軟土地層小凈距隧道盾構施工地表沉降規(guī)律分析

余莉,牛曉燕，何計彬,郭偉

(1.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002；2.中國地質調查局 水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051)

?

軟土地層小凈距隧道盾構施工地表沉降規(guī)律分析

余莉1,牛曉燕1，何計彬2,郭偉2

(1.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002；2.中國地質調查局 水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051)

在軟土地層中，針對小凈距盾構隧道施工的地表沉降規(guī)律分析，對保證安全施工與控制地表沉降具有重要的意義.以蘇州地鐵4號線軟土地層為例，根據現場條件，設計監(jiān)測斷面，對比單洞與雙洞施工的地表沉降的變化規(guī)律，并進行分析，得出了以下結論：后行洞施工對先行洞的影響是一個擠壓、剪切與拉伸的過程,地表沉降量也隨之增減；隨著后行洞掌子面向前推進，先行洞地表土體縱、橫向沉降量先增大和后減??；先行洞施工后形成的擾動圈，使得后行洞的地表沉降量始終大于先行洞的沉降量.

軟土地層；小凈距隧道；盾構施工；地表沉降；

隨著城市化建設的不斷深化，為解決城市交通擁擠的現象，對地下空間的開發(fā)和利用也成為當今城市發(fā)展需求.城市地鐵隧道不是城市一誕生就有所規(guī)劃，而是隨著城市的逐漸發(fā)展而隨之產生的，地鐵規(guī)劃和建設不僅要保證地面建筑物的安全，還要保證施工時不能破壞地下管線等已有地下設施.因此，在地鐵選線時，一般都是沿著城市地表道路，一方面是為了乘客乘車的方便，另一方面是為了避開高層建筑物的樁基、地下室與地下管線等.按照規(guī)范[1]對小凈距隧道的定義(在軟巖地段隧道凈距小于4B為小凈距隧道，B表示隧道寬度)，那么城市地鐵大部分都是小凈距隧道，但機械盾構施工與山嶺隧道的新奧法施工不可同日而語，且土體與巖體性質也有較大差異.小凈距盾構隧道在修建的過程中必然存在著復雜的力學關系與交互影響，對它們的研究對保證隧道自身支護結構安全與穩(wěn)定具有重要意義.

國內外學者對雙孔小凈距盾構隧道施工的地表沉降規(guī)律也進行了較多研究.朱才輝等[2]通過對西安地鐵2號線試驗段地表沉降實測資料進行反演，提出來的間隙參數計算方法及修正等代層模型能較為真實地反映施工工藝水平，能夠為盾構施工地面沉降控制提供一定的參考；徐俊杰[3]以廣州地鐵3號線客村站至大塘站區(qū)間隧道盾構工程為背景，利用ANSYS對施工過程進行了三維有限元動態(tài)施工模擬，研究了地表沉降規(guī)律；叢恩偉[4]結合北京地鐵5號線盾構試驗段施工項目，對北京地區(qū)特有地質條件下盾構隧道施工引起的地表沉降進行研究；張飛進[5]針對北京地鐵10號線芍藥居至北土城東站區(qū)間隧道下穿既有城鐵13號線芍藥居車站結構這一實際工程，通過大量的現場監(jiān)測資料分析，研究了盾構掘進過程中對橫向地表沉降和縱向地表沉降的影響過程；鄭淑芬[6]運用有限元軟件MIDAS分析了產生地表沉降的機理和影響地表沉降的因素以及地表沉降的大致規(guī)律；劉昌[7]利用ANSYS有限元軟件生死單元和連續(xù)時步的功能，對引起地表沉降的各種因素進行了比較分析，得出了地層縱向沉降和橫向沉降以及水平位移的規(guī)律；李曙光[8]對南京地鐵1號線玄武門站至許府巷站及許府巷站至南京站區(qū)間，土壓平衡盾構法隧道施工引起的土體變形特性進行了分析，研究了地表沉降過程及其分布規(guī)律.上述研究為地表沉降規(guī)律的研究奠定了基礎，但是在總結盾構近距離施工的縱、橫向地表沉降中還不夠完善.本文根據現場實測數據，總結和歸納雙孔小凈距盾構隧道施工的地表沉降規(guī)律.

