富水卵漂石地层盾构隧道地表沉降特征试验分析

孟庆明+唐黎明+林富志+房师涛



富水卵漂石地层盾构隧道地表沉降特征试验分析

孟庆明+唐黎明+林富志+房师涛

摘 要：卵漂石地层周围岩土介质具有高度非线性的特点，导致盾构施工引起地表沉降规律与软土地区盾构引起的沉降规律有着明显不同。文章基于成都地铁4号线西沿线土压平衡盾构隧道区间的地表沉降的实际观测数据，对地表沉降的横向沉降变形规律和横向沉降槽进行分析，对比软土地区盾构隧道地表沉降槽特性，分析了卵漂石地层盾构隧道地表沉降曲线，总结了富水卵漂石盾构隧道地表沉降槽窄而深的特点。

关键词：盾构隧道；卵漂石地层；地表沉降；特征分析

孟庆明：中水电成都建设投资有限公司，高级工程师，四川成都610212

0　引言

关于盾构隧道穿越各种地层地表沉降规律，国内外学者已做了不少有益的探索。如，冯超［2］以黄土地区某城市地铁区间隧道盾构施工工程为依托，通过理论分析、数值模拟、现场实测的方法，研究了盾构隧道施工时地表沉降的规律。吕培林［3］基于软土地区地铁隧道地表沉降观测数据，分析了地表沉降发展的时间历程、施工各阶段沉降量所占比例及地面沉降槽的特征。姜忻良［4］假定由于隧道开挖在地表以下土层所形成的沉降槽的体积等于地层损失，以及各土层沉降槽曲线仍可用正态分布函数表示，提出用于计算不同深度土层沉降槽曲线宽度系数的公式。滕丽［5］、蔡真［6］以成都砂卵石地层土压平衡盾构掘进施工为研究背景，结合地表观测数据、采用PFC2D 二维颗粒流程序和 Plaxis3D 有限元软件对盾构施工产生的地表沉降特征进行了数值模拟，获得了盾构隧道穿越砂卵石地层的失稳机制。王振飞［7］通过对北京富水砂卵石地层泥水盾构隧道施工产生的地表沉降和地下深部土体水平位移的实测值进行分析，得出盾构隧道施工引起地层变形的规律。可见，各位学者研究盾构法施工在软土中引起的土层移动规律和地表沉陷的研究较为深入，但针对盾构隧道穿越富水卵漂石地层引起地表的具体沉降特征的研究非常有限。

本文依托成都地铁4号线西沿线土压平衡盾构区间工程，利用地表沉降的实际观测数据，对地表沉降的横向沉降变形规律和横向沉降槽进行分析，通过对比软土地区盾构隧道地表沉降槽特性，分析卵漂石地层盾构隧道地表沉降曲线，揭示了富水卵漂石盾构隧道地表沉降槽窄而深的特点，为地表沉降监测提供依据。

1　工程概况

成都地铁4号线西沿线为连接市区至西部温江区的线路，全长10.8 km，全线共设8站8区间，盾构区间6个，盾构隧道长度6.7 km，盾构区间平面图如图1所示。区间采用海瑞克土压平衡盾构机施工，螺旋输送机最大出渣能力400 m3/h，最大通过粒径340 mm×560 mm，采用正反旋转，最大扭矩210 kN·m。设置3道闸门以及9个渣土改良注入口，隧道主线最大纵坡25‰，最小曲线半径为300 m，区间最小埋深约9.7 m，最大埋深约15.5 m。

根据地质勘察报告，盾构区间隧道所穿越的地层以 〈2-9-3〉 卵石土（密实）、〈3-8-3〉 卵石土（密实）为主。区间地质纵断面图见图2，穿越段由上往下地层的主要物理力学性质指标见表1。地层中漂石含量5%～20%，粒径一般为20～40 cm，地质勘察探坑所揭露漂石的最大长度为57 cm，最大抗压强度高达170 MPa，破碎困难。

成都区间地下水季节性变化明显，水位总体规律是水位西北高、东南低，沿河一带高，河间阶地中部低的特点。地表水以河流为主，地下水主要为第四系孔隙潜水，其补给源主要为大气降水，测得地下水位埋深一般4.30～15.60 m。

图1　盾构区间平面图

2　地表沉降理论分析

2.1地表沉降因素

结合国内外盾构隧道施工的成功经验，隧道施工应依据隧道断面尺寸、隧道埋深和地层特征综合考虑。研究者们认为造成地表沉降的主要原因是隧道的开挖对地层的扰动，因此，引起的地层损失和受扰动土体重新固结使地层产生移动［9］。其中 Lee 和 Mair 将影响地表沉降原因进行了归纳［10］，总结为如下5个方面：

