小半径曲线盾构隧道地面沉降变形特征研究

吕 涛, 李森阔, 杨果林, 徐浩栋, 龙 彪

(1.中建五局土木工程有限公司, 湖南 长沙 410004； 2.中南大学铁道学院, 湖南 长沙 410075)

随着我国城市地下空间开发需求的不断增大，地下工程建设项目成倍增长，而地下工程施工中出现的安全事故更是层出不穷，因此对地下工程施工的安全要求越来越高。城市电力隧道作为容纳大量敷设于电缆支架之上电缆的走廊或隧道式构筑物，对电缆起到有效保护的同时方便电缆的检查和维修，是未来地下管廊建设及地下空间开发利用的重点方面。电力隧道同地铁隧道等相比，具有长距离、隧道空间小、曲线段多、曲线转弯半径小等突出特点。在盾构法施工电力隧道实践中，虽然盾构法施工在国内外已经有较为成熟的经验，但是由于受诸如盾构施工口径小、变向曲线多且转弯半径小等电力隧道特点的影响，存在许多亟需研究和解决的问题，而盾构施工的扰动效应及控制研究是其中关键科学问题。

传统上国内外对盾构隧道的土体扰动研究主要以直线形盾构隧道[1-5]为主，近年来受工程实践需要逐渐出现了对于诸如电力盾构隧道等小半径曲线隧道盾构施工对土体扰动影响和沉降规律研究。其中，潘泓等[6]通过动态监测小曲率半径段转弯盾构施工引起土体分层沉降、水平位移、孔隙水压力的变化，分析小曲率半径转弯隧道盾构掘进对紧邻土体的扰动规律。冯浩等[7]等通过现场试验、拟合计算及二维数值计算等方法，研究曲线隧道地表沉降、千斤顶推力等因素之间的关系，给出适合曲线隧道盾构施工地表沉降预测公式和地表不均匀沉降量与盾构不均衡推力之间的关系式。路林海等[8]基于Peck公式结合现场实测数据，建立曲线盾构施工地表沉降预测公式，探究隧道埋深及曲率半径对地表变形的影响规律。王国富等[9-10]提出曲面梯度楔形棱柱体开挖面极限平衡模型，结合实际曲线隧道工程，探究不同曲率半径下开挖面的变形分布特征。并基于正交实验建立小半径盾构隧道施工稳定性综合评价体系，发现隧道埋深与盾构直径对地层变形具有强烈的致险作用。

综上所述，目前对于小半径曲线盾构隧道扰动问题研究，主要集中在小范围曲线段土体扰动方面。在研究曲线段地面沉降规律时，缺少邻近直线段地面沉降规律实测数据的对比分析，未能全面揭示曲线隧道变形的特征和机制。

针对相关研究不足之处，本文选取一段总长80 m的盾构隧道曲线-直线连续区段(如图1所示)，分别在小半径曲线段和直线段设置两个监测断面进行地表沉降监测。通过对直线断面和曲线断面的监测数据分析比较，研究小半径盾构隧道转弯段地面沉降变形特征，为小半径曲线盾构隧道的施工和研究提供参考。

图1 监测断面位置图

1 工程概况

长沙市万家丽路220 kV电力隧道起于万家丽路与特立西路西北角，止于万家丽路与火炬路交汇处西北角，全长5.957 km，隧道内径3.6 m，外径4.1 m。

本隧道推荐采用1.2 m宽管片，最小曲线半径位置采用1.0 m宽管片，管片厚度0.25 m，采用C50混凝土，主受力钢筋采用HRB400级。衬砌全环由一块封顶块K、两块邻接块L和三块标准块B构成，错缝拼装。

工程采用2台土压平衡盾构机，盾体长度约7.80 m，最大掘进速度8 cm/min，最大推力18 620 kN。适宜卵石层、砾岩交互层、淤泥质土、粗砂等土层的掘进施工，盾构机掘进最小曲率半径150 m。

