武汉软土地区盾构施工地面沉降与注浆加固研究

杨 龙，徐 海 清，李 长 冬，姚 文 敏，于 越

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074； 2.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430030)

随着城镇化进程的加快，城市人口规模急剧增长，给市内交通运输带来巨大的压力，发展城市地下轨道交通成为一个必然的趋势。地铁隧道在盾构开挖过程中，不可避免地对施工范围内的岩土体造成扰动，尤其对于力学性质较差的软土地层，这种扰动效应更为显著，引起地层大量沉降，危及周边建筑物及地下管线等。目前武汉运营的地铁有10多条线路，在建与拟建线路多达10余条。武汉软土分布广泛且深厚[1]，给地铁建设带来较大的施工风险。因此，针对武汉软土地质条件特点，开展软土地层盾构施工沉降规律与控制研究具有十分重要的现实意义。

关于盾构开挖引起的地表沉降，主要有经验公式法、解析法、数值模拟法等。经验公式法早期有Peck[2]根据监测数据统计分析提出的Peck沉降经验公式，后来的学者[3-7]基于此方法提出各种改进的Peck公式以适应各地的地质条件。钟俊辉[8]针对福州软土地质条件利用地表沉降监测数据分析了盾构施工沉降规律。关于解析法研究，Sagaseta[9]运用弹性力学的方法推导了三维地面不排水条件下隧道开挖后地层位移场的解析解。其后Verruijt和Booker[10]在Sagaseta的基础上考虑了隧道椭圆化变形的地层位移场计算公式。梁荣柱等[11]基于Mindlin解推导了考虑刀盘挤压效应导致软土软化进而引起地表与深层土体位移的解析解。关于数值模拟法，陈自海等[12]利用ABAQUS软件以杭州软土地层为背景分析盾构施工参数对地面沉降的影响，认为土舱压力对地面沉降影响最大。张洋等[13]利用PLAXIS 3D分析大直径盾构施工地层参数对地面沉降的影响，得出地面沉降对地层模量参数最为敏感。赵耀强等[14]利用FLAC 3D分析了北京、杭州、南京、上海等地区典型地层盾构始发沉降规律，发现地质条件对盾构施工地表沉降影响较大，沉降控制需结合当地地层特点开展专项研究。关于盾构隧道软土地层加固方面，朱建峰[15]根据佛山软土地质条件通过数值模拟、工程类比等多种手段，认为盾构施工前预加固能显著改善地基条件与管片受力情况。龚彦峰等[16]根据水土耦合理论模拟了珠海某软土盾构隧道基地加固对工后沉降的影响，结果表明加固后能够有效减小地面与拱顶沉降。目前不同地区盾构施工沉降的研究取得丰硕成果，而盾构施工沉降规律与当地的地质条件密切相关，但结合武汉软土地质条件开展相关的研究较少，有必要开展进一步研究。

本文以武汉地铁3号线某盾构区间实际工程为背景，基于武汉的软土地质条件特点，将数值模拟与现场监测数据相结合，分析了几种典型软土地质断面盾构开挖引起的地面沉降规律，并对性质较差软土区段隧道洞内注浆加固范围开展了相关研究。研究成果可为武汉软土地区以及类似地质条件地区的地铁建设提供一定的理论参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

研究区段为武汉地铁3号线某盾构区间，平面布置如图1所示。该区间下穿工业厂房与密集的居民区建筑群，存在较大施工风险。隧道先开挖左线后开挖右线，施工周期相隔两个多月，因此，结合监测数据仅分析单线开挖引起的地面沉降。隧道结构采用C50预制管片错缝形式拼接，其中管片外径为6 m，厚度为0.3 m，宽度为1.5 m。

图1 研究区平面布置Fig.1 Plane layout of the research field

1.2 工程地质条件

根据地质勘察报告，该盾构区间位于武汉长江二级阶地，属于埋藏型阶地。场地地形平坦开阔，第四系地层广泛分布，厚度达42～63 m，详细地层分布如图2所示。场地内主要地层有：① 杂填土、② 淤泥质土、③ 黏土、④ 粉质黏土、⑤ 粉细砂、⑥ 中粗砂、⑦ 强风化的泥岩。由图2可知：盾构隧道沿线的地质条件变化较大，且软土厚度分布不均，局部厚达35 m，在盾构掘进过程中易受扰动产生大规模的沉降，对上部地面建筑物及附近地下管线等构成严重威胁。为控制地面沉降提高隧道地基的承载力，根据设计资料，在该区段增设了注浆孔环管片，利用袖阀管对隧道外部3 m范围的软土进行洞内注浆加固，如图2～3所示。