（1）在降水过程中，地下水位下降，土体有效应力增加，引起土层压缩变形；

（2）开挖面土体移动，破坏了原来的地层应力平衡状态；

（3）注浆不充分或不够、盾构机壳移动与地层的摩擦和剪切作用、盾构推进方向的改变等造成地层损失；

（4）盾体本身变形或盾构机自身振动导致土体压密；

（5）隧道衬砌变形，以及长期次固结沉降。

2.2地表沉降变形机理

2.2.1地表沉降横向变化规律

隧道开挖引起的地表沉降曲线一般被称为“沉降槽”，表征了隧道开挖过程中地表位移的形态。1969年Peck 第一次提出了地层损失的概念，并建议用 Gauss 分布函数，即 Peck 公式来描述盾构法施工引起的地表沉降［11］。Peck 认为隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，沉降槽体积等于地层损失的体积，地面沉降横向分布可采用正态分布曲线来描述，由式（1）～（4）和图3表示（图中 W 沉降槽宽度）：

式（1）、（2）中，x 为距隧道中线的距离，m；Smax为隧道中线处最大地面沉降，m；Vs为盾构隧道单位长度地层损失，m3/m；Sx为距离隧道中线处的地表沉降，m；i 为沉降槽的半宽度，m；r0为盾构机外径，m；Vl为地层体积损失率；R 为计算半径，m；φ 为土的内摩擦角，°；Z 为地面距离隧道中心深度，m。

图2　盾构区间地质纵断面图

表1　地层参数表

图3　沉降槽横向分布图

2.2.2地表沉降纵向变化规律

地表沉降纵向规律既能够体现开挖区间的地层情况，也能显示出对盾构施工的控制水平。大量学者研究表明，地表纵向变形分为5个阶段［13］，如图4所示。有学者认为式（5）的指数曲线函数可以模拟隧道轴线地表沉降的历时关系：

图4　地表沉降纵向变化历时曲线

式（5）中，Sy为隧道轴线上的最大沉降值，mm；A、B、y0、S0为回归参数；y 为距开挖面的距离，m。

3　卵漂石地层地表沉降特征试验分析

3.1地表沉降监测点布设

土压平衡盾构穿越成都地区富水卵漂石地层的地质条件变化多样，地层岩土的物理力学性质也异常复杂，而前期的地质勘察数量少、局限性大，因而对地质条件和岩土介质的物理力学性质的认识存在许多不确定性和不完善性。针对本区间的特殊地段，进行必要的施工监测是保障施工顺利开展，避免重大安全事故的前提，监测内容主要包括：地表沉降、邻近建筑物、构筑物的沉降与倾斜、外表观测、各联络横通道施工监测。而隧道轴线地表沉降量可以反映盾构施工参数配置是否合理，隧道轴线的地表沉降监测显得尤其重要。本工程根据国家相关的地下铁道、轨道交通工程测量规范开展监测工作，考虑盾构始发区段的特殊性，横向沉降监测断面在盾构始发100 m 内均匀设10个，间隔为10 m，隧道轴线上方其他地区隔30 m 设1处横向监测断面；每个横断面7点，隧道轴线上方设1监测点4，监测点4左右各设置间距为3 m 的监测点3和5，监测点3的右方设置间距为3.5 m 的监测点1和2，监测点5的左方设置间距为3.5 m 的监测点6和7，监测点布设如图5所示。

图5　隧道断面地表变形监测点布置图（单位：m）

3.2地表沉降横向变化特征分析

横向地表沉降因离隧道掘进轴线远近不同而存在较大差异，当盾构未掘进至监测断面下方的开挖面时，地表存在略微隆起现象，原因是后方盾构机向开挖面掘进时，盾构机产生的顶推力使得前方地表出现隆起；当盾构抵达开挖面时，地表沉降开始逐渐发展，待盾构通过开挖面后，土体之间的黏聚力和相互作用力减小，隧道掘进引起的滞后沉降明显，沉降值有较大变化；之后沉降值仍旧持续变化，但变化幅度较小，沉降值逐渐趋于稳定状态。本工程选取了 DB19988监测断面作为代表，土压平衡盾构隧道穿越富水卵漂石地层隧道轴线上方横向地表沉降历程如图6所示。

由图6可见，盾构掘进后15天地表沉降最大值为21.32mm，出现在隧道轴线上方，沉降主要分布在隧道轴线2D（D 为隧道直径）范围内，沉降槽曲线非对称，与地层分布的不均匀性有关。