1 工程背景

蘇州市軌道交通4號線安元西路站至春申湖路站區(qū)間范圍為測設里程右CK2+530.801～右CK3+989.163，全長1 458.362 m，為雙向隧道，隧道中心距離4～11.00 m，采用土壓平衡盾構法施工，軌面標高-18.65～11.40 m，隧道結構底板標高-20.093～12.843 m，區(qū)間設聯絡通道及泵房二處分別位于右CK3+076.250及右CK3+500.000.盾構隧道施工的支護體系與開挖基本是同步的，主要采用管片和二次注漿進行支護.

根據蘇州軟土地層地鐵修建區(qū)域的埋深為5～16 m，在此埋深下地鐵施工影響的土層主要為雜填土層、黏土層、粉土層、粉質黏土(湖湘沉積層，軟土).

據區(qū)域水文資料，蘇州市歷年最高潛水位標高2.63 m，最低潛水位標高為0.21 m.

2 小凈距雙孔平行隧道施工相關理論

2.1 縱斷面位移

圖1 盾構引起地面沉降過程Fig.1 Process of ground subsidence caused by shield

2.2 雙孔平行隧道橫斷面位移相關理論

根據趙明[9]的研究可知：建立了不同凈距的隧道，認為2個隧道之間的相互影響關系隨著凈距的增大而減小，隨著凈距的減小而增大，當2個隧道之間的凈距增大到一定范圍就沒有影響了.相鄰隧道之間的相互影響是有一定范圍的，隧道施工時產生的重分布應力決定了相互影響關系的大小.隨著2隧道的凈距減小，隧道周圍的重分布應力區(qū)就疊加的越多，且越來越惡化.應力惡化會使得地表沉降范圍增大.

嚴長征[10]運用位移疊加法研究盾構近距離施工引起的位移變化規(guī)律.盾構施工過程中產生的附加應力，造成了地表變形從而引起地表位移主要包括盾構正面應力、側壁摩阻力與土層損失.這3個力造成的位移，分別用(u1，v1，w1)、(u2，v2，w2)及(v3，w3)表示，并按照一定的公式計算，其中(v3，w3)不同于按照三維解析計算獲得的(u1，v1，w1)、(u2，v2，w2)從平面應變的角度計算的結果.通過分析平面應變的假設可知，較常見的原型隧道，地層損失引起的地層位移以環(huán)向收斂為主，忽略平行于軸向的地層位移，即u3=0，因而土體損失引起的三向地層位移為(0，v3，w3).它的計算均基于彈性小變形假定，具有可疊加性，因而盾構施工引起的地層總量位移分別計算由盾構正面壓力、側壁摩阻力以及土體損失三者引起地層變形后直接疊加求得.

劉波[11]等人利用修正的Peck法預測了雙孔平行隧道施工的地表沉降趨勢，得到在同一埋深雙孔平行隧道修正Peck公式為

(1)

(2)

式中,S(X)為平行雙隧道的橫斷面上與雙隧道軸中心線距離為X處地面點的沉降量；L為雙線隧道之間的中心距；Smax為單隧道開挖引起的地表沉降量最大值；Vi為施工引起的隧道單位長度的地層損失；i為沉降槽寬度系數,即地表沉降曲線反彎點與原點的距離，i值由下式計算，

(3)

式中，H為覆土厚度，φ為土體內摩擦角加權平均值.

3 現場地表沉降測試

采用蘇州地鐵4號線安園西路站至春申湖路站的實際監(jiān)測斷面進行實例分析.為了對比模擬數據的可靠性，在現場也采集了先行右洞隧道縱向斷面和橫斷面沉降值，左、右洞之間的凈距為4.2～4.5 m，埋深為15 m，分別對比先行隧道和后行隧道施工的交互影響地表沉降值.

3.1 監(jiān)測方法

沉降監(jiān)測儀器采用DS05高精度水準儀.在監(jiān)測過程中，每次從工作基準點起算，采用精密幾何水準測量方法按國家二等水準測量要求測定各監(jiān)測點的高程，初始值測量必須觀測3次取平均值.

3.2 測點布置

施工中主要設定了8個監(jiān)測斷面來分析地表位移，其布置形式見圖2，其中3個監(jiān)測斷面按圖進行布置(CK2+610、CK2+640、CK2+670)，共有7個監(jiān)測點，而另外5個斷面受場地限制，只有5個監(jiān)測點；同時，在分析過程中，選取典型的CK2+640進行分析，其他點的數據受施工的各種條件影響，不具代表性.縱向監(jiān)測見圖2的Z1，對其監(jiān)測也分為6步，先行右洞施工到達C6斷面時、到達C7與到達C8共采集數據3次，后行左洞施工到達C6斷面時、到達C7與到達C8共采集數據3次.

