类矩形盾构与双圆盾构施工地表沉降变形规律对比分析

邱波

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315012)

1 引 言

宁波市轨道交通地下工程周边环境复杂，特别是中心城区老旧建筑群、地下管线、河流沟渠等更多，区间线路施工需频繁穿越建构筑物、桥桩基础以及河道等风险，且沿线历史保护建筑、市政工程节点众多，穿越条件复杂，工程难度较大。盾构将面临复杂地层、小曲率半径、浅覆土穿河、穿越拔桩区、转角控制等施工难题。在此背景下尝试采用横向沉降影响范围较小的盾构区间形式，宁波轨道交通首创阳明号类矩形盾构，采用新研制的 11.83 m×7.27 m类矩形土压平衡盾构机在3号线一期工程顺利实施，隧道管片断面尺寸如图1所示。

类矩形盾构左右并线，能有效利用地下结构空间，并减小地表建构筑物、管线拆迁工作量，具有明显的经济效益。

图1类矩形盾构与普通双圆盾构隧道断面对比

盾构掘进施工引起的周边地表沉降变形在空间分布是三维的[1]。本文将类矩形盾构与普通双圆盾构横向、纵向地表沉降监测数据进行对比分析，并研究其变形规律，从地层沉降变形方面探索类矩形盾构的优势。

2 地质情况

类矩形盾构主要穿越土层为②2a层淤泥及②2b层淤泥质粉质黏土，如图2所示；类矩形盾构段各土层物理力学指标统计如表1所示。

图2 类矩形盾构隧道地质剖面图 矩形盾构段及明挖段各土层物理力学指标统计表 表1

3 主要沉降监测点布置对比

圆形盾构与类矩形盾构沉降监测点布置对比如表2所示。

圆形盾构与类矩形盾构沉降监测点布置对比 表2

4 横向地表沉降变形规律对比分析

根据实测数据，对洞通后的双圆盾构隧道典型剖面地表沉降数据进行多项式曲线拟合，如图3所示，其沉降槽曲线介于W型和正态分布曲线之间，两次盾构推进叠加影响范围为双线隧道中心线两侧 35 m范围内，主要影响区域在隧道中心线 15 m范围内，最大沉降发生在左右线隧道轴线之间。

图3 双圆盾构地表横向沉降槽

同理，对类矩形盾构隧道地表沉降数据统计拟合，如图4所示，横断面沉降槽形状介于正太分布曲线与V型之间，影响范围为隧道中心线两侧 20 m～25 m范围(约两倍隧道宽度)内，主要影响区域在隧道中心线 10 m范围内，最大沉降发生在隧道轴线处。

综上，类矩形盾构隧道由于横向跨度小于普通双圆盾构 5 m～10 m，且无二次掘进扰动，其横向地表沉降槽宽度约为普通双圆盾构的70%，对周边地层的影响范围较普通双圆盾构更小。

5 纵向地表沉降变形规律对比分析

根据宁波轨道交通1、2号线大量盾构区间地表沉降实测数据，如图5所示，盾构掘进方向地表沉降变形曲线呈起峰、落峰、沉降、收敛形态，基本符合软土地区土压平衡盾构掘进地表纵向沉降变形规律，即较小的初始沉降、盾构通过时的瞬时沉降和通过后一段时间内较明显的持续沉降。纵向地表沉降影响范围基本为盾构切口前方 10 m，盾尾 30 m内。

类矩形盾构纵向地表沉降影响范围为刀盘前方 15 m至盾尾后方 20 m左右，变形趋势如图6所示，盾构到达时刀盘上方及前方一定范围地表出现小幅隆沉变形，盾构通过时及通过后一段时间内上方及盾尾地表出现明显沉降变形，脱出盾尾后地表呈缓慢固结沉降趋势，基本符合缓慢发展、快速发展和逐步稳定3个阶段的地表时程变形规律[2]。