图2 AA’-BB’区间纵断面Fig.2 Longitudinal geological profile between section AA’ and BB’

1.3 地表沉降监测布置

为及时监测盾构施工过程中地面沉降情况，开展信息化施工，在隧道上方地面每隔20 m间距，沿隧道中心线布设7个地面监测点。采用徕卡全站仪、电子水准仪等多种测量仪器在施工过程中进行监测，直至地层变形区域稳定，监测点的横断面布置如图3所示。

图3 地面沉降监测布置Fig.3 Layout of monitoring points for ground surface settlements

2 不同软土地层条件下盾构施工沉降数值分析

2.1 地层模型建立

如图2所示，该区间沿线地层条件变化较大，且软土分布厚度不均。本文根据纵断面图2剖面线A1-A4，实际选取了4个具有代表性的软土地质横断面，建立隧道开挖的计算模型，如图4所示。结合现场的监测数据研究软土地质条件对盾构施工地面沉降的影响以及注浆加固对沉降的控制效果。

图4 不同软土地层盾构开挖数值模型Fig.4 Numerical model of shield tunnel excavation in different soft soil stratum

由图4可以看出：A1断面，隧道断面一半通过软土地层；A2断面，隧道全断面通过软土地层，并与软土地层底部相切；A3断面，隧道全断面通过软土地层，且底部有一定厚度的软土；A4断面，软土距隧道上方一定距离。此外，根据设计资料，对隧道外侧3 m范围内的软土进行注浆加固。

本文采用ABAQUS有限元软件分别计算这4个断面在未注浆与注浆2种工况下盾构施工引起的沉降，并与现场的监测数据进行对比分析。为防止边界效应对数值模拟结果的影响，计算尺寸为70 m×55 m(长×宽)，隧道埋深均为20 m，半径3 m，厚度0.3 m。模型两侧设置法向约束，底部为固定约束。隧道开挖与支护采用ABAQUS中单元的钝化与激活实现[17]。

2.2 岩土计算参数选取

岩土参数根据地质勘察报告获得(见表1)。其中，C50管片环考虑到管片间接头连接，刚度乘以折减系数0.7[18]，等效为均质线弹性模型，土层则采用弹塑性模型与摩尔库伦屈服准则进行计算。

表1 岩土物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

2.3 计算结果与分析

图5为4个断面在隧道开挖后地面沉降曲线，其中A1～A3断面处隧道与软土地层相交。洞内注浆加固后，地面最大沉降量均控制在12 mm以内，且沉降曲线与实际的监测数据基本一致，有效减小了隧道纵向的差异沉降。当未进行注浆加固时，A1～A3断面地面的最大沉降量均超过隧道规范控制值25 mm[19]。

图5 典型软土地层断面开挖沉降曲线Fig.5 Settlements curves of typical sections in soft soil stratum

A4断面未对地层注浆加固而沉降量较小，表明隧道穿越的地层条件对施工沉降有较大影响，性质较差的软土地层中开挖易产生较大的地面沉降，而采用注浆加固能够显著地改善地面沉降，如A1断面最大沉降量由42.09 mm减小为11.45 mm。

为对比软土地层条件对盾构隧道开挖引起地面沉降的影响，汇总了4个典型断面隧道在未加固时开挖后的地面沉降曲线(见图6)。从图6可看出地层条件对地面沉降量有显著影响，按照沉降量大小排序有：A4

图6 A1-A4断面地面沉降曲线Fig.6 Settlement curves of section A1-A4

3 盾构隧道穿越不同软土地层分布对地面沉降影响

为进一步研究盾构隧道穿越不同软土地层分布的沉降规律，根据实际的地质剖面概化出图7共计8种软土地层断面，计算模型的尺寸同图4，包括隧道与软土地层底部相离、相切、相交等8种工况，对应的工况列于表2。为分析方便，隧道中心与软土地层底部距离L换算为与隧道半径r的比值，当软土在隧道中心以下，该比值为正，反之为负。

表2 不同软土地层分布的隧道开挖工况Tab.2 Excavation of shield tunnel in different distribution of soft soil stratum

图7 不同软土地层分布断面(图中断面从左至右分别为B1～B80)Fig.7 Cross sections of typical distribution of soft soil stratum

