泥水盾構隧道施工引起的地面沉降分析及預測

林存剛，吳世明，張忠苗，李宗良，劉冠水

（1.浙江大學a.軟弱土與環境土工教育部重點實驗室；b.巖土工程研究所，杭州310058；2.杭州慶春路過江隧道有限公司，杭州310002）

近年來，泥水盾構越來越廣泛地應用于城市水底隧道施工，如上海上中路隧道、上海長江隧道、武漢長江隧道、南京長江隧道、杭州慶春路過江隧道、杭州運河隧道、海寧錢江隧道等［1－2］。對于盾構施工引起的地面沉降，許多學者進行了研究，研究方法主要為經驗公式法、解析法和數值模擬法［3－6］，然而這些研究大都針對土壓平衡盾構，而對于泥水盾構的研究相對較少。泥水盾構與土壓平衡盾構相比，泥水壓力傳遞快速而均勻，開挖面平衡土壓力的控制精度更高，地面沉降量的控制精度更高［7］。而泥水盾構用于水底隧道施工，穿越堤防和水底淺覆土區域，對地面沉降的控制要求更為嚴格。在上海若干水底隧道工程施工中，曾發生了大堤防汛墻底板滲水、防汛閘門變形、防汛墻倒塌等威脅提防安全的事故［8］。因此，深入研究泥水盾構施工引起的地面沉降，具有十分重要的意義。

結合杭州慶春路過江隧道泥水盾構施工地面沉降實測數據，分析了泥水盾構施工引起的地面沉降的特征及規律，總結了影響地面沉降的因素，并給出了地面沉降的預測公式。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

杭州慶春路過江隧道南北方向垂直穿越錢塘江，盾構段總長3 532.442m，其中東線長1 765.478m，西線長1 766.924m。管片外徑11.3m，內徑10.3m，厚50cm，環寬2m。管片采用通用契型環，采用6標準塊＋2鄰接塊＋1封頂塊的分塊形式，錯縫拼裝，縱環向采用高強螺栓連接。

盾構隧道采用兩臺泥水平衡盾構機從江南盾構工作井開始掘進，始發段縱向坡度為－4.25%。盾構主機長11.4m，后配3節拖車，上載砂漿泵、電器液壓設備、主控室等，長約20m。盾構主機總重1 100t，外徑11.65m。

1.2 工程及水文地質條件

盾構施工主要穿越③層粉砂夾粉土、④層淤泥質粉質粘土、⑤層粉質粘土、⑥層粉質粘土、⑦層粉細砂和⑧層圓礫。各土層物理力學指標見表1。隧道穿越土層剖面見圖1。

圖1 隧道穿越土層剖面圖

孔隙潛水賦存于場區淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內，水位高，滲透性好。⑦層砂土、⑧層圓礫為承壓水層，承壓水位高，透水性強。

表1 場地主要土層物理力學指標

續表1

2 地面沉降監測布置

地面沉降監測從江南工作井至錢塘江南岸大堤一共布置19個斷面，編號D1～D18、XB。其中西線隧道監測斷面標記為WD，東線為ED，XB僅布置于西線。監測斷面布置情況如圖2所示。其中D1～D6因處于加固區，數據失真，數據未采用；D7～D12、D17、D18、XB所處地面隧道施工前為農田；D13～D16位于錢塘江南岸大堤之上。筆者僅對西線盾構施工引起的地面沉降進行分析，即 WD7～WD12、WD17、WD18、XB斷面。

圖2 地表監測斷面平面布置示意圖

3 地面沉降監測及分析

3.1 西線隧道橫斷面地面沉降

對于隧道施工引起的橫向地面沉降的估算，工程實踐中應用最為廣泛的為Peck公式［3、9］：

式中：S（x）為地層損失引起的地面沉降；x為距隧道軸線的距離；Smax為隧道軸線處地層損失引起的地面沉降；i為地表沉降槽寬度系數；Vs為隧道單位長度地層損失；η為地層損失率，為地表沉降槽的面積與隧道開挖面積之比；R為隧道開挖半徑。

使用Peck公式預測橫向地面沉降時，最為關鍵的是確定地層損失率V1以及沉降槽寬度系數i的取值。其中地層損失率V1取值受土質、隧道工法及施工參數控制等影響，具有很大的離散性和地區及施工經驗性［10－11］。對于沉降槽寬度系數i的取值，國內外許多學者進行了實測及試驗研究［12－15］，其中應用最為廣泛的是O’Reilly＆New（1982）［15］根據倫敦地區經驗提出的：