土體地表橫向沉降監(jiān)測點的布置見圖3，在2隧道中心線布置的監(jiān)測點較近，隨著離中心線越遠，監(jiān)測點的布置也加大，采用精密水準儀進行監(jiān)測，數據的采集在先行隧道施工時采集3次，包括盾構機C6斷面時、到達C7與到達C8.盾構機對后行隧道施工時采集3次，包括盾構機C6斷面時、到達C7與到達C8.共采集6次數據.

圖2 斷面布置示意Fig.2 Layout of section

圖3 橫向斷面測點布置Fig.3 Layout of horizontal section

4 沉降規(guī)律分析

4.1 縱向沉降監(jiān)測值對比分析

1)從圖4可知，先行洞施工對后行洞產生了較大影響，使得后行左洞地表橫向沉降量增加.對比先行洞和后行洞分別到達C6斷面監(jiān)測點Z12(即圖中監(jiān)測點4)的沉降量可知，后行洞的沉降量增加了-6.5 mm.

2)從圖4可知，后行洞施工對先行洞產生了影響，后行洞施工使得先行洞的地表縱向沉降量增加.對比先行洞到達C7的監(jiān)測點C84(圖中監(jiān)測點5)與后行洞到達C7時監(jiān)測點C84的地表沉降量可知，后行洞的沉降量增加了4.4 mm.

3)由圖4可知，對于先行洞到達C6，隨著距離施工面由近到遠，沉降量逐漸減小(對比監(jiān)測點C64與監(jiān)測點C84，其沉降量由-4.6 mm變?yōu)?)，說明當先行洞到達C6時，其沉降量是最大的.而當盾構機經過后，其沉降量有慢慢回彈的現象，見先行洞到達C7時，監(jiān)測點C64(圖中監(jiān)測點1)，其沉降量由-4.6 mm變?yōu)?4.4 mm；對于后行洞，隨著距離施工面由近到遠，在先行洞的影響下，沉降量逐漸減小，對比后行洞到達C8的監(jiān)測點C84與C64的沉降量可知，其沉降量為-9.8 mm與-6.9 mm，減小了2.9 mm.

4)從圖4可以看出，先行洞到達C6后符合理論情況，隨著施工步驟的增加，同一沉降曲線發(fā)生了較大變化(即沉降量不在同一水平面上).說明施工是一個動態(tài)過程，對比先行洞到達C6、C7、C8的監(jiān)測點C64，沉降量分別為-4.6 mm、-4.4 mm和-4.3 mm，說明盾構施工對土體的影響不僅包括單純的沉降，有沉降，也有回彈，而回彈的量小于沉降量.

5)從圖5可知，后行左洞對先行洞施工的不同施工步的增值曲線基本一致.后行左洞第1步與先行右洞第3步施工的縱向沉降量做減法，得到Z1-3-1增值；后行左洞第2步與先行右洞第3步施工的縱向沉降量做減法，得到Z1-3-2增值；后行左洞第3步與先行右洞與第3步施工的縱向沉降量做減法，得到Z1-3-3'增值.對比3條增值曲線的起伏狀態(tài)可知，其變化規(guī)律基本一致，且隨著后行洞施工步的增加其增值減小.見Z1-3-3'增值曲線可知，沉降增值經歷了先增大后減小的一個過程，最大增值與最小增值相差-0.9 mm.說明后行洞的施工對先行洞的影響是一個過程量，在施工經過時增值較大，說明此時左右洞之間的相互影響強烈，可能后行洞施工對先行洞造成了強烈的擠壓、剪切和拉伸作用.當后行洞施工掌子面距離監(jiān)測點越來越遠時，影響量減小，且土體有回彈的現象，且回彈量小于沉降量，見Z1-3-1'增值曲線，施工最近點的沉降量增值為2.9 mm，而距離最遠的監(jiān)測點5為0.6 mm.

橫坐標1-5分別表示監(jiān)測點C64、Z11、C74、Z12、C84圖4 Z1監(jiān)測線數據對比分析Fig.4 Comparison and analysis of Z1 monitoring data

橫坐標1-5分別表示監(jiān)測點C64、Z11、C74、Z12、C84圖5 Z1監(jiān)測點沉降量增值對比Fig.5 Comparison of the value added ofZ1 monitoring points

4.2 交互影響的橫向沉降監(jiān)測值對比分析

1)從圖6可知，先行洞施工對后行洞產生了較大影響，使得后行左洞地表橫向沉降量增加.對比先行洞到達C6與后行洞到達C6的監(jiān)測點C63(圖中監(jiān)測點3)的沉降量可知，由-4.1 mm變?yōu)榱?7.9 mm，后行洞施工的地表沉降量增加了3.8 mm.

