地铁盾构隧道施工横向地表沉降分析

谭 佳，瞿 南

(中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014)

0 引 言

盾构法作为地铁隧道施工的一种优选方法，在城市地铁隧道施工中得到了越来越广泛的应用[1]。隧道盾构施工过程中，洞室周围的岩层会发生一定的变形和移动，且这一范围常常会影响到地表，形成地表施工沉降槽[2]，沉降槽可能引起地表的沉降，从而导致路面的开裂、埋地管线的中断以及建筑物(构筑物)的损毁。目前，对盾构法隧道施工引起的地表沉降分析及预测的主要方法有：经验公式法、解析法、理论分析法、模型试验研究和数值分析等[3-6]。在采用上述方法计算或模拟隧道施工引起的地面沉降时，必须依据工程的实际情况和地区性经验选择合适的计算公式和参数才能取得满意的结果，而对地铁施工中的实测资料进行深入的研究则可以为上述工作提供必要的研究基础，并为将一个局部的分析结果推广到某地区提供条件。

本文以南京六合地区某地铁盾构施工区间为研究对象，对现场实测的横断面沉降数据进行理论分析，研究地铁盾构隧道施工期间横向地表沉降的综合规律，并确定盾构推进对横向地表的施工影响区域，得到符合南京六合地区实际情况的地区性经验结果，为盾构法的广泛使用积累地区性经验。

1 工程概况

1.1 区间概况

六合区政府-雄州盾构区间位于南京市六合区，设计里程K 23+8.246 m～K25+859.684 m，区间正线隧道全长2 192.426 m。

本区间出六合区政府后下穿新河河沟、白果东路跨新河路堤、中北威立雅六合公交南站跨新河路堤、公交南站1层房屋、跨新河桥涵；侧穿江北大道快速化改造桥台桩基和龙池立交桩基；从六合区政府站至K23+300之间下穿4根10 KV架空电缆线杆。

1.2 工程地质条件

本区间隧道主要穿越②-1bd4流塑状淤泥质粉质粘土与粉砂互层、②-1d2-3稍密～中密状粉砂、②-2b3-4软塑～流塑状粉质粘土，工程地质较为复杂。

本区间涉及的特殊岩土主要为人工填土、软土和液化土层。①-1杂填土，结构松散，①-2素填土，润湿-饱和，由软-可塑状粉质粘土组成，工程地质性差，上述土层最大厚度约4.00 m。场区在浅部局部分布状态的②-1c2-3粉土夹粉砂层，底部普遍分布③-2c-d2-3粉土夹粉砂层，在7度抗震设计的情况下，②-1c2-3粉土夹粉砂、③-2c-d2-3粉土夹粉砂为轻微液化土层，液化指数约为2.80，对隧道有一定影响。②-2b4淤泥质粉质粘土，含水量高，流塑，高压缩性，属中等灵敏～灵敏土，隧道顶板局部穿越②-2b4淤泥质粉质粘土，上述土层对盾构隧道会产生一定影响。土体的主要力学性质如表1所示。

场地底部基岩主要为白垩系葛村组淤泥质粉砂岩，裂隙不甚发育，且呈紧密闭合状，裂隙连通性差，含水微弱。本区间地下水主要为孔隙潜水，局部分布有弱承压水。

表1 盾构区间土体主要力学性质

2 横向地表沉降与影响区域分析

2.1 监测断面及测点布置

本工程的监测横断面分为主要监测断面和辅助监测断面。监测断面的测点布置如图1所示，每个主要断面上布置7个测点(1～7号)，每个辅助断面上布置2个测点(3号、5号)，其中3号点和5号点分别位于隧道盾构左线和右线的中心线上方。

本文根据隧道的埋设情况，现场实测数据的完备性与可靠性，选择9个具有代表性的主要监测断面进行研究，断面编号分别为DB128、DB133、DB138、DB168、DB183、DB188、DB193、DB203及DB208。

图1 监测断面测点布置

2.2 实测数据分析

施工过程中，对各断面进行了连续监测，直至沉降稳定，9个具有代表性的主要监测断面的隆沉数据如表2所示。据此，绘制各监测断面沉降数据的平滑线散点图，如图2所示。

2.3 沉降规律与影响区域分析

对表2中的监测数据和图2的变形规律进行分析，可以看出，地表最大沉降值为-7.36 mm，位于DB128断面，最大隆起量为+1.77 mm位于DB133断面，最大隆沉量均远小于规范规定-30～+10 mm限值，表明隧道施工过程中，各项盾构参数设置合理，盾构姿态较好，结构安全性良好。

不同监测断面的土体隆沉变化表现出较一致的规律，这主要是由于盾构隧道穿越的土体性质相对稳定，且各项施工参数较为接近。各监测断面的沉降曲线沿先行盾构隧道中心线两侧表现出非对称分布。这主要是由于测点数量关于盾构左线不对称所导致的。

