双孔隧道中后掘进盾构对地表沉降的影响

罗雄文, 张文广，梁荣柱,3,4

(1. 湖南科技学院 土木与环境工程学院, 湖南 永州 425199; 2. 中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；3.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058; 4. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

0 引言

地铁轨道交通具有载客量大、准时、环保、不影响地表交通等特点，可极大地缓解大城市的地表交通压力，方便城市居民出行。根据“十三五”规划，我国现有30余个城市正在进行地铁建设，新增地铁隧道里程将会达到3 000 km。盾构掘进工法是城市地铁隧道主要施工方法之一。盾构法具有机械化程度高、不影响城市交通、环境友好、施工速度快等诸多优点，但盾构掘进仍然难以避免会引起土体扰动，造成地层沉降，将会威胁临近构筑物的安全。在建筑物密集的城市中修筑地铁隧道，由于地下空间限制，双线隧道之间的净距往往较小。后掘进盾构隧道将会再一次穿越已经扰动的地层，造成土体二次扰动，将会引发地层变形进一步发展，从而危害到临近构筑物安全。

国内外研究人员分别从室内试验、现场实测、有限元分析和理论计算等方面对双线隧道掘进施工地层沉降发展进行了一系列有益的探索。Chapman等[1]进行了双线隧道施工室内模型试验，基于试验结果，指出双线隧道掘进对地层的扰动存在一个扰动交叠区。由于扰动交叠区的存在，后掘进隧道引起的地表沉降槽更深和更窄，引起最终地表沉降曲线偏向于后掘进隧道。Chen等[2]对杭州地区双线隧道掘进地表沉降进行监测发现，由于后掘进隧道对地层的二次扰动导致最终地表沉降槽对称轴偏向于后掘进隧道。Suwansawat等[3]基于曼谷地铁实测资料，指出对于单条隧道引起的地表沉降可以通过高斯公式拟合，而对于双线隧道，地表沉降槽往往不对称，可通过叠加的方式拟合地表的最终沉降。Sirivachiraporn等[4]对曼谷地铁双线隧道中不同隧道相对位置进行了实测分析，指出平行隧道中后掘进盾构引起的地表沉降将会偏向后掘进隧道轴线。刘永林[5]对武汉地铁虎-名区间双线隧道开挖引起地表沉降进行了大量监测，指出杂填土厚度越大，地表沉降越大。

Addenbrooke等[6]和Do等[7]通过有限元模拟研究了双线隧道先后开挖对地表沉降的影响，有限元结果显示最终引起地表沉降曲线不对称分布。Do等[7]指出后掘进隧道引起的沉降槽更浅和更宽，与Chapman等[1]试验结果不一致。白云等[8]结合上海轨道交通7号线工程，分析了后掘进盾构超越先掘盾构过程中地表沉降的变化过程，指出由于土体遭受二次扰动，在后掘进盾构通过时，地表沉降槽向后掘隧道侧偏移。刘维等[9]对富水地层重叠隧道施工引起土体变形进行了数值模拟分析。桂志敬等[10]通过数值模拟分析，研究了上下交叠式暗挖和盾构隧道施工不同施工次序引起地表变形规律。在理论预测方面，国内学者分别基于随机介质理论[11-14]、高斯公式叠加法[15-16]和复变函数理论[17]，并考虑先行盾构的扰动影响，提出了双线隧道地表沉降的预测方法。

由此可见，从地表横向沉降曲线分析入手，研究双线隧道掘进引起地表的沉降规律，进而分析地层的扰动，是时下地铁双线隧道施工地表沉降研究中的热点，但地表横向沉降曲线并未能反映前、后掘进盾构隧道施工引起的地表沉降发展过程及规律。

为弥补现有研究的不足，本研究结合杭州地铁某区间双线隧道地表沉降的长期监测数据，采用地表沉降发展历程和地表横向沉降曲线相结合的方法分析双线盾构隧道引起地表沉降的发展规律，特别是后掘进盾构隧道施工对地表沉降的影响，为类似工程提供借鉴。

1 杭州地铁某区间隧道工程概况与地质条件

杭州地铁某区间全长约为2 739 m，地铁线路由两条平行的圆形盾构隧道组成，分别为左线和右线隧道。左线与右线隧道的轴线间距离为12 m，隧道结构间净距仅为6.8 m。该工程引入两台外径 6.34 m 土压平衡盾构机掘进施工。2017年8月3日左线盾构先行掘进，而后掘进的右线盾构机在2017年10月17日始发。盾构隧道外径6.2 m，内径5.5 m，每一环管片宽度为1.2 m，厚度为35 cm。每个管环由3个标准块+2个相邻块+1个封顶块拼接而成，各个环间通过错缝的形式进行拼装，管片通过高强度弯曲螺栓拼接而成。

