進(jìn)隧道引起的地表沉降計(jì)算公式（1）對(duì)五個(gè)斷面實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果如圖3所示。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

擬合結(jié)果 表2

式中：S為地表位移，S原始地層中盾構(gòu)引起的地表位移，S受擾動(dòng)結(jié)構(gòu)性地層中額外的地表沉降，V與V分別為正常掘進(jìn)與虛擬隧道掘進(jìn)引起的土體損失率，i與i分別為正常掘進(jìn)與虛擬掘進(jìn)隧道地表沉降槽寬度，B為兩隧道的間距，z為隧道埋深。

由圖3可見，本文提出的考慮先行隧道擾動(dòng)的地表沉降方法，基本可以反映在結(jié)構(gòu)性地層中后掘進(jìn)隧道地表“雙沉降槽”沉降特點(diǎn)。實(shí)測(cè)及擬合結(jié)果顯示，先行隧道施工對(duì)后掘進(jìn)隧道的地表沉降曲線有顯著的影響：

①地表沉降曲線出現(xiàn)兩個(gè)沉降槽，且兩峰值點(diǎn)分別位于先后掘進(jìn)隧道軸線的正上方；

②除了斷面（4）外，其余斷面先行隧道上方的最大沉降值超過(guò)后掘進(jìn)隧道。表2擬合結(jié)果顯示，除了斷面（4）外，正常掘進(jìn)與虛擬隧道土體損失率基本相等，沉降槽寬度前者為后者的兩倍。

對(duì)比擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值，盡管本文方法得到的計(jì)算沉降槽寬度略小于實(shí)測(cè)值，但是總體上，本文方法基本可以反映盾構(gòu)后掘進(jìn)隧道在結(jié)構(gòu)性地層中的地表沉降規(guī)律，可為地鐵隧道建設(shè)提供一定的借鑒作用。

5 結(jié)論

本文基于某城市地鐵工程項(xiàng)目地鐵站區(qū)間的雙線地鐵隧道工況，采用實(shí)測(cè)與擬合對(duì)比分析的方法，驗(yàn)證了課題組提出的考慮先掘進(jìn)隧道擾動(dòng)影響的結(jié)構(gòu)性軟土地層中的后掘進(jìn)隧道地表沉降預(yù)測(cè)方法，并且發(fā)現(xiàn)本文方法與實(shí)測(cè)吻合較好，可以反映了后掘進(jìn)隧道引起“雙沉降槽”的沉降特點(diǎn)，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。