青岛地铁1号线安安区间盾构隧道地表沉降研究

徐祥云 胡云飞 高福军 李地元 王文健

(1.中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南昆明 650200；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

为了缓解日益严重的交通堵塞问题，越来越多的城市开始进行地铁建设。地铁具有客运量大、运输速率快、运行稳定、对地面交通影响较小等优点，但同时具有造价高昂、易导致地表沉降等缺点。盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或剪切破坏引起的重塑土再固结，是导致地表沉降的重要原因。地表沉降一般为非均匀沉降，容易使地面产生裂缝。如果沉降量过大，地表沉降还会对沉降范围内的建筑物和地下管线造成安全影响。

针对地表沉降问题，众多学者从基础理论和工程实践方面展开了研究。Peck等早在1969年就研究了隧道开挖引起的地表沉降槽，并提出了地层损失的概念和Peck公式[1]。之后，很多学者根据不同的地质情况对Peck公式进行了修正[2-4]。刘建航等以Peck公式为基础，提出了纵向地表沉降Peck公式[5]。刘宝琛[6]、朱忠隆[7]等运用随机介质理论对隧道纵向地表沉降进行预测。岳广学等对隧道开挖过程中产生的地层变形做了统计分析[8]。另外，大量学者通过数值分析对地表沉降进行了研究[9-15]。对双线隧道分先后掘进的施工条件下地表沉降规律的研究鲜有报道。以青岛地铁1号线安子站-安子东站区间盾构隧道掘进过程中的地表沉降现场监测数据为基础，分析盾构隧道左、右线分别开挖条件下，近海富水地层的地表沉降规律，为今后青岛地铁的盾构隧道施工或其它海滨城市地铁建设提供借鉴。

1 工程背景

1.1 工程概况及地层条件

青岛市地铁1号线安子站-安子东站区间(下称：安安区间)位于青岛市黄岛区新港山路爱琴海小区对面。区间隧道由安子站引出后，沿长江东路下方敷设，穿过中冶爱彼岸小区北侧地块后再转入新港山路，最终到达安子东站。区间隧道位于长江东路及新港山路下方。安安区间左线全长940.54 m，右线全长921.70 m，间距13.7～14.0 m，拱顶埋深9.0～13.2 m，为浅埋隧道。采用单洞单线圆形断面，盾构断面建筑限界为5.2 m，断面内径为5.4 m，管片厚0.3 m，管片长1.5 m。

安安区间主要位于构造剥蚀区、滨海堆积区，地质条件较差。第四系地层厚2.20～18.60 m，主要由全新统人工填土层、滨海沼泽化层、(淤泥质)粉质黏土、海相层中粗砂，以及上更新统洪冲积粉质黏土层、含砾黏土层组成。基岩为燕山晚期侵入岩，主要为石英二长岩、花岗岩。地质剖面如图1。

图1 安安区间地质剖面

1.2 盾构法施工概况

安安区间隧道掘进使用的是直径6.28 m的土压平衡式盾构机。盾构机从安子东站始发，接收于安子站。由于地层条件较差，盾构始发需要进行端头地层加固。为了尽量降低隧道掘进对地层造成的影响，左右线分别进行掘进。左线盾构隧道先掘进，达到总里程的1/3时，右线隧道开始掘进。为控制地表沉降，在盾构掘进过程中应同步注浆，及时填充盾构机盾尾与开挖轮廓之间的间隙。实际注浆量一般为计算量的130%～250%，根据现场地表沉降监测情况，在适当位置进行二次注浆。盾构掘进过程中设置的基本技术参数如表1。

表1 盾构掘进参数

2 地表沉降监测方案

监测点按照监测断面进行分组，在安安区间盾构隧道上方全线布置。监测断面分为主要监测断面和次要监测断面。主要监测断面上一般布置9个测点，次要监测断面一般布置2个测点，分别布置于盾构隧道左线和右线的中轴线上方。监测断面间距约为25 m，主要监测断面和次要监测断面相间布置，如图2。主要监测面的测点布置如图3。从DC01到DC38共38个监测断面，其中DC01靠近安子站，DC38靠近安子东站。采用仪器为天宝DiNi03电子水准仪，配套铟钢尺等。

