砂质粉土层类矩形隧道盾构施工引起的地表沉降

刘凤华

（上海隧道工程有限公司 上海 200232）

盾构法因其具有掘进速度快、施工质量高、对周边的环境影响教小、施工安全性高等优点，在城市地下工程的建设过程中得到越来越广泛的应用［1］。盾构法中的异形盾构断面相较于圆形断面，其有效使用面积增大20%以上。异形断面在相等有效空间的情况下能节约35%以上的地下空间，因此在地下空间工程中的应用也越来越多。类矩形盾构因其断面的差异，在开挖后引起的地表沉降影响范围相较于圆形隧道会更广，因而对周边的既有结构的影响也更大。

目前对于盾构开挖引起的地表沉降现象的研究已有多种分析方法，如解析法、数值分析、实验法和半经验法等［2-3］，包括概率和机器学习［4］等方法也已成为解决隧道沉降和其他复杂岩土问题的有效方法。陈金铭等以国内首例类矩形地铁盾构工程为背景研究了组合施工参数范围内软土的地表沉降规律［5］。邱波通过某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，研究了类矩形与双圆隧道引起的地表沉降规律［6］。寇晓勇［7］等基于Peck 公式和双圆修正Peck 公式的地表沉降计算方法，提出了类矩形盾构隧道施工地表沉降的预测方法。

上述研究从多个角度对隧道开挖引起的地表沉降规律进行了研究，这些研究大多集中在分析黏土中使用盾构法开挖隧道的地表沉降规律，对于砂质粉土中使用类矩形开挖引起的地表沉降则鲜有研究，而类矩形盾构引起土层产生的沉降，会导致类矩形隧道产生不均匀沉降与结构病害。因此，本文基于杭州地铁9号线一期工程，通过对盾构区间段的地表沉降进行监测，重点讨论了盾构施工参数变化对砂质粉土中类矩形盾构引起的地表沉降规律的影响。

1 工程背景与监测方案

1.1 工程概况

杭州地铁9号线一期折返线盾构段工程始发于杭州江干区四季青站，工程区间总长231.1m，如图1 所示。工程采用国内首台11.83m×7.27m 类矩形顶管/盾构一体机掘进施工，在中间井段由顶管改制类矩形盾构机完成后从中间井始发，沿解放东路向西，依次穿越古海塘、新开河和解放东路桥后至接收井接收。区间最小平面半径为700m，最大纵坡-0.2%，顶覆土埋深10.94～11.37m。表1列出了所示土层的物理力学参数。

表1 土体物理力学参数

1.2 监测方案

工程采用综合监测方案来采集盾构开挖过程中的隧道地表沉降值。在隧道地表上设置有21 个监测剖面，每个监测剖面布置11个监测点。每个剖面监测点编号为：DBCn-1，DBCn-2，…，DBCn-11。其中，DBC为监测项目代号，n 代表所监测管节的环号。监测点间距以隧道中心轴线为中心，沿左右两侧对称式设置为4m、8m、12m、32m，见图1。

图1 杭州地铁9号线四季青工程平面图及检测方案

2 监测结果与影响因素分析

影响隧道最终沉降剖面几何形状的因素很多，这些因素分为三大类，即地质、几何（如隧道直径、隧道埋深）和盾构施工参数（如掘进压力、掘进速度、俯仰角和注浆量）［8-9］。本次研究重点在探索两个盾构施工参数：掘进压力、掘进速度对在砂质粉土中使用盾构法开挖的隧道表面沉降的影响。

2.1 掘进压力

掘进压力在掘进过程中可以显著影响隧道开挖引起的地表沉降峰值的大小。在掘进过程中，掘进机在不同的区段会有着不同的掘进压力，从图2（b）、图3（b）可以看出，在51～57 环的区间掘进压力基本保持在250～270kPa 的范围，而91～97环的区间则保持在220～230kPa的范围。它们对应的地表沉降曲线也因此呈现出不同形态，图2（a）中沉降槽宽度略大于单圆Peck公式拟合的沉降槽，而图3（a）中沉降槽宽度则与双圆Peck修正公式拟合的沉降槽宽度贴近。图3（a）与图2（a）沉降槽宽度相比较有略微的增大。可以看出，除了两沉降剖面的形态不同外，图2（a）的沉降量比图3（a）减少约15mm，这是由于在51～57环推进过程中用了比91～97环掘进过程更高的掘进压力，使得地表沉降量更小。