盾构左线(图1)周围土体的沉降较为显著，在各断面所有测点数据中，1～5号测点的数据起伏变化显著，其中，3号测点的沉降量相对较大，变换范围为-7.36～-3.3 mm；盾构右线周围土体的沉降相对较小，或表现出土体隆起变形，在各断面所有测点数据中，5～7号测点的数据变化平缓，其中5号测点的隆沉变换范围为-0.49～+1.49 mm。

表2 监测断面累计沉降量

图2 主要监测断面横向沉降曲线

盾构施工对周围土体的影响范围通常可以划分为受影响区域和不受影响区域。对于各断面3号测点至尚未盾构线路一侧，其地面沉降值降低速率较快，至5号测点，其地面沉降值均小于1 mm，之后趋于稳定；而对于3号测点至无盾构线路一侧，由于地面测点数量有限，但亦均表现出减小的趋势。本文认为盾构施工的影响区域主要位于距离隧道中心线15 m范围以内。此外，根据沉降槽体积的分析，距离已经盾构中心线3 m的沉降量约为最大沉降量的60%-80%，距离已经盾构中心线6 m的沉降量约为最大沉降量的30%-60%，距离已经盾构中心线7.5 m的沉降量约为最大沉降量的25%，本文认为盾构掘进的主要影响范围位于距离隧道中心线7.5 m范围以内，且先行线对于没有盾构线路一侧的土体影响大于有线路一侧的影响，次要影响范围位于距离隧道中心线7.5-15 m的范围。

3 经验公式验证与参数建议值

Peck提出地表沉降槽的体积应等于地层损失体积的假定，并根据该假定给出了盾构隧道横断面地面沉降量的估算方法[7]，可以表示为：

(1)

(2)

i=kZ

(3)

VS=VLπR2

(4)

式(1)-(4)中，S(x)为距离隧道中心线不同距离处的地面沉降量；VS为盾构隧道单位长度的地层损失；i为沉降槽半宽度；k为沉降槽宽度系数；Z为隧道中心埋深；VL为地层体积损失率；R为盾构机外径。

式(1)-(4)所表示的地面沉降分布曲线如图3所示。

图3 Peck沉降分布曲线

可以看出，Peck沉降分布曲线为正态分布对称曲线，且在式(1—4)中，地层体积损失率VL和沉降槽宽度系数k决定了曲线的幅值和分布。在沉降槽宽度系数k相同的情况下，地层体积损失率VL越大，沉降幅值越大；在地层体积损失率VL相同的情况下，沉降槽宽度系数k越大，拐点距离隧道中心线的越远。显然，这两个参数对于正确估算地面沉降起着关键的作用。

研究表明，采用Peck公式描述横断面的地表沉降分布是合适的。然而，如果直接将现有的参数用于本文中的盾构隧道工程将会产生比较大的误差，这主要是由于参数的取值不能反映该地区的实际情况所导致的。因此，为了更合理地采用Peck经验公式预测南京六合地区的盾构隧道沉降曲线，需要确定适合该地区的参数取值。

本文对图2中的9个横断面实测数据进行了沉降曲线拟合，得到了不同横断面上的地层体积损失率VL和沉降槽宽度系数k，结果如表3所示。基于拟合的参数取值，可以对各断面的横向沉降进行预测。部分监测断面地表沉降曲线和平均地表沉降曲线的经验公式预测结果与实测结果的比较如图4所示。

表3 监测断面拟合参数

图4 监测断面横向沉降实测值与预测值比较

由表3和图4分析结果可以看出，沉降槽宽度系数k的取值范围为0.30-0.50，地层体积损失率VL的取值范围为0.2%-0.43%。各断面平均沉降曲线的沉降槽宽度系数取值为0.5，地层体积损失率为0.31%。说明隧道的后期沉降较小，基本不会对隧道的安全和正常使用造成影响。

4 结 语

本文对南京六合区某地铁盾构隧道施工区间监测断面的沉降实测数据进行了研究，分析了其地面沉降的变化规律和影响范围，结合Peck经验公式，得到符合该地区实际情况的地区性经验结果。具体结论如下：

(1)各监测断面的最大隆沉量均远小于规范限值，表明各项施工参数设置合理，盾构姿态较好，不会对隧道的安全和正常使用造成影响。

(2)对于单线盾构推进施工，各监测断面的沉降曲线关于已盾构隧道的中心线表现出非对称分布的特性。已完成推进施工的盾构线周围土体的沉降较为显著；未完成推进施工的盾构线周围土体的沉降相对较小，或表现出微小的土体隆起变形。

(3)盾构施工的影响区域主要位于距离隧道中心线15 m范围以内。盾构掘进的主要影响范围位于距离隧道中心线7.5 m范围以内，次要影响范围位于距离隧道中心线7.5-15 m的范围。

(4)通过采用Peck公式拟合沉降曲线实测值，沉降槽宽度系数k的取值范围为0.30-0.50，地层体积损失率VL的取值范围为0.2%-0.43%，且地层损失率均小于1.0%，这一结论不仅适用于该地区，且可以推广到具有类似地质条件和盾构条件的地区。