本电力盾构隧道工程难点：存在多处小半径曲线段，且呈连续“S”型转弯，平曲线有150 m、300 m、800 m三种转弯半径。盾构机掘进时隧道轴线控制难度大，纠偏困难。管片之间易发生错台，管片易产生开裂和破损，出现严重的漏水现象。工程沿线区段临近盾构旁穿既有万家丽快速化改造高架桥，隧道侧穿高架桥桩基，最近处仅约为2.6 m。附近有高压铁塔基础，同时需避让在建的财富名园桩基础，需侧穿洪西小区沿万家丽路西侧安居房。在洪山路口地铁3号线地铁隧道底板距离电缆隧道顶板最小距离4.36 m；地铁5号线出入口底板距离电缆隧道顶板距离在6.2 m～11.8 m之间。盾构穿越岩溶地区盾构隧道穿浏阳河，地下水极其丰富。综合隧道本身连续“S”型转弯的施工难度，以及周边建筑物，已有和在建的地下工程对隧道施工影响的敏感性。本工程隧道需进行长期实时施工监测并结合与临近建筑物的关系指定相应的处理方案措施。

1.1 监测方案

监测试验段由曲率半径为150 m的60 m曲线段，20 m直线段，共2区段组成。其测点布置图如图2所示。

图2 断面的测点布置图

区间地表测点埋设横向布点是沿隧道中心线正上方开始布点，根据区间情况，在轴线走向上每30 m布置1条监测断面，每断面为13点，在轴线左右两侧设点，断面测点间距为距离轴线0 m、±3 m、±8 m、±13 m、±18 m、±23 m、±28 m。在同一个断面上取与隧道轴线相交的中心点为7号点，由中心点向东西方向编号1号—13号监测点。但由于周边邻近建筑限制，实际现场监测DK2740断面去除1号—4号以及13号监测点，DK2710断面去除了1号—4号监测点。用取芯钻机钻透硬化路面层，监测点埋设要求钢筋穿过路面结构至原状土。

本次监测应根据地下盾构掘进施工进度及关键环节进行监测跟进，监测工作从开挖面距DK2740断面100 m开始，每天监测一次。监测仪器采用天宝DINIO3电子水准仪，铟钢尺。观测方法采用精密水准测量方法。基点和附近工作基点联测取得初始高程，观测时各项限差宜严格控制。利用监测数据绘制横断面和纵断面沉降槽曲线，判断施工影响范围、最大沉降坡度、最小曲率半径、地层体积损失等。

1.2 工程地质条件

监测断面所在地层纵断面如图3所示，其各土层物理力学指标见表1。地下水位埋深9.8 m。

图3 监测断面地层纵剖面(单位：m)

表1 监测段土层基本力学指标

①-2素填土：稍密；主要成分为黏性土及砂土，为近期修建道路时分层碾压回填，土质较均匀。

②-2粉质黏土：黄—褐黄夹灰白；很湿；可塑；含少许黑色铁锰质氧化物及粉细砂，无摇震反应，有光泽，干强度中等，韧性中等，冲积。

②-5粉细砂：褐黄；稍密—中密；很湿—饱和；含云母片，混砾石，泥质含量约40%，级配较均匀，冲积。

②-4粉土：褐黄—褐灰；稍密；湿；稍密，级配较均匀，含粉细砂、中砂及云母片，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，冲积。

②-8卵石；褐黄；中密—密实；饱和；卵石含量约60%，主要成分为石英砂岩、砂岩，亚圆形，粒径2cm～4 cm，最大粒径达8 cm～10 cm，砂质充填，混约10%黏性土，冲积。

⑥-1全风化砾岩：紫红、褐黄；碎屑结构，厚层状构造，胶结极差，大部分风化呈土状，手捏即散，砾石多为板岩、砂岩，少量泥岩，粒径2 mm～30 mm。

2 现场监测分析

取2个断面进行分析分别为DK2710、DK2740，其中DK2740为转弯半径为150 m的曲线段，DK2710为直线段，隧道向北掘进，经过DK2740向西转弯，后经过直线断面DK2710。