本项目主要地貌特征是河口相冲海积平原地貌，典型的地质剖面如图1所示，各土层的主要物理力学参数见表1。

图1 场地地质剖面和监测断面布置Fig.1 Layout of field geological profiles and monitoring points

表1 地层土体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum soil

盾构隧道轴线埋深在地表下19.0～21.9 m处，盾构隧道主要穿越③6层粉砂层。地下水位标高为6.51～5.41 m(地表下1.5 m左右)，其水位变化亦受到附近河流的影响。盾构隧道所在③6粉砂地层，标准贯入击数N在14～25击之间，可知该粉砂地层处于稍密～中密之间，渗透性大。盾构隧道下卧地层为可塑的⑥2淤泥质粉质黏土夹粉土地层，标准贯入击数N在5～7击之间，其渗透性低于上部粉砂层。

图2 地表沉降监测点布置图(单位:m)Fig.2 Layout of ground surface settlement monitoring points(unit:m)

2 地表沉降监测布置和监测方案

为监测双线盾构前后掘进过程中地表沉降发展历程，依据现行国家标准《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)制定监测方案。图2是SS275-SS315监测断面布置图，SS285-SS315监测断面，监测断面间距为6 m，SS275与SS285监测断面间距为12 m。每一监测断面布置13个地表监测点。在盾构切口距离监测断面3倍盾构直径时，开始对该断面进行监测，监测频率为每天2次，并一直监测到后掘进盾构通过后约20 d。

3 地表沉降监测结果分析

3.1 地表横向沉降分析

图3给出了典型断面在双线盾构前后通过后地表横向沉降曲线。前人指出在盾构通过后8.5～9 d，盾构掘进引起地表瞬时沉降基本完成[18]。在此取左线盾构通过后8.5 d地表监测数据作为左线盾构通过后的沉降量。为了获得仅由右线盾构引起的地表沉降曲线，把右线盾构通过后8.5 d的地表累计沉降减去其到达监测断面前2 d的地表累计沉降值，大致认为是仅由右线盾构扰动引起的地表沉降。

图3 地表横向沉降Fig.3 Ground surface transverse settlements

采用Peck建议的高斯公式对地表沉降进行拟合分析[19]。由图3可见，隧道施工引起的各断面地表沉降和总地表沉降基本可以通过高斯公式拟合。

从拟合曲线结果分析，先行掘进的左线盾构隧道引起的最大地表沉降在5.6～10 mm之间，土体损失率vl在0.2%～0.5%之间。而后掘进的右线隧道引起的土体损失率vl均在0.6%～0.8%之间总体大于先行掘进的左线隧道，且地表最大沉降值在15.2～20.7 mm之间，亦明显大于左线隧道。此外，发现双线隧道通过后引起地表总沉降曲线最大沉降点，并不在双线隧道轴线连线的中点位置处，而是偏向于后掘进的右线隧道轴线。这是先行盾构施工对地层产生了扰动，导致土体的强度和密实度有明显的下降，随着盾构的远离并未能完全恢复。在后掘进盾构施工的再次扰动下，地层变形较为敏感，地表迅速发展，地表沉降值增大，最终地表沉降槽曲线并不严格关于双线隧道轴线中点对称分布，而是略微偏向后掘进隧道轴线。前人通过双线盾构掘进引起的地表沉降进行了室内试验、现场实测分析和有限元模拟亦发现类似现象[1-8]。

3.2 地表沉降发展历程分析

图4 给出了典型断面各测点沉降随时间的变化曲线。为下文表述方便，左线和右线各个断面轴线测点简称为该断面的L和R测点(如断面SS275的左线轴线测点L和R测点分别为SSL275和SSR275，以此类推)；以断面测点横杠后数字定义为相应测点号(如断面SS275的5号测点为SS275-5测点，以此类推)。

