南京河西地区地铁盾构隧道不均匀沉降分析

张书丰，高永，孙泽信

南京河西地区地铁盾构隧道不均匀沉降分析

张书丰1，高永2，孙泽信3

(1.南京地铁集团有限公司，南京210008;2.南京地铁资源开发有限责任公司，南京210012; 3.中设设计集团股份有限公司，南京210014)

依托实测资料，发现南京河西地区某盾构隧道已经形成多个不均匀沉降槽、地面沉降主要发生在软土层、②－4土体地下水位具有呈现正弦函数规律的季节性波动，通过构建的盾构隧道沉降计算公式及典型案例，解释了盾构隧道不均匀沉降是由不均匀分布的下卧软土与外部影响因素共同作用所造成，明确了地下水位的下降对盾构隧道沉降影响最为显著，外部基坑施工影响次之，地表堆载影响较少。

城市轨道交通;隧道沉降;下卧层软土;地下水位;外部施工

盾构隧道因技术成熟、施工对周边环境影响小、造价较低等原因，在南京地铁建设中得到广泛应用。但由于河西地区邻近长江、地下水丰富、土层软弱，盾构隧道运营后纵向发生了较大的不均匀沉降;过大的不均匀沉降已经造成隧道出现了管片裂缝、崩角掉块及渗漏等病害，情况进一步恶化将会危及轨道交通的运营安全。

目前国内有关学者对软土地层盾构隧道沉降进行了有关研究。孟刚［1］提出盾构施工对地层的扰动、隧道邻近建筑活动的影响、长期列车振动的作用以及持续不断的大地沉降，隧道很容易发生渗漏和不均匀沉降;姜洲等［2］、宁茂权［3］研究了列车荷载对盾构隧道沉降的影响;张宇旭等［4］研究了地表堆载对盾构隧道沉降的影响;刘国彬等［5］通过室内试验及现场监测对地下水开采引起的盾构隧道长期沉降进行了研究;狄宏规等［6］对南京地铁1号线西延线地铁结构不均匀沉降产生的原因进行了研究。本文以实测资料为基础，通过构建盾构隧道沉降计算公式，对影响盾构隧道沉降的因素进行了定量研究，得出结论:地下水位的下降对盾构隧道沉降影响最为显著，外部基坑施工影响次之，地表堆载影响较少。

1 河西地区盾构隧道

1.1 盾构隧道设计参数

隧道外径6.2 m，内径5.5 m，壁厚0.35 m，环宽为1.2 m，管片的环与环、块与块间均以机械性能等级为5.6级的M30弯螺栓连接错缝拼装，管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级为1.0 MPa。

1.2 沿线地质概况

河西地区某盾构隧道地层自上而下大致可分为①－1及①－2b填土层、②－1b2－3漫滩硬壳层、②－2b4漫滩淤泥质粉质黏土、②－3b3－4漫滩淤泥质粉质黏土、②－3c2－3漫滩冲积粉质黏土、②－3d2－3漫滩冲积粉细砂、②－4d2－1漫滩冲积粉细砂，局部存在断层。盾构隧道主要坐落于②－3及②－4土层中，详见图1。

图1 运营盾构隧道地质剖面Fig.1 Geological profile of operating shield tunnel

2 河西地区监测成果

2.1 盾构隧道长期沉降监测

盾构区间通车运营以来，每3个月观测1次，截至2015年12月，隧道已经实施长期沉降监测20期，考虑隧道上下行线中心线相距约17 m，上下行线隧道沉降变化规律基本一致，文中仅以下行线隧道沉降作为分析对象，隧道不同时段沉降曲线见图2。

从图2可以清晰明显看出，盾构隧道已经形成了11个沉降槽，沉降曲线与隧道下卧软土层分布曲线相似，其中6个沉降槽周边现在或曾经存在物业开发，截至数据统计节点，其中8个沉降槽不均匀沉降已经超出规范控制值［7 8］。

图2 盾构隧道沉降曲线Fig.2 Settlement curve of shield tunnel

2.2 地下水位监测

2006年9月至2009年8月，相关单位针对河西地区布设了12处共18个地下水位监测井，其中②－2层布设了12口井，②－3层布设了3口井，②－4层布设了4口井，本文仅对邻近盾构隧道的6口地下水位观测井进行统计与分析，详见图3。雨润路口HXS11、实验学校HXS5、集庆门西HXS6、审计学院HXS4观测了②－2层地下水位的变化，审计学院HXS14观测了②－3层地下水位的变化，雨润路口HXS18观测了②－4层地下水位的变化。

图3 盾构隧道附近地下水位及分层沉降观测孔Fig.3 Observation of underground water level and layered settlement in shield tunnel

