上海大直径盾构隧道施工引起地表沉降研究

黄 平， 李 林

(1.重庆电力高等专科学校， 重庆 400053； 2.同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092)



上海大直径盾构隧道施工引起地表沉降研究

黄 平1， 李 林2

(1.重庆电力高等专科学校， 重庆 400053； 2.同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092)

上海对于大直径隧道的需求不断增长，如何最大限度降低隧道施工对环境造成的影响已成为研究热点。以外直径为13.95 m的迎宾三路隧道为例，采用经验公式计算，并进行现场实测，研究在隧道穿越沉降敏感区和不良地质条件的情况下，由盾构隧道引起的地表变形控制。经验公式和实地观察表明，该区域体积损失应被控制在0.2%以内，可保证地表最大沉降量不超过10 mm；除容积损失在0.81%的情况外，沉降槽宽度系数预测值与测量值不具有较好的一致性，当用i=Z0去拟合隧道开挖过程中获得的数据，参数a在0.31～0.37区间，低于中小隧道建议值0.5，研究成果可供相关工程参考。

大直径盾构隧道； 地面沉降； 实地测试； 容积损失； 槽宽度参数

1 概述

为了满足上海人口和经济日益增长的需求，同时减少对环境的影响，地下交通设施被广泛建造，它对于解决大型城市交通问题非常有效。上海已经建成世界上第三长的城市轨道交通网络，其中大部分隧道是由盾构机建造。盾构法在安全性、方便性和施工速度上有很大的提高[1-3]，且对城市地区周围环境的影响较小，它被广泛的用于地下公路隧道施工。然而，由于不同的功能需求，公路隧道的直径趋于更大，例如，上海打浦路隧道是国内第一条水底公路隧道，也是第一条采用盾构法施工的隧道，其外径10.0 m，全长2761.0 m。地下隧道开挖不可避免地导致地面不同程度的运动和地表沉降，盾构沉降预测在近些年取得了大量的研究。其中大部分集中在小直径地铁隧道或大口径过江隧道的研究，此类隧道导致环境的影响相对较小，当大直径隧道通过一些重要的已有建筑物或在敏感的基础设施紧密推动过程中，势必引起地面变形。通常情况下，地面沉降可通过使用经验或半经验方法，分析方法和数值方法来估计。

本文旨在预测和减少使用盾构暗挖法大直径隧道开挖引起的地表沉降，以上海迎宾三路隧道为例，它由国内最大直径土压平衡盾构机(14.27 m)开挖而成。在施工过程中，盾构机将先后通过几个有地面沉降要求的敏感区域，该区域复杂的地质条件给这个工程带来严峻的挑战。通过对工程中112 m的试验区域表面运动监测数据进行监测和分析，并与经验估计值进行比较，阐述在隧道穿越沉降敏感区和不良地质条件的情况下盾构隧道施工引起的地表变形控制的关键问题。

2 工程背景

迎宾三路隧道是连接虹桥机场东西两侧最便捷的通道，是服务虹桥交通枢纽的交通网络显著主干道，该项目规划为双四车道，由两部分组成，连接道路和隧道。隧道全长2862 m，其中约1000 m明洞，1862 m是双层单圆盾构隧道，隧道直径14.27 m。该项目使用的盾构机由西轴推进，然后经过七莘路高架，在北横泾水路的桩基下驾车通过，进入虹桥机场地区的地下空间(机场跑道、滑行道和停机坪等)和101铁路，到达东部在迎宾三路接收轴，隧道衬砌的外径是13.95 m，衬环由9段组成，具有2.0 m的宽度和0.6 m的厚度，纵向轮廓和盾构隧道的标准断面如图1所示。

图1 纵向轮廓和盾构隧道的标准断面Figure 1 Longitudinal profile and standard cross-section of shield-driven tunnel

该地区土层主要为第四纪，具有灵敏度高，压缩性强，低强度，长时间稳定和超大沉降的特点，地下水位位于地面下方1 m之内，从75 m深的钻孔获得的岩土参数剖面图，如图2所示。其中： 层①是人工填土，层②～⑤是第四系全新统Q4沉积，层⑥～⑨是第四纪更新世Q3沉积。土压平衡盾构机穿过试验段是④T砂质粉土和⑤1粉质粘土，呈现出水分含量高的特性和强流可塑性，很难控制表层土壤的沉降[4，5]。