图2 监测点纵向布置

图3 监测点横向布置(单位：m)

3 盾构隧道掘进地表沉降规律分析

3.1 地表沉降历时曲线

以DC32监测断面作为代表，分析其地表沉降历时曲线，如图4。DC32监测断面有9个地表沉降监测点，选择其左线和右线隧道中轴线正上方的2个监测点(DC32-03和DC32-07)分析其沉降规律，两个监测点距离约为14 m。可以发现，左右两个监测点的沉降历时曲线均可分为4个阶段。

图4 DC32监测断面地表沉降历时曲线

(1)左线监测点

①左线盾构机到达监测断面之前(大约从监测天数13到监测天数24，持续11 d)，对地层第一次扰动造成的沉降量为6.3 mm；②左线盾构机通过监测断面之后(大约从监测天数24到监测天数40，持续16 d)，监测点快速沉降，沉降量为21.6 mm；③缓速沉降期(大约从监测天数40到监测天数98，持续58 d)的沉降量为4.8 mm；④右线盾构机通过监测断面造成的沉降较为缓慢(从监测天数98到监测天数126，持续28 d)，沉降量也较小，为4.3 mm。最终稳定沉降量为37.0 mm。

(2)右线监测点

①左线盾构机到达监测断面之前(大约从监测天数13到监测天数24，持续11 d)，对地层第一次扰动造成的沉降量为4.4 mm；②左线盾构机通过监测断面造成的沉降量也较小(从监测天数24到监测天数98，持续74 d)，为4.3 mm。③右线盾构机通过监测断面之后(大约从监测天数98到监测天数106，持续8 d)，监测点快速沉降，沉降量为11.7 mm；④缓速沉降期(大约从监测天数106到监测天数126，持续20 d)的沉降量为2.5 mm。最终稳定沉降量为22.9 mm。

对沉降阶段可以进行如下概括：先行隧道盾构机到达监测面之前，土体受到扰动，两个监测点均会产生较小的沉降。本线隧道盾构机到达监测断面后，监测点产生较大沉降，并且分为快速沉降阶段和缓速沉降阶段，前者的沉降量大约是后者的4.5倍。相邻隧道的盾构机到达监测断面后，监测点产生较小沉降，并且沉降速度较慢。各阶段沉降占比如图5。虽然先后顺序有所不同，但两个测点各阶段沉降所占比例基本相当。初期土体扰动沉降占比为18.1%，本线盾构通过快速沉降占比为54.7%，本线盾构通过缓速沉降占比为11.9%，邻线盾构通过沉降占比为15.2%。其他监测断面地表沉降历时曲线也基本具有以上特点。

图5 各阶段沉降占比

进一步分析，根据Peck沉降槽曲线[1]，每个监测点的沉降值与其到隧道轴线的水平距离相关，距离越远沉降值越小。

(1)

式中：x—监测点与隧道轴线的水平距离；i—沉降槽宽度系数；Smax—隧道轴线上方沉降值；S(x)—与隧道轴线水平距离为x的监测点沉降值。

根据DC32-01至DC32-09的沉降值数据和式(1)可以拟合得到沉降槽宽度系数i，结果显示，本工程中i的取值在8～9 m之间。左线和右线隧道轴线的距离为14 m，带入式(1)，可以得到S(14)的取值在0.216Smax到0.298Smax之间。也就是说，本线盾构施工对邻线测点沉降值的贡献为21.6%～29.8%。从图4可知，左线盾构施工对DC32-左线测点的沉降值贡献为32.7 mm，对右线测点的沉降值贡献为8.7 mm，为左线的0.266倍；右线盾构施工对DC32-右线测点的沉降值贡献为14.2 mm，对左线测点的沉降值贡献为4.3 mm，为右线的0.303倍。这与之前计算得到的范围一致，说明在双线盾构的施工条件下，每条线路的沉降槽依然独立存在。