2)從圖6可知，后行洞施工對先行洞產生了影響，后行洞施工使得地表橫向沉降量增加.對比后行洞到達C7與先行洞到達C7的監(jiān)測點C61可知，沉降量分別為-3.6 mm與-0.4 mm，增加了3.2 mm.

3)從圖6可知，對于先行洞到達C6，隨著距離施工面由近到遠，沉降量逐漸減小，對比監(jiān)測點C66與C61可知，沉降量減少了5.7 mm，說明當先行洞到達C6時(監(jiān)測點C66)，其沉降量是最大的，而經過后，其沉降量有慢慢減小的現象；對于后行洞，隨著距離施工面由近到遠，在先行洞的影響下，沉降量逐漸減小.對比后行洞到達C8的監(jiān)測點C63與C61的沉降量可知，其沉降量為-6.8 mm與-3.1 mm，減小了3.7 mm.

4)從圖6可以看出，根據先行洞到達C6、C7、C8與后行洞到達C6、C7、C8的監(jiān)測曲線的曲率半徑可知，后行洞施工較先行洞施工后的影響范圍增大，說明雙洞施工比單洞施工對土體的擾動范圍大.

5)從圖7可知，后行洞對先行洞施工的不同施工步的增值曲線基本一致，見圖中的3條曲線的起伏狀況.后行左洞第1步與先行右洞第3步施工的橫向沉降量做減法，得到C8-C6'增值；后行左洞第2步與先行右洞第3步施工的橫向沉降量做減法，得到C8-C7'增值；后行左洞第3步與先行右洞第3步施工的橫向沉降量做減法，得到C8-C8'增值.幾條增值曲線的起伏變化規(guī)律較一致，且隨著后行洞施工步的進行其增值也在減小(對比C8-C8'增值曲線與C8-C6'增值曲線的監(jiān)測點C61可知，增值由-0.19 mm變?yōu)?0.31 mm，減小了0.12 mm)，說明后行左洞的施工對先行洞的影響是一個時間過程量，在施工經過時較大，說明此時左右洞之間的相互影響強烈，可能后行洞施工對先行洞造成了強烈的擠壓、剪切和拉伸作用.當后行右洞施工距離隧道越來越遠時，影響量減小，且土體有回彈的現象.

橫坐標1-7分別表示C6斷面的監(jiān)測點C61、C62、C63、C64、C65、C66、C67圖6 C6監(jiān)測線數據對比分析Fig.6 Comparison and analysis of C6 monitoring data

橫坐標1-7分別表示C6斷面的監(jiān)測點C61、C62、C63、C64、C65、C66、C67圖7 C6監(jiān)測點沉降量增值對比Fig.7 Comparison of the value added of C6 monitoring points

6)從圖7中可以看出，在接近后行洞的沉降量增值的變化過程也是一個隨著施工步驟增加而減小的過程.對比曲線C8-C8'增值與C8-C6'增值的監(jiān)測點C64可知，沉降量增值分別為6.5 mm與7.6 mm，減小了1.1 mm.

5 結論

后行洞施工對先行洞的影響規(guī)律，主要表現在以下幾方面：

1)后行洞施工對先行洞的影響是一個過程(未到達時、經過時與通過后)，表現在縱、橫向沉降曲線上，就是先行洞沉降量的先增大后減小并趨于穩(wěn)定，說明先行洞周圍土體的受力也是一個過程量，即受到擠壓、擠壓與剪切并存、拉伸的過程，沉降量也隨之而改變.

2)針對后行洞施工對先行洞的影響過程(未到達時、經過時與通過后)，對比縱、橫向沉降量，先行洞地表土體沉降速度經歷了先增大和后減小的過程，說明先行洞地表土體在盾構施工通過后有回彈的現象，且沉降量的回彈值始終小于沉降值.

3)先行洞施工后形成的擾動圈，使得一定凈距內的軟土土質發(fā)生了變化，使得先行洞與后行洞的地表沉降值不同，即先行洞的沉降值大于后行洞的沉降值.

[1] JTGD70/2—2014,公路隧道設計規(guī)范[S].2014.