图2 典型的土壤剖面图Figure 2 Typical soil profile diagram and geotechnical parameters

3 实证方法和估算

在工程实践中使用最广泛的经验公式是由佩克提出的，它假定在横向地面沉降槽可以由一个高斯分布曲线，如图3所示。可以推导出：

(1)

式中：SX为从隧道中心距离X地面沉降，m；Smax为在垂直隧道轴线上的最大地表沉降，m；i为槽宽度参数，从隧道中心到拐点的距离，m。

引起隧道沉降的被定义为“体积损失”(Vl)，这种表示为名义上的隧道挖掘量百分比，通过公式(1)，Smax和Vl之间关系式可以改写为：

(2)

式中：D为隧道直径，m，对于给定的隧道直径，沉降曲线的大小和形状，仅仅依赖于体积损失Vl和槽宽度i。

图3 佩克的横向地表沉降槽Figure 3 Transverse ground surface settlement trough in Peck formulation

对于槽宽度系数i的许多估计表达式被提出了，一般情况下，分为3类：

①i与土壤条件(φ)和隧道深度(Z0)有关，形成i=f(φ,Z0)，式(3)被克诺特提出，其中，φ是摩擦角的土壤；

②i与隧道半径和深度相关联，形成i=Ra(Z0/2R)n或i=a(bZ0+cR)，式(4)被克拉夫提出；

③i仅仅与隧道深度有关联，形成i=aZ0+b,式(5)被奥赖利提出，参数a，b，c和n是恒定的。

(3)

i=R(Z0/2R)0.8

(4)

i=aZ0

(5)

诸多学者研究表明，在上海a=0.5是合理的，假设体积损失在0.1%～0.5%之间，最大地表沉降量可以用式(2)～式(5)来估计，如表1中所示。

表1 不同体积损失下的最大沉降值预测Table.1 Predictionofmaximumsurfacesettlementsbydif-ferentvolumelosses槽宽度系数i/m最大沉降量Smax/mmVl=0.1%Vl=0.2%Vl=0.5%公式(3)12.15.110.225.5公式(4) 9.76.312.431.5公式(5)10.5,a=0.55.911.829.5

由于，机场滑行道和跑道的区域可允许的表面沉降不超过10mm，可以得出结论，体积损失应被控制在0.2%之内，来满足机场区域严格沉降要求，然而，广泛应用于以上3种经验关系式的是隧道直径小于10m，对于大直径隧道，这些表达式的适用性和有效性有待仔细评估。

4 现场测量和测试结果

4.1 现场测点布置

为了降低隧道施工对环境的影响，达到最佳的挖掘参数，在盾构机进入进场临界区之前，进行了相关的测试。本次研究，只研究地表沉降和施工参数，例如土压力、注浆量和压力之间的关系[6，7]。图4为在横向和纵向方向上的地面表面上的测量设置，四横面H90、H93、H96、H99是监测地表沉降的横向变形，每一个横截面在距离隧道轴线3、7、11、15、19、24、30、36 m各布置一个测点，H90代表隧道的第90圈，环宽2 m。

图4 迎宾三路隧道现场试验的测量设置Figure 4 Measurement setup in the field test of Yingbin San Road tunnel

4.2 施工参数

在现场试验中，对土壤室的支撑压力，注浆量和注浆压力进行了调整，调查施工参数对地表沉降的影响，图5是土壤室和盾尾注浆管道的传感器布局，1#土压力的支撑压力系数通过总应力法被估计。

图5 土壤室和盾尾注浆管道的传感器布局Figure 5 Layout of soil pressure cell and grouting pipes

在工程实践中，总注浆量实际是理论注浆量的1.2～1.4倍，此次注浆工程中，理论注浆量应为14.2 m3，注浆过程记录仪显示，6个管道的总注浆量由第74圈的17.5 m3增加到第90圈的21.3 m3，如图6所示。前3个管道之间的注浆比例为2.5∶1(1#、5#、6#)，另外的三个注浆管(2#、3#、4#)被定期封锁，在正常情况下，注浆泵压力控制在0.5 MPa以内。允许的最大注浆压力为0.8 MPa，而注浆泵的压力不与数值模拟假定的分布式注浆压力相同。