3.2 二次注浆对地表沉降的影响

DC33监测断面与DC32监测断面相邻，且地层条件基本相同。不同点在于，盾构隧道左线DC33监测断面附近在第30个监测天数和第60个监测天数进行了2次二次注浆。下面通过分析DC33监测断面的地表沉降历时曲线，并将其与DC32监测断面进行对比，来说明二次注浆对地表沉降的影响。

DC33监测断面地表沉降历时曲线如图6。DC33左线监测点在左线盾构机到达前的初期土体扰动沉降量为6.3 mm，与DC32左线监测点的情况一致。左线盾构机通过监测面后，DC33左线监测点进入快速沉降阶段。快速沉降阶段持续6 d后，在左线隧道DC33监测面附近进行二次注浆。6 d内，DC33左线监测点地表竖向位移从-17.4 mm回升到-12.2 mm(回升量为5.2 mm)。之后DC33左线监测点继续沉降，到第60个监测天数，左线隧道DC33监测面附近又进行二次注浆，地表竖向位移从-20.9 mm回升到-15.4 mm(回升量为5.5 mm)。之后右线盾构机通过监测断面，经过大约40 d，DC33左线监测点沉降值稳定于25.9 mm。由于二次注浆的位置在左线隧道，DC33右线监测点地表竖向位移回升值明显小于左线监测点，并具有一定的滞后性。

图6 DC33监测断面地表沉降历时曲线

DC33监测面两个测点地表沉降历时曲线基本上可以分为前文所述的4个阶段，但受到二次注浆的影响，各阶段的沉降值与DC32监测面产生了较大的区别，如图7和图8。

图7 左线监测点各阶段沉降值比较

图8 右线监测点各阶段沉降值比较

对于左线监测点，DC32和DC33的初期土体扰动沉降值基本一致。在第1回二次注浆的作用下，DC33测点本线盾构通过的快速沉降得到了抑制，只有DC32的51%。在第2回二次注浆的作用下，土体竖向位移回升量基本抵消了DC33测点本线盾构通过导致的缓速沉降，沉降值仅为0.1 mm。与前面3个阶段不同，在第2回二次注浆之后，DC33测点的邻线盾构通过沉降达到了DC32的两倍，这是二次注浆对土体强烈扰动的结果。对于右线监测点，二次注浆的影响明显小一些。DC32测点和DC33测点的初期土体扰动沉降、本线盾构通过的缓速沉降、邻线盾构通过的沉降基本一致。DC33测点本线盾构通过的快速沉降明显大于DC32测点，增幅为33%，这也是二次注浆对土体扰动的结果，但程度不及左线。

整体来看，左线隧道的二次注浆减少了左线测点的最终稳定沉降量，DC32左线测点的最终稳定沉降值为37.0 mm，DC33左线测点的最终稳定沉降值为25.9 mm，降幅为42.8%。左线隧道的二次注浆增加了右线测点的最终稳定沉降量，DC32为22.9 mm，DC33为28.8 mm，增幅为25.8%。

4 结论

(1)对于分先后掘进的双线盾构隧道，无论是先行隧道还是后行隧道，其隧道轴线上方监测点的地表沉降都可以分为4个阶段：初期土体扰动导致的沉降，平均占比为18.1%；本线盾构通过导致的快速沉降，平均占比为54.7%；本线盾构通过导致的缓速沉降，平均占比为11.9%；邻线盾构通过导致的沉降，平均占比15.2%。

(2)在沉降槽宽度系数为8～9 m，左右双线隧道轴线距离14 m的情况下，本线盾构施工对邻线轴线测点沉降值的贡献为本线测点的0.216～0.298倍。

(3)后行隧道盾构机未到达时，对先行隧道已完成段进行二次注浆，地表沉降规律会发生明显变化。对于先行隧道，二次注浆可以减少本线盾构通过导致的沉降，同时增加邻线盾构通过产生的沉降，减小最终稳定沉降值。对于后行隧道，二次注浆会增加本线盾构通过导致的沉降，并增加最终沉降量。