2.2 掘进速度

图2（c）、图3（c）显示了盾构通过监测点区间时的掘进速度（以mm/min 为单位）的变化。本次工程中在55环与95环范围出土率设定在同一数值浮动，出土率的大小对掘进压力有着直接的影响。掘进速度的大小应与出土率相当，当掘进速度过高而出土率过低时地表沉降会减少，当掘进速度不及出土率时地表沉降便会增大。所以当两环出土率相当时，从图2（c）中可以观察到51～57环掘进速度在9～12mm/min范围时，土压力在250～270kPa，而在当图3（c）中掘进速度在3～6mm/min范围时，土压力范围则在220～230kPa，两者的地表沉降也显然是掘进速度更大的沉降量更低，这是由于掘进速度与出土率的关系影响掘进压力大小所导致的。

3 地表沉降规律

3.1 地表横向规律

在盾构掘进过程中由于施工参数的变化，地表横向上呈现的曲线形态会有所不同，从图2（a）、图3（a）中可以观察到类矩形盾构横向地表沉降总体上符合Peck 公式，其中55 环与95 环分别与单圆Peck 公式和双圆修正Peck公式相吻合，虽然两者的峰值沉降与形态有较大差异，但仍然是在单圆与双圆修正Peck的范围内，造成此种现象的原因是两者在推进过程中使用的掘进压力不同导致沉降曲线受到影响，如果使用更高或者更低的掘进压力沉降曲线会超出单圆Peck 与双圆修正Peck 所预测的范围。所以掘进压力应选取230～260kPa之间。

图2 DBC 55 剖面的地表沉降和操作参数

图3 DBC 95 剖面的地表沉降和操作参数

3.2 地表纵向规律

图4 显示了盾构机通过2 个监测剖面DBC55 与DBC95时，不同监测剖面中点的地表峰值沉降变化。

图4 2 个DBC 的沉降峰值

在55、95 环开挖过程中，盾构机通过相应的监测点前地表沉降都出现了隆起，这是由于掘进面压力对前方土体的挤压所导致的土层变形。且DBC55环的隆起达到9.52mm，DBC95 环达到5.6mm。在盾构通过所监测的开挖环数一段时间后，DBC55 环沉降为+12.97mm，而DBC95 环沉降则达到-28.52mm，两者的隆起与沉降值分别接近隆起+1cm与沉降-3cm的控制阈值。由此可以得出，在高掘进压力与低掘进压力下盾构的隆起与沉降会分别加大，在较高掘进压力下，虽然隆起增加，但沉降与低掘进压力相比会明显减小。因此，在10m 范围的砂质粉土层下类矩形盾构施工选择230～260kPa 之间的掘进压力会对地表的隆起与沉降起到很好的控制效果。

4 结语

本文基于杭州9 号线一期折返线盾构段工程的现场施工参数与地表沉降监测数据，对砂质粉土层中类矩形盾构开挖引起的地表沉降规律进行了研究，同时还探讨了盾构施工参数的变化对地表沉降的影响。

（1）类矩形盾构的地表横向沉降曲线在掘进面压力与前方土体压力相平衡的情况下介于单圆Peck 与双圆Peck 修正公式之间。在沉降与隆起控制在规范范围内时，掘进压力过低或者过高的情况下沉降曲线会分别向单圆Peck 公式与双圆Peck 修正公式所拟合的曲线趋近。

（2）盾构出土率一定情况下，掘进速度过快或者过低会直接影响掘进压力的大小，掘进速度快其掘进压力大，掘进速度慢则掘进压力小。

（3）通过分析55环、95环的纵向沉降曲线，发现类矩形盾构施工在较大的掘进压力下地表的沉降值相对于较小掘进压力会明显减小。当掘进压力在230～260kPa时，地表隆起与沉降得到很好的控制。