2.1 曲线段分析

对DK2740断面进行监测分析，监测时间从3月15号开始为第1日，如图4所示。观察每一天断面曲线可以发现，地表沉降可以分为四个阶段：

图4 DK2740断面地表沉降监测图

第Ⅰ阶段：在第1到2日监测时间内，开挖面距离监测断面约10 m，曲线断面发生缓慢沉降，最大沉降点出现在8号点处。

第Ⅱ阶段：随着盾构机掘进，不断接近监测断面，第3日最大沉降点出现在7和8号点之间，并呈现最大沉降点继续左移的趋势。

第Ⅲ阶段：直到6日，开挖面距监测断面40 m，地表沉降累计达到最大值7.4 mm，且最大沉降值偏离拱顶位置，而出现在6号点附近。

第Ⅳ阶段：盾构机远离监测断面一定距离后，最大沉降变小，但最大沉降点仍然出现在6号点附近。

图4中带箭头的折线是按照时间顺序，监测断面每日累积最大沉降点变化曲线。从图4可以看出，随着时间的推移，最大沉降点的水平位置一直从转弯半径外侧向转弯半径内侧发生偏移。监测时间第3日至第6日期间，最大沉降点沉降值一直持续增加，而到第7日、8日逐渐回落，趋于稳定状态。分析上述变化的原因不难得知，由于盾构掘进过程中，盾构机盾尾刷出管片后，存在一定缝隙，形成开挖间隙，产生土体损失。为了减小施工过程中对土体的损失影响，在管片脱出盾尾时会进行回填注浆，防止土体损失造成地表沉降过大。在7日、8日回填注浆体强度上升后，沉降趋于停止，土体发生回弹变形直至趋于稳定。

监测断面处于转弯半径150 m曲线段末尾，离直线段距离较短。掘进过程是从曲线段掘进到直线段，施工工况的改变使得最大沉降点左移。

如图5所示，取此断面6、断面7、断面8三个监测点进行地表单次/累积沉降分析。其中每一天的单次沉降可以表示断面上该点的沉降速率。7号、8号点的沉降速率几乎一致，先增大后减小直至7日，累积沉降一直增大。6号点的沉降速率则是先减小后增大直至7日，累积沉降先慢后快。7日后三个点的沉降规律基本一致，沉降速率为负，此时注浆后土体回弹，累积沉降变小直至趋于稳定。

图5 DK2740断面地表单次/累积沉降图

由于在7日前6号点的沉降速率变化与7、9号两点相反，导致总体上最大沉降点的水平位置左移。

2.2 直线段分析

对DK2710断面进行监测分析，监测时间从3月18号开始为第1日，如图6所示。

图6 DK2710断面地表沉降监测图

观察每一天断面曲线可以发现：

第1日到6日之间断面沉降发生平缓，中心断面区域每天以2 mm的速度沉降，最大沉降点出现在7号附近。

8日之后，最大沉降点出现在7号点，为14 mm，即隧道正上方，此时沉降累计曲线，符合典型的沉降槽形状。

如图7所示，取此断面6、断面7、断面8三个点进行地表单次/累积沉降分析。三个监测点的沉降速率、累积沉降曲线变化规律基本一致。沉降速率都是先缓慢增加后趋于平稳，到7日缓慢下降沉降速率趋于零。累积沉降近似线性增加，6日后7号点累积沉降明显大于其余两点。

图7 DK2710断面单次/累计沉降图

总体上，DK2710断面处于隧道直线段。地表沉降的发展规律满足基本沉降槽模型。现阶段预测地表沉降常用的方法有：理论分析法[11]、有限元法[12-13]、模型试验法[14]、Peck公式经验法[15-16]等。其中Peck公式适用性较为广泛，本文利用经验法对已有监测点进行Peck公式曲线拟合，取8号沉降稳定后断面点数据，并对1号—4号点关于7号数据点进行假象对称补齐。拟合得到的曲线见图8。

图8 DK2710断面Peck公式拟合曲线

其拟合公式为：

(1)

对比标准Peck公式：

(2)

式中：S为地表竖直方向上的沉降值，mm；Smax为地表沉降的最大值，位于曲线中轴线上，mm；x为沉降曲线到计算点的距离，m；i为沉降槽宽度，m。

可以得出最大沉降值为15.028 mm，沉降槽宽度为11.756 m。由图可得，利用Peck公式进行高斯曲线拟合后，拟合曲线沉降中心点偏移7号点0.083 m，可认为7号点为实际最大沉降点，地表最大沉降实际沉降较拟合值偏大，总体符合实际规律。