由图4可见，先行的左线盾构机通过监测断面后，左线隧道轴线处L测点和两侧监测点3号，5号和6号测点沉降迅速发展，而远离左线隧道轴线的其他测点沉降量较小或部分测点略有隆起。在左线盾构通过33.5 d后，左线L测点地表最大沉降基本达到最大值。而在轴线附近6 m以外的7号测点、R测点和9号测点沉降发展基本稳定。可见，盾构隧道掘进的主要扰动区域是轴线附近6 m范围内，约为一倍的盾构直径，随着时间推移地表沉降持续发展。

右线盾构隧道在左线盾构机通过后34 d左右到达监测断面。由图4发现，在右线盾构到达前2 d，切口距离断面约3倍盾构直径(约18 m)时，各个断面右线隧道轴线附近监测点(R测点和7号测点)沉降开始进一步发展，部分测点已经产生可观的沉降量，如测点SSR275和SS290-7新增的沉降量分别为7.3 mm和10 mm。前人结合杭州地铁隧道施工指出[18,20]，正常情况下切口距离监测断面约1～2倍盾构直径时地表开始发生沉降。而在本工程中，切口距离监测断面3倍盾构直径就引起了可观的地表沉降量。究其原因，可能是由于先行盾构通过率先扰动地层，导致地层对后掘进盾构施工异常敏感，最终表现在切口到达前地表沉降的快速发展。

图4 典型断面监测点沉降随时间发展Fig.4 Settlements of typical cross-section monitoring points varying with time

在盾构切口通过监测断面后，右线附近R测点、7号和6号测点沉降量迅速增加，并随着盾构切口的远离，监测点沉降随着时间增加缓慢增长。相比于其他监测点，各个断面的6号监测点在右线盾构通过后，其沉降变形持续发展。在右线盾构通过30 d后，各个断面的6号测点最大沉降量达到了22 mm(SS275-6)，17.5 mm (SS285-6)，18.8 mm (SS290-6)和31 mm(SS310-6)。其主要原因是，6号测点恰好处于双线盾构掘进影响的重叠区，前后受到两次盾构掘进施工的扰动影响，导致该测点的沉降难以稳定并随着时间持续发展。可见位于双线隧道中间的构筑物经历前后盾构施工影响，其结构安全将会存在较大的风险，在实际施工中应该重点关注。

图5给出了地表监测断面SS275，SS285和SS310左线和右线盾构隧道轴线上测点随时间变化规律。值得注意的是，右线隧道轴线的地表监测点受到左线盾构掘进的扰动而发生了前期的沉降。从上述监测点的沉降发展历程发现，地表沉降监测点在后掘进盾构到达前约2 d时(3倍盾构直径)开始受到后掘进盾构的施工扰动影响。因此，把右线盾构通过前2 d的沉降值进行归零处理，认为从后掘进盾构到达前2 d开始地表轴线沉降主要是由于后掘进盾构所引起。

图5 盾构通过后轴线位置沉降发展历程Fig.5 Development courses of settlement above tunnel axis after shield tunneling passing through

由图5可见，各个断面的右线隧道轴线地表沉降值大于左线隧道。以断面SS275为例，在盾构脱离监测断面后，其右线R测点的沉降发展速度明显大于左线L测点。在盾构通过测点8 d后，测点L与R的沉降值分别为6.2 mm和13.4 mm，后者几乎为前者的两倍。这是因为测点R先后受到两次盾构掘进扰动，引起土体强度减弱，土体密实度下降，因而在后掘进盾构施工影响下，地表沉降大于先行掘进引起的沉降值。从测点的长期沉降来看，R与L测点在盾构通过后20余天逐渐平稳。可能是盾构掘进地层为渗透性较大的砂质地层，受到施工扰动后土体内的孔隙水逐步消散，其土体强度逐渐恢复，因此，长期沉降变化不大。从图中发现，其他断面轴线测点变化规律基本一致。可见，后掘进盾构在已扰动的地层中掘进施工将会导致更大的地表沉降。

4 结论

以杭州地铁某区间双线盾构隧道工程为依托，根据双线盾构隧道掘进引起地表沉降发展的时程曲线和地表横向变形曲线，主要得到以下结论：

(1)左线盾构通过监测断面后，地表沉降迅速发展，主要沉降影响范围在隧道轴线附近6 m范围。

(2)后掘进盾构隧道到达监测断面前2 d(约3倍盾构直径距离)，地表轴线位置开始发生明显沉降，后掘进盾构隧道施工引起的地表沉降大于先行隧道。

(3)后掘进隧道引起的土体损失率和地表沉降槽大于先行盾构隧道，最终地表沉降曲线对称轴偏向后掘进隧道轴线。