[2] 朱才輝,李寧,柳厚祥,等.盾構施工工藝誘發(fā)地表沉降規(guī)律淺析[J].巖土力學,2011,01:158-164. ZHUCH，LI N，LIUHX，et al. Analysis of ground settlement induced by workmanship of shield tunnelling [J].Rock and Soil Mechanics,2011,01:158-164.DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2011.01.026

[3] 徐俊杰.土壓平衡盾構施工引起的地表沉降分析[D].成都：西南交通大學,2004. XUJJ.Analysis of ground surface settlement caused by earth pressure balance shield construction [D].Chengdu:Southwest Jiao Tong University，2004.

[4] 叢恩偉.北京地鐵盾構法施工引起地表沉降的分析與預測研究[D].天津：天津大學,2004. CONGEW.Analysis and prediction of surface subsidencecaused by shield construction in Beijing Metro [D].Tianjin：Tianjin University，2004.

[5] 張飛進.盾構施工穿越既有線地表沉降規(guī)律與施工參數優(yōu)化[D].北京：北京工業(yè)大學,2006. ZHANGF J.Shield-driven construction cross existed line ground settlement regularity & parameter optimization[D].Beijing:Beijing University of Technology，2006.

[6] 鄭淑芬.盾構隧道施工地表沉降規(guī)律及控制措施研究[D].南京：中南大學,2010. ZHENGSF.Study on laws and control measures of ground settlements caused by shield tunneling[D].Nanjing:Central South University，2010.

[7] 劉昌.盾構施工引起地表沉降的研究[D].西安：西安建筑科技大學,2007. LIUC.Studyon surface subsidence caused by shield construction [D].Xi'an：Xi'an University of Architecture and Technology，2007.

[8] 李曙光.EPB盾構法隧道施工引起的地表沉降分析與數值模擬[D].長沙：中南大學,2006. LISG.Analysis and numerical simulation of groundsurface settlement caused by EPB shield tunneling [D].Changsha: Central South University，2006.

[9] 趙明.小凈距盾構隧道施工力學效應現場監(jiān)測與數值模擬分析[D].北京：北京工業(yè)大學,2012. ZHAOM.Field monitoring and numerical simulation analysis of the mechanical effect of shield tunnel with small s-pacing[D].Beijing：Beijing University of Technology，2012.

[10] 嚴長征.盾構隧道近距離共同作用機理及施工技術研究[D].上海:同濟大學,2007. YANCZ.The mechanism and construction technology of shield tunneling in the near distance[D].Shanghai: Tongji University，2007.

[11] 劉波.地鐵隧道圍巖監(jiān)測與有限元模擬[D].阜新：遼寧工程技術大學,2009. LIUB.Monitoring and finite element simulation of surrounding rock in subway tunnel[D].Fuxin:Liaoning Technical University，2009.

(責任編輯：王蘭英)

Analysis of surface subsidence rule for small clear distance tunnel’s shield construction in the soft soil layer

YU Li1，NIU Xiaoyan1,HE Jibin2,GUO Wei2

(1.College of Architecture and Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China;2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology，China Geological Survey，Baoding 071051，China)

In the soft soil layer，the analysis of the ground surface settlement in tunnel’s shield construction，it was of great significance to ensure the safe construction and control of ground settlement.Taking the soft soil layer of Suzhou Metro Line 4 as an example，according to the field condition and the monitoring section design，compared with the single hole and double hole construction of surface subsidence’s change law，the following conclusions were drawn: the influence of the tunnel construction of the second hole on the first hole was a process of extrusion，shearing and stretching，and surface subsidence were also increased or reduced；along with the second tunnel’s construction，the first hole’s vertical and lateral settlement of the ground surface increased first and then decreased；after the first hole construction，it formed a disturbance ring，so that the surface settlement of the second tunnel was always greater than the amount of the first hole settlement.

soft soil layer；small clear distance tunnel；shield construction；the surface subsidence

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.002

2015-12-27

河北省教育廳青年基金資助項目(QN2016252)； 河北大學中西部提升綜合實力專項資金資助項目；國家自然科學基金資助項目(11502065)

余莉(1985—)，女，四川安縣人，河北大學講師，博士，主要從事巖土工程、地下建筑工程方面的研究. E-mail：964630415@qq.com

牛曉燕(1979—)，女，河北沙河人，河北大學副教授，博士，主要從事彈性力學研究.E-mail:xiaoyan2002@163.com

U456

A

1000-1565(2016)05-0455-07