2.3 探讨

本文基于曲线-直线段地表沉降监测数据进行研究分析，初步发现了其中存在的小半径地表沉降特征，为了在此基础上进一步探讨分析曲线效应，特引文献[6]的有关研究实验数据及结论。

潘泓等[6]为研究小曲率半径转弯隧道盾构施工扰动问题，在转弯半径仅为118 m的盾构隧道工程试验段进行监测分析。在隧道转弯断面两侧埋入测斜管以监测施工掘进中，土体的水平位移情况。内侧测斜管CX1距盾构隧道轴线水平距离2.55 m，外侧测斜管CX2距盾构隧道轴线水平距离2.85 m。离监测断面不同掘进距离下，监测断面土体水平位移如图9所示。其中横坐标正值表示向隧道方向变形，负值表示背向隧道变形。

图9 监测断面土体水平位移图

综合其水平土体移动规律以及本文地表沉降变形特征，可得出几点认识：

(1) 结合掘进距离和本文2个断面的监测规律看出，最大沉降点并不是出现在隧道的洞顶正上方7号点位置，而是向转弯半径内侧方向偏移。DK2740段随着掘进距离增加，最大沉降点水平位置向6点号处移动，之后盾构机进入直线段DK2710，最大沉降点出现在隧道正上方7号点。由此分析，由于隧道进行掘进转向时，开挖时的顶推力不同，导致盾构机对外侧土体的推力大于内侧土体，此时外侧土体呈现被动土压力，内侧土体呈现主动土压力。随着开完掘进不断深入，内侧主动土压力大，土体损失变大，地表土体沉降也随之增大。

(2) 结合引用文献土体水平位移规律分析，在隧道开完断面附近的土体水平位移规律表现为：转弯方向内侧的土体向隧道方向变形，转弯方向外侧土体背向隧道变形。由于在盾构机掘进转向过程中，顶推力的不同导致了内外侧土体的抗力不同，外侧土体受盾构机的垂直于掘进方向的挤推力背向隧道方向移动，此时内侧呈现主动土压力向隧道位移。其中内侧也出现背向隧道位移的曲线，是由于在转弯段开挖掘进过程中，内侧土体超挖导致土体缺失，开挖断面上方土体向下沉降导致开挖断面水平方向土体背向隧道位移。

(3) 结合本文曲线段地面土体沉降变形特征及引用文献土体水平位移规律可得出，在地表附近的土体水平位移规律表现为：转弯方向内侧的土体向背向隧道方向变形，转弯方向外侧土体向隧道变形，呈现出最大沉降点的位置向转弯半径内侧偏移的规律，这与本文的试验段得出的曲线效应规律相符。并且随着开挖距离的不断增加，土体水平位移也不断增大，与图4中随着掘进时间增大，最大沉降点的水平位置一直左移的规律也相符。

3 结 论

通过对连续小曲率半径曲线段和直线段盾构掘进过程地表扰动沉降现场监测分析，可得出结论：

(1) 本文地面沉降变形特征实质上是由于盾构机掘进时，转弯半径内侧的土体超挖引起的。最终在地面沉降变形特征表现为地面土体最大沉降点水平位置并不出现在隧道拱顶位置，而是向着转弯方向的内侧偏移。

(2) 由于隧道侧穿高架桥桩基，在盾构掘进施工中未控制好出土量，可能出现较大的超挖现象，使得正面岩土失稳、坍塌。为了保证在临近桩基时，盾构机转弯的安全性，必须在土压平衡状态下进行盾构掘进，严格控制出土量，及时、充足地跟进同步注浆与二次注浆。

(3) 由于小曲线半径转弯隧道的曲线效应，最大沉降点出现在转弯半径内侧，且沉降槽曲线也向内侧偏移。这种土体扰动规律对已有周边邻近桩基安全和稳定有较大影响。在盾构施工过程中可根据设计要求提前采取旋喷桩隔离加固及预埋袖阀管跟踪注浆处理。