利用 Peck 公式拟合盾构掘进后15天的数据，地层损失率为0.5%，沉降槽宽度参数0.2，拟合的结果显示在距离隧道轴线1D 左右的数据与实测数据基本相符，沉降槽具有窄而深的特点，距离隧道轴线1D～2D 之间的拟合沉降值小于实际监测值，如图7所示。

3.3地表沉降纵向变化特征分析

纵向地表沉降可以明显反应出土压平衡盾构隧道穿越富水卵漂石地层地表沉降的变化特征，对本工程DB19988断面沉降点的纵向沉降历程数据进行统计分析，发现位于隧道轴线上方的测点4的累计沉降值最大，离隧道轴线越远测点的累计沉降值依次呈减小的趋势，与地表横向沉降槽特征相符。距离开挖面距离为0 m 时，累计沉降陡增，在距离开挖面0～10 m 之间累计沉降增加最为明显。DB19988断面测点纵向沉降历程如图8所示。

同时，对 DB19988断面正上方地面纵向沉降曲线进行了拟合，如图9所示，结合式（5），利用非线性最小二乘法进行回归分析，可得到适应本工程及成都地区富水卵漂石地层条件下的盾构隧道施工工艺参数的具体取值范围：A = -13～-21 mm，B =0.04～0.08，S0= -2～-7 mm，y0=0～10 m。

图6　DB19988断面处地表横向沉降槽发展历程

图7　盾构通过后DB19988地表沉降变形槽

图8　DB19988断面测点纵向沉降历程

图9　DB19988断面正上方地面纵向沉降历程拟合曲线

3.4地表沉降历程

根据一般的盾构隧道施工经验，盾构掘进后的滞后沉降将占地表总沉降的25%～40%［14］，而通过对本工程地表沉降观测数据的整理分析，发现其滞后沉降量所占比例较其他地层隧道掘进产生的地表沉降大，其中滞后沉降的沉降量占到了69.75%。由于滞后沉降至今仍然没有结束，本工程中滞后沉降占最终总沉降量的比例应该更大。盾构推进各阶段地表沉降占目前总沉降比例如表2所示。

4　结论

本文通过对富水卵漂石地层土压平衡盾构地表沉降数据进行对比分析，结合地表沉降理论，从横向、纵向地表沉降特征入手，研究了地表沉降历程，并探讨了纵向沉降理论曲线的范围取值。研究表明：

（1）盾构隧道掘进过程中，富水卵漂石地层的地表沉降仍可分为5个阶段，盾构通过后的滞后沉降最大；

表2　各阶段地表沉降占总沉降比例

（2）隧道横断面影响范围为2D；

（3）盾构穿越富水卵漂石地层时地表沉降槽呈现窄而深的特点，Peck 公式可以拟合富水卵漂石地层盾构隧道施工引起的地表沉降槽曲线；

（4）盾构掘进引起的地表纵向变化经历4个阶段：微小变形—变形急剧增大—缓慢变形—变形基本趋于稳定，建议在施工期间加强监测；

（5）富水卵漂石地层地表监测预警值、报警值的上限应当根据工程性质确定，避免使用常规软土地区沉降规范标准致使施工过程中经常暂停施工，减少因为停机造成地表坍塌影响施工过程。

参考文献

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［4］ 姜忻良，赵志民，李园. 隧道开挖引起土层沉降槽曲线形态的分析与计算［J］. 岩土力学，2004（10）.

［5］ 滕丽，张桓. 盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析［J］. 岩土力学，2012（4）.

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［14］ 张志勇. 盾构施工对周围环境影响研究综述［J］. 现代隧道技术，2002（2）.

责任编辑 朱开明

Test and Analysis of Ground Surface Settlement Characteristics under Shield Tunneling of Rich Water Content Cobble Stratum

Meng Qingming, Tang Liming, Lin Fuzhi, et al.

Abstract:The cobble stratum surrounding rock and soil has highly nonlinear characteristics, leading to a markedly difference of surface subsidence patterns in shield tunneling and settlement patterns caused by shield excavation in soft soil area. Based on the actual observation data of ground surface settlement along the line in the west of the earth pressure balance shield tunneling of Chengdu metro line4, the paper makes analysis on the surface settlement of transverse settlement deformation pattern and transverse settlement trough and comparison of ground surface settlement slot characteristics by shield tunneling in soft soil area, ground surface settlement curve by shield tunneling in cobble stratum, and it summarizes the characteristics of ground surface settlement with narrow and deep trough in rich water content cobble by shield tunneling.

Keywords:shield tunnel, cobble stratum, surface settlement, analysis on characteristics

中图分类号：U231.3

收稿日期2016-01-20