4.3 测试结果

现场监测开始时，盾构机通过第76圈，并在第123圈结束，到初始开挖面相应的距离分别是152 m和246 m，在隧穿过程中，支撑压力系数被设定为0.78，在盾构机到达地91圈之前(第86圈正在组装)，它增加到0.86之后，若空间是有限的，在横向方向上选择横截面H90和H96的监测数据进行分析(见图6)。

图6 1#测点支撑压力系数和注浆总量以及测量的最大沉降量Figure 6 Coeifficient of supporting pressure (1#), total grouting volume and the measured Smax

图7是横截面H90开挖第14步的地表沉降曲线，可知：H90的表面沉降增加至50.74 mm，之后，表面沉降逐渐趋向于稳定，偶尔出现微小反弹，当机器通过第106圈时，反弹量大约是4 mm，当盾构机通过第123圈时，最大沉降量是53.29 mm，观察沉降槽实测曲线的对称性，可看出，它与隧道中心线近似对称，隧道监测点上的沉降右侧比左侧的大，在所有的观测截面，这是一种常见现象，可能与盾构机的旋转方向有关，从测得的数据可大致推出，盾构刀盘逆时针旋转，此外，还有明显的“起伏”现象。

图7 横截面H90开挖第14步的地表沉降曲线Figure 7 Monitored surface settlement trough at cross-section H90 for 14 driving steps

图8是横截面H96开挖第14步的地表沉降曲线，可知，当盾构机通过第123圈时，最大沉降量仅为26.05 mm，比在H90时小得多，经分析，由于隧穿过程中，注浆压力和注浆量在H96处比H90处有所增加，这也导致了H96处明显的隆起现象。

图8 横截面H96开挖第14步的地表沉降曲线Figure 8 Monitored surface settlement trough at cross-section H96 for 14 driving steps

图9是4个横截面最大地表沉降测量曲线图，在实际掘进过程中，当盾构机到第90圈时注浆管被堵塞，注浆压力和注浆量的短缺导致在H90处的最大沉降量与盾构机通过第123圈时的沉降量一样，均为53.29 mm，随后，注浆管路被修复，到下一个圈时，注浆压力和注浆量逐渐升高，导致在H93、H96、H99处的最大下沉值减小，在H99处的最大下沉值是11.02 mm。

图9 4个横截面最大地表沉降测量曲线图Figure 9 Olution of measured maximum surface settlement at four crosssections

图10是在纵向方向上测量的3个开挖步骤的表面沉降。可知，各个曲线具有相似的形状，不同的是，图10的最大下沉值比图7的预测值大35.1%，在理论上，每一步的沉降曲线应显著不同，在工程实践中，当盾构机向前推进过程中，施工参数实际发生着变化，最终沉降曲线与预测的不同。监测数据表明，当盾构机从H100到H119时，地表沉降基本保持不变。根据注浆过程记录，在H100～H119的施工过程中，施工过程非常好，施工速度几乎达到每天7圈，施工过程中的完美控制，或许导致几乎不变的地表沉降。对比图6的H81和H99隧道轴线上的地表沉降测量曲线可知，当k0和注浆参数处在一个表较低的水平(#81 — #85)，地表沉降不断增加，而后k0提高到一个较高的水平k0=0.86(#86 — #90)，地表沉降值继续增加，但速度放缓，最后，当注浆量和压力也上升到一个更高的水平(#91 — #100)，地表沉降开始逆转，这证实了注浆对地表沉降作用影响大于工作面压力。

图10 纵向方向上测量的三个开挖步骤的表面沉降Figure 10 Measured surface settlement in longitudinal direction at three excavation steps

5 经验预测与现场实测对比

图11是盾构机经过第123圈时横截面H90、H93、H96、H99的沉降曲线，4个红色的实线代表其相应的高斯拟合曲线。根据方程(2)，图11中的每条曲线的最大沉降值Smax、槽宽度系数i和体积损失Vi可以被估计，计算结果如表2所示。