盾构隧道沿线自然标高约在7.0～8.0 m附近(吴淞标高)，观测期间②－2层、②－3层水头标高约在地下2.0～3.0 m，且标高基本维持不变，②－4层(弱承压水层)水头标高在地下5.0～9.0 m，标高存在明显的季节性变化，总体上呈现正弦函数的波动规律，一般在12月水头标高降至最低点，在9月达到最高点，年波动幅度约4.0 m，详见图4。

图4 地下水位变化曲线Fig.4 Groundwater level change curve

2.3 土体分层沉降

同地下水位监测，相关单位同时针对河西地区开展了12孔土体分层沉降监测，其中雨润路口、实验学校、工艺厂、审计学院土体分层沉降观测点分布于盾构隧道附近。观测时间段均在地铁运营之前，其中工艺厂分层沉降观测点受地铁建设施工影响较大，文中未对其进行统计与分析。

经统计雨润路口、实验学校、审计学院3个土体分层沉降孔得出，软土层沉降量占地层总沉降量的57.5%～88.5%，详见表1，说明地面沉降主要发生在软土层。

表1 典型监测孔分层沉降统计Tab.1 Stratified settlement statistics of typicalmonitoring holes

3 河西地区隧道沉降

3.1 隧道沉降与下卧软土层厚度的关系

从机理上讲，盾构隧道沉降即为下卧土层的沉降，任意里程处盾构隧道沉降如下:

式中:Δσi为隧道下卧第i层土体的有效附加应力，hi为隧道下卧第i层土体的厚度，Esi为隧道下卧第i层土的压缩模量。

结合河西地区土体分层沉降实测成果，地层沉降主要发生在软土土层，假定盾构隧道沉降即为下卧软土层的沉降，且在不考虑列车循环动荷载对下卧软土长期振陷的影响前提下，根据弹性力学线性荷载Boussinesg公式及广义虎克定律，对式(1)进行如下简化: i

式中，Es为隧道下卧软土的压缩模量，h为隧道下卧软土层厚度，P、h0为地层表面附加线性荷载及隧道底埋深，k0、Δδ、γ为隧道下卧软土静止侧压力系数、侧压力系数折损、有效重度，γw、H为水的重度及地下水位降深，k为外部影响的修正系数。

3.2 外部影响分析

结合类似漫滩地区地铁保护实践［911］，盾构隧道沉降外部影响因素主要为地表堆载、外部基坑土体卸载及地下水位变化，为了进一步定量分析各种因素的影响程度，选取图1所示勘察孔为典型剖面(见图5)，各土层参数详见表2。

图5 河西地区盾构隧道典型地层剖面Fig.5 Typical section of shield tunnel in Hexi Area

表2 各土层物理力学性质指标Tab.2 Physical and m echanical properties of soil layers

假定典型剖面下卧软土层(厚度为1.0～10.0 m)隧道底以上土层分布及参数不变，运用公式(2)，分别计算了地表堆土2 m、外部基坑土体卸载造成隧道下卧软土层侧压力系数折损10%、地下水位下降2.0 m 3种影响因素的盾构隧道沉降量，详见图6。对应上述3种影响因素，隧道沉降量分别为0.3～2.2 mm、1.2～12.2 mm、6.0～59.8 mm，说明地下水位的下降对盾构隧道沉降影响最为显著，外部基坑施工影响次之，地表堆载影响较少。

图6 外部影响下盾构隧道理论沉降Fig.6 Theoretical settlement of shield tunnel under external influence

4 典型案例

4.1 地下水变化单项影响案例

4.1.1 项目概况

以盾构区间3为研究对象，该区间隧道周边相继实施3个大规模的物业开发，物业开发项目1与项目2分别于2012年12月与2012年3月完成降水及地下结构施工，项目3于2015年12月份进行基坑土建施工，项目平面见图7。

图7 地铁盾构隧道与外部项目关系Fig.7 Metro shield tunnel and external project plan

项目2基坑平面尺寸为240 m×59 m，基坑支护设置φ1 200@1 400钻孔灌注桩、φ650@1 100三轴深搅桩、3层砼支撑加1层钢管支撑，邻近地铁侧钻孔灌注桩深40.2 m，止水桩深27.0 m，基坑开挖深度18.7 m，距地铁隧道结构外边线最近52.9 m，基坑底比隧道顶低2.7～3.6 m。项目于2009年9月至2011年3月实施了坑内外降水施工。

4.1.2 施工降水对隧道沉降的影响

项目2坑内外降水期间，造成区间隧道沿着下卧软土层发生了明显的不均匀沉降，详见图8，最大沉降量约达90 mm，沉降槽长度约800 m;降水管控后，隧道沉降变化速率得到了有效抑制。

图8 基坑降水影响下隧道沉降曲线Fig.8 Settlement curve of tunnel under the influence of foundation pit dewatering