利用ABAQUS对这8个断面进行隧道开挖的数值模拟，地面沉降计算结果示于图8。当隧道与软土地层顶部相离至相切时，即图8中B1-B2对应曲线，地面沉降均在20 mm以内，表明盾构隧道未通过软土地层，此时软土未受明显扰动，引起的地面沉降较小。当隧道与软土地层相交时，即图8中B3-B8对应曲线，地面沉降随着隧道通过断面软土比例的增加而急剧增大，直至全断面通过软土，沉降达到最大值，超过60 mm，但增加量趋于减小，表明施工引起的地面沉降与软土受扰动面积正相关，而隧道下方软土厚度对盾构施工地面沉降的影响不大。

图8 不同软土地层分布的地面沉降曲线Fig.8 Ground surface settlements curves in different distribution of soft soil stratum

图9为对比地面最大沉降量与软土地层分布的关系。按隧道与软土地层之间位置关系可分为三大类：第一类为隧道未通过软土地层，此时软土受扰动较小，沉降量最小；第二类为隧道部分通过软土地层，随着断面软土比例增加，沉降量迅速增加；第三类为隧道全断面通过软土地层，此时软土扰动面积最大，沉降量达到最大，但随着隧道底部软土厚度增加沉降影响趋于稳定。

图9 最大沉降量与软土地层分布之间的关系Fig 9 Relationships between the maximum settlements and distribution of soft soil stratum

4 洞内注浆加固厚度对地面沉降控制效果分析

隧道洞内注浆加固一般适用于当地面注浆作业空间受限制时，在隧道内通过袖阀管等对隧道外侧一定范围的土体进行注浆来改善土体强度。前面的分析表明，隧道全断面通过性质较差的淤泥质软土时易产生较大的地面沉降。在实际工程中，注浆加固能提高隧道地基承载力，但会耗费大量的经济成本，因此有必要开展注浆加固范围的研究。笔者以A3断面为例，如图10所示，分析隧道外侧加固厚度对地面沉降控制效果的影响，厚度分别为隧道外侧1，2，3，4，5 m等5种工况。

图10 隧道洞内注浆加固示意Fig.10 Sketch of grouting reinforcement in the shield tunnel

图11为地面最大沉降量与隧道加固范围之间的关系曲线，随着加固范围的增大，地面的沉降量逐渐减小，但加固效果也会逐渐减小。当隧道加固范围超过2 m时，盾构隧道施工沉降量控制在规范[19]控制值25 mm，而注浆量范围过大时，如超过4 m时地面会轻微隆起，而当注浆范围超过5 m，此时地面隆起量接近10 mm。由此可见，注浆加固能够显著改善地面沉降，但加固范围过大会造成不必要的经济浪费且会挤压地层引起较大的地面隆起，2 m的加固范围能够将沉降控制在规范允许值内，但考虑到未来地铁安全平稳运营，此区间实际加固范围3 m留有一定的安全储备，是偏安全与合理的。

图11 地面最大沉降量与洞内注浆加固厚度关系曲线Fig.11 Relationship between the maximum settlements and thickness of grouting reinforcement

5 结 论

本文依托武汉地铁3号线某盾构隧道工程，考虑武汉地区的软土地质条件特点，采用数值模拟与现场监测数据相结合的方法，分析了不同软土地质条件对隧道施工过程中地面沉降的影响规律，同时对软土地层注浆加固范围也进行研究，结论如下。

(1) 隧道开挖过程中，地质条件对隧道沉降有着显著影响：当隧道通过性质较差易受施工扰动的软土等地层时，地面易产生显著沉降；而当隧道穿越地层变化较大的地层，易产生不均匀沉降，应采取注浆等工程措施减小这种差异沉降。

(2) 软土地层开挖产生的地面沉降量与隧道开挖断面中软土面积占比正相关，因此在隧道线路设计时，尽量减小隧道与软土等工程性质较差地层的相交，可从隧道线路设计的角度减小地面沉降。

(3) 注浆加固能够显著改善地层的沉降，随着注浆范围增大，地面沉降会逐渐减小甚至会出现隆起，对于直径为6 m左右的软土地层盾构隧道，注浆加固范围宜取3 m较为合理。

(4) 本文基于武汉软土地层开展研究，研究成果可为类似地区软土地层的地铁线路建设中地面沉降控制提供一定的参考。本文未考虑软土地层在隧道运营期间地铁往复荷载作用下产生的蠕变沉降，今后将进一步开展深入研究。