图5 双圆盾构纵向地表沉降变化过程线

图6 类矩形盾构纵向地表沉降变化过程线

对比分析可知，近似地质情况和埋深条件下，类矩形盾构与双圆盾构纵向地表沉降影响范围基本相同，约 50 m左右；纵向地表沉降变形时程变化规律均表现为盾构到达时的小幅初始沉降、盾构通过时的明显沉降和通过后一段时间内缓慢持续沉降规律。所不同的是，由于类矩形盾构更为复杂的刀盘切削开挖及进出土平衡控制方式，周边土体处于较为复杂的受力状态[3]，数据离散性较大，盾构掘进时土体弹塑性变形受土体改良、土压力及注浆控制等影响较大，规律不明显，尚需大量实测数据进行深入挖掘分析。

6 其他沉降变形

6.1 因联络通道引起的沉降变形

类矩形盾构由于结构形式及施工工艺改进[4]，无须设置联络通道，避免了软土地区冰冻法联络通道施工地层冻胀、融沉变形风险及后期通道结构渗漏水、不均匀沉降等风险。

根据宁波轨道交通1、2号线数个区间联络通道上方地表沉降监测数据统计，如图7所示，连通道冻结及开挖施工对上方地表影响较明显，在开挖前的积极冻结阶段，受地层冻胀影响，地表有少量隆起变形，在开挖及结构施工即维护冻结阶段，地表变形基本较稳定，但结构施工完成后的解冻及隆沉注浆阶段，通道上方地表发生较大沉降，且3个月融沉注浆结束后仍未收敛，最大沉降累计值超过 -60 mm。

图7 双圆盾构联络通道冰冻法施工地表沉降变化过程线

6.2 工后沉降变形

盾构隧道贯通后至铺轨开始前，一般要超过半年时间，期间隧道上方地表受土体固结、地面荷载等影响，往往会持续数月较明显沉降时期[5]。

根据宁波1、2号线圆形盾构工后沉降监测数据统计结果，如图8所示，隧道贯通3个月后，地表沉降平均变形速率不超过 0.4 mm/d，4～6个月后，平均变形速率一般不超过 0.25 mm/d。

根据类矩形盾构隧道轴线地表工后沉降统计结果，如图9所示，隧道贯通后3个月地表沉降基本收敛稳定。

由此可见，类似地质和埋深条件下，圆形、类矩形盾构隧道上方地表工后沉降主要受土层物理力学特性、地下水及管片变形等因素影响，土体蠕变压缩呈长期缓慢固结沉降趋势。

图8双圆盾构隧道纵向地表沉降累计值分布线

图9 类矩形盾构纵向地表沉降累计值分布线

7 结 论

本文从盾构施工地表环境风险监测监控的视角出发，通过宁波软土地区普通双圆盾构和类矩形盾构施工地表沉降监测数据的统计分析，总结出地表沉降一般变形规律，得出主要结论如下：

(1)类矩形盾构由于横向跨度小，无二次掘进扰动等因素，其横向地表沉降槽宽度约为普通双圆盾构的70%，对周边地层的影响范围较普通双圆盾构更小。

(2)类矩形盾构与普通圆形纵向地表沉降影响范围基本相同，其时程变化规律均表现为盾构到达时的小幅初始隆沉、盾构通过时的明显沉降和通过后一段时间内缓慢持续沉降规律。

(3)圆形、类矩形盾构隧道上方地表工后沉降只受土层物理力学特性、地下水及管片变形等影响，土体蠕变压缩呈长期缓慢固结沉降趋势，一般3个月左右地表沉降收敛稳定。

(4)类矩形盾构区间一次性掘进成形，相比双圆盾构施工的两次掘进，避免了施工交互影响引起的地表叠加沉降，和对相邻盾构区间管片的水平位移影响。

(5)由于结构设计及施工工艺改进，类矩形盾构无联络通道，避免了软土地区冰冻法联络通道施工地层冻胀融沉变形风险及由此带来的结构渗漏水、不均匀沉降等风险。

类矩形盾构的姿态、土压平衡控制对地层变形影响更为复杂，与双圆盾构地表沉降规律存在一定异同，随着类矩形盾构在工程中的进一步应用，其地层变形规律有待进一步探索。