图11 最后开挖时的地表沉降槽和高斯拟合曲线Figure 11 Measured ground surface settlement trough at last excavation step and their gaussian Fitting curves

由表2可知: 仅在横截面H99处的体积损失低于0.2%，修正的最大沉降量被控制在10 mm左右，这与经验估计值一致，相对比较高的H90处的体积损失为0.81，表明，较差的施工控制会产生较高的体积损失[8]。

表2 现场测量的体积损失Table.2 Calculationofvolumelossesfromfieldmeasurements槽宽度系数i/m最大沉降量Smax/mm修正值Smax/mm体积损失VlH909.254.152.30.81H937.844.642.70.57H966.528.424.80.30H996.515.410.20.16

对比表1和表2可知: 槽宽度的经验参数和实测值的一致性较差，通过公式(4)，得到最小槽宽度系数为9.7 m，非常接近H90处获得的最大的估计值9.2 m，采用公式(4)来拟合从H93～H99处获得的槽宽度系数，得到参数a在0.31～0.37范围内，低于中小隧道建议值0.5。

6 结论

① 现场测试可知：开挖面的支撑压力和注浆压力在大隧道隧穿过程中是重要的参数，并且注浆压力对于地表沉降的作用更明显。

② 经验公式和现场观测表明：在机场区域，体积损失应控制在0.2%以内，以保证最大表面沉降不超过10 mm，然而槽宽度的经验参数和实测值的不具有较好的一致性，当用i=Z0去拟合隧道开挖过程中获得的数据，参数a在0.31～0.37区间，低于中小隧道建议值0.5。

[1] 郭玉海.大直径土压平衡盾构引起的地表变形及掘进控制技术研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[2] 戴洪伟.瘦西湖超大直径盾构隧道施工对周边环境影响分析[J].隧道建设,2015(04):316-321.

[3] 路建民,张艳.盾构穿越桥桩区施工技术研究[J]. 施工技术,2016(10):108-112.

[4] 孙立光,杨朝帅.软土层小净距顶管隧道施工地表沉降研究[J]. 低温建筑技术,2016(05):147-149.

[5] 杨兵明,刘保国.地铁列车循环荷载下软土地区盾构隧道长期沉降分析[J]. 中国铁道科学,2016(03):61-67.

[6] 王道远,袁金秀,李现者,等.水下双线盾构管廊施工过程参数优化[J]. 公路工程,2015(01):43-47.

[7] 夏怡,刘晖峻.考虑桩基效应时地铁隧道开挖引起的地表沉降计算[J]. 公路工程,2015(04):238-244.

[8] 冯宇.既有隧道下的隧道施工引起的沉降评价[J]. 公路工程,2014(04):231-235.

Study on Surface Subsidence Caused by the Construction of Large Diameter Shield Tunnel in Shanghai

HUANG Ping1, LI Lin2

(1.Chongqing Electric Power College, Chongqing 400053, China; 2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Shanghai rising demand for large diameter tunnel, how to minimize the tunnel construction the effects on the environment has become a hot research topic. Outside diameter of 13.95 m welcome three road tunnel as an example, by empirical formula, and field measurement, research on tunnel subsidence under the condition of sensitive area and bad geological condition, caused by surface deformation control of shield tunnel. Empirical formula and field observations show that the regional volume loss should be controlled within 0.2%, ensures maximum ground settlement is less than 10mm; Besides volume loss in 0.81% of the time, the settlement trough width coefficient of predicted values and measured values are not have good consistency, whenI=Z0to fitting the data obtained from the tunnel excavation process, the parameters within the range of 0.31 to 0.37, lower than the small and medium-sized tunnel suggest a value of 0.5, research results to provide a reference for the related engineering.

large diameter shield tunnel; land subsidence; field testing; volume loss; groove width parameter

2016 — 06 — 20

国家自然科学基金资助项目(41272288)

黄 平(1984 — )，男，四川岳池人，硕士，讲师，一级建造师，主要从事工程管理、隧道工程的教学与研究工作。

U 455.43

A

1674 — 0610(2016)05 — 0156 — 05