4.1.3 地下水位季节变化对隧道沉降的影响

根据盾构隧道沿线水位观测资料，②－4土层地下水位出现了明显的季节性正弦函数变化规律。为了分析盾构隧道沉降随地下水位的季节性变化规律，在项目1、项目2施工完至项目3施工前，分别选取K4+ 835(隧道下卧软土层厚度最大)、K5+405(隧道完全坐落于粉细砂层)作为典型断面进行研究。

2012年12月至2014年12月期间，盾构隧道下卧软土层断面及粉细砂断面，盾构隧道沉降速率出现了类似于②－4土地下水位所呈现的季节性正弦函数规律，详见图9，波动周期为1年，下卧软土层断面振幅明显大于粉细砂断面，沉降速率于3月最大，9月最小(略呈现隆起趋势);2014年12月至2015年12月期间，类似波动的规律不够显著，因缺乏同时段地下水位实测数据，具体原因暂无法给予准确的分析。

图9 典型断面沉降及沉降速率曲线Fig.9 Typical section settlement and settlement rate curve

4.2 外部综合影响案例

4.2.1 项目概况

以盾构区间2为研究对象。区段周边于2012年3月至2015年10月存在超大规模的物业开发，项目面积为9万m2，地面密集开发10幢超高层建筑，建筑高度为100～200 m，总建筑面积为70万m2，地下设满堂4层地下室，最大开挖深度达22.75 m。该物业开发在平面上因地铁隧道及地表景观河道分4个独立区域进行施工，详见图10，Ⅰ区基坑面积约1.13万m2，Ⅱ区基坑面积约0.85万m2，Ⅲ区基坑面积约3.1万m2，Ⅳ区基坑面积约0.73万m2，并按Ⅰ区、Ⅱ区→Ⅲ区→Ⅳ区3个阶段进行基坑施工。

图10 地铁盾构隧道与外部项目平面Fig.10 Metro shield tunnel and external project plan

基坑采用顺作法施工，支护设计采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护体，地下连续墙厚度为1.0～1.2 m(邻近地铁侧1.2 m)，深度约65 m，且入中风化岩不少于1.0 m，以切断坑内外水力联系，内部设5层钢筋混凝土支撑，为增加地铁侧被动区土体抗力，对地铁侧在导墙内外采用φ850@1 200三轴水泥土搅拌桩加固，坑内加固体宽度为8.65 m，坑外加固体宽度为2.65 m。剖面图见图11。

4.2.2 外部项目开发前盾构隧道沉降

外部项目开发前(2012年3月)，盾构区间自通车运营共计观测了5期，以下行隧道为例，详见图12，运营历时约2年，区间隧道最大沉降了13.0 mm，且隧道未呈现明显加速沉降趋势，隧道沉降总体稳定。

图11 地铁盾构隧道与外部项目剖面Fig.11 Subway shield tunnel and external project profile

图12 物业开发前隧道沉降曲线Fig.12 Tunnel settlement curve before property development

4.2.3 外部项目对盾构隧道沉降的影响

外部项目自2012年3月进行工程桩施工，Ⅰ区基坑自2013年1月起进行降水及土方开挖，2013年6月底底板浇筑完成，2013年10月底出正负零。

坑内群井降水试验资料显示，坑内外水位存在明显的水力联系(坑内水位下降至开挖面以下2.0 m，地铁侧坑外水位最大下降了5.4 m)，虽然后期对地下连续墙采取了补强措施，但坑内外地下水仍存在一定的联系。

此外，在基坑地下室回筑过程中，常将拆卸的砼支撑碎石临时存放在盾构隧道侧方的地表，造成地表荷载的增加。盾构隧道在地下水位降深、侧向土体的开挖卸载及地表堆载的共同作用下，隧道沉降量总体上随着施工进度而逐渐增加，群井降水试验期间、土方开挖(含砼支撑施作)及底板封闭期间、砼支撑拆除及地下结构回筑期间的沉降量分别占施工期沉降量的12.7%、49.8%及45.5%，Ⅰ区基坑施工期间最大产生了41.8 mm的沉降量，各施工阶段隧道沉降曲线详见图13。

图13 项目Ⅰ区物业开发期间隧道沉降曲线Fig.13 The settlement curve of tunnel during the development of project I

5 结论

1)经实测成果资料统计分析，南京河西地区地层沉降主要发生在下卧软土层，②－2及②－3土层地下水位较为平稳，②－4土层地下水位会出现明显的季节性正弦函数变化规律。

2)河西地区盾构隧道不均匀沉降由不均匀分布的下卧软土与外部影响因素共同作用所造成，经理论计算及典型工程案例分析，地下水位的下降影响最为显著，外部基坑施工影响次之，地表堆载影响较少。

［1］孟刚.地铁盾构隧道沉降原因分析［J］.四川建筑，2016， 36(1):158- 159.

MENG Gang.Analysis on settlementofmetro shield tunnel［J］.Sichuan architecture，2016，36(1):158 159.

［2］姜洲，高广运，赵宏.地铁行车速度对盾构隧道运营沉降的影响分析［J］.岩土力学，2015(11):3283- 3292.

JIANG Zhou，GAOGuangyun，ZHAO Hong.Influence of subway train speed on operation- induced settlement of shield tunnel［J］.Rock and soilmechanics，2015(11):3283 3292.

［3］宁茂权.列车荷载作用下深厚饱和软土盾构隧道沉降分析［J］.铁道标准设计，2015(10):94- 98.

NING Maoquan.Analysis of shield tunnel settlement in deep saturated soft soil under train load［J］.Railway standand design，2015(10):94- 98.

［4］张宇旭，占鹦.某地铁区间隧道在地面超载作用下的沉降分析［J］.黄石理工学院学报，2011(3):37 40.

ZHANG Yuxu，ZHAN Ying.Settlement analysis of subway tunnel underoverload［J］.Journal of Huangshi Institute of Technology，2011(3):37- 40.

［5］刘国彬，李青，吴宏伟.地下水开采引起的次压缩对隧道长期沉降的影响［J］.岩土力学，2012(12):3729 3735.

LIU Guobin，LIQing，WU Hongwei.Influence of secondary compression due to groundwater mining on long term tunnel settlement［J］.Rock and soilmechanics，2012(12):3729 3735.

［6］狄宏规，周顺华，宫全美，等.软土地区地铁隧道不均匀沉降特征及分区控制［J］.岩土工程学报，2015，37 (S2):74- 79.

DI Honggui，ZHOU Shunhua，GONG Quanmei，et al.Differential settlement of metro tunnels and its zonal control in soft deposits［J］.Chinese journal of geotechnical engineering，2015，37(S2):74 79.

［7］城市轨道交通结构安全保护技术规范:CJJ/T 202—2013［S］.北京:中国建筑工业出版社，2014.

Technical code for protection structures of urban rail transit:CJJ/T 202—2013［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2014.

［8］江苏省城市轨道交通工程监测规程:DGJ32/J 195—2015［S］.南京:江苏凤凰科学技术出版社，2016.

Jiangsu urban rail transit engineering monitoring rules: DGJ32/J195—2015［S］.Nanjing:Jiangsu Phoenix Science and Technology Publishing House，2016.

［9］王如路.上海软土地铁隧道变形影响因素及变形特性分析［J］.地下工程与隧道，2009(1):1- 6.

WANG Rulu.Factors influencing deformation of shanghai soft soilmetro tunnel and deformation analysis［J］.Underground engineering and tunnel，2009(1):1- 6.

［10］王如路，刘建航.上海地铁监护实践［J］.地下工程与隧道，2004(1):27- 32.

WANG Rulu，LIU Jianhang.Practice of shanghai meteo monitoring［J］.Underground engineering and tunnel，2004 (1):27- 32.

［11］张震.盾构隧道结构长期沉降研究综述［J］.城市轨道交通研究，2013(3):135- 140.

ZHANG Zhen.On the long- term settlement of shield tunnel structure［J］.Urban mass transit，2013(3):135 -140.

(编辑:郝京红)

Causes of the Uneven Settlement of Shield Metro Tunnel in HexiDistrict of Nanjing

ZHANG Shu feng1，GAO Yong2，SUN Zexin3
(1.Nanjing Metro Group Co.，Ltd.，Nanjing 210008;2.Nanjing Metro Resources Development Co.，Ltd.，Nanjing 210012;3.China Design Group Co.，Ltd.，Nanjing 210014)

Data collected in survey indicate thatmultiple uneven settling tanks have formed in the shield tunnel in themetro of Hexi district in Nanjing，with the ground settlementmainly occurring in the soft soil in the underlying stratum.In addition，the groundwater level of②－4soil presents seasonal fluctuation w ith the law of sine function.According to the construction of the shield tunnel settlement calculation formula and the typical case，it can be explained that the uneven settlementof the shield tunnel in Hexi district is caused by the interaction between the uneven distribution of the soft soil and the external factors，and it is shown that the decrease of the groundwater level had themostsignificant influence on the tunnel settlement.The second influencing factor is external foundation pit construction and the last one is the surface load.

urban railway transit;tunnel settlement;soft soil in the underlying stratum;groundwater level;external construction

U231.3

A

1672- 6073(2017)02- 0052- 06

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.011

2016- 06 22

2017 01 06

张书丰，男，博士，高级工程师，从事地下工程及地铁结构保护的研究与管理，m yuniqueid@163.com