式中K為沉降槽寬度參數，定義為橫斷面地面沉降曲線拐點至隧道軸線水平距離與隧道軸線埋深之比；z0為隧道軸線埋深。

對 WD7～WD12、XB、WD17、WD18，9個監測斷面橫向地面沉降進行分析。

分析表明：西線隧道各監測斷面橫向地面沉降特征及規律基本一致，均可用Peck公式較好地擬合。

圖3、4、5分別為 WD8、WD12、WD17斷面橫向地面沉降，圖中地面隆起記為正值。圖中沉降曲線標記，如圖3中第1條沉降曲線標記“0d，11.329m”表示盾構盾尾離開WD8斷面0d，盾構切口離開WD8斷面11.329m。

圖3～5可見：

1）盾構切口到達監測斷面之前，地面隨切口泥水壓力的設定，時有隆起，時有沉降。

2）在盾構盾尾離開監測斷面之前，地面沉降較小，且沉降曲線較無規則。

3）盾尾離開監測斷面時，沉降量和沉降速度陡增，此后橫向地面沉降曲線開始呈現隧道軸線位置沉降最大，向兩側遞減的規律。

4）盾尾脫離監測斷面初期，由于同步注漿作用，隧道軸線兩側或一側約10m之外地面出現隆起。

圖3 WD8斷面地面沉降

圖4 WD12斷面地面沉降

圖5 WD17斷面地面沉降

Peck公式假定隧道施工引起的地面沉降是在不排水情況下發生的，沉降槽的體積等于地層損失的體積［9］。分析發現，西線隧道地面沉降，在盾構脫離監測斷面0～5d或6d之內，沉降速度和沉降量最大，而之后沉降速度出現轉折，開始明顯變慢。一般認為，在盾尾脫離監測斷面之后，由于建筑空隙的產生，會引起比較大的地層損失沉降；之后的沉降主要由擾動土體固結引起；地層損失沉降的速度大于固結沉降速度。故認為盾尾脫離5d或6d之前的地面沉降主要由地層損失引起，選取該天的地面沉降值用Peck公式加以擬合。

表2 西線隧道Peck公式擬合結果

圖6～8分別為 WD8、WD12、WD17，盾尾脫離監測斷面5d或6d時，橫斷面地面沉降用Peck公示擬合的情況。t為盾尾離開監測斷面的時間。各斷面地面沉降Peck公示擬合結果統計于表2。

圖6～8可見，所選取的3個斷面，WD17斷面地面沉降Peck公示擬合最好，其次為WD8，最差為WD12。結合圖3～5，WD12在切口到達前以及盾尾離開初期地面產生較大隆起；WD8在盾尾脫離時軸線一側約10m外產生較小隆起；而WD17斷面只在盾構通過期間，地面出現微量隆起。

盾構切口靠近監測斷面時，泥水壓力設定大于開挖面初始水土壓力時，在附加應力作用下，開挖面上前方土體上抬，進而引起地面隆起；盾尾脫離監測斷面初期，同步注漿壓力較大時，同樣會引起地面上抬。各監測斷面地面沉降Peck公式擬合時發現，當切口壓力及同步注漿壓力作用下地面出現較大隆起時，擬合情況較之于地面隆起小或者無隆起的斷面要差。地層損失沉降比較有規則，一般呈現正態分布曲線形式；而由于切口泥水壓力及同步注漿壓力引起的地面隆起較無規則，會使總沉降曲線偏離高斯曲線分布。

圖6 t＝5d時WD8斷面實測沉降曲線及Peck公式擬合曲線

圖7 t＝6d時WD12斷面實測沉降曲線及Peck公式擬合曲線

圖8 t＝5d時WD17斷面實測沉降曲線及Peck公式擬合曲線

圖7可見，適當提高切口泥水壓力及同步注漿壓力使地面出現微量隆起，可以抵消部分地層損失，降低地面總沉降量，并減少地面沉降范圍。但切口泥水和同步注漿壓力也不能設置過大，以避免較大的地面隆起危及地表及地下建（構）筑物的正常使用和安全。

表2可見，西線隧道各個監測斷面地面沉降槽寬度參數K取值比較集中，在0.25～0.32之間；而地層損失率V1的取值受施工參數控制影響離散性較大，取值在0.04%～0.33%之間。

3.2 西線隧道縱向地面沉降

對于隧道施工引起軸線上方地面沉降隨時間變化的預測，很多學者進行了研究［16－19］。Fang等［16］通過對Taipei MRT CH18B1隧道沉降觀測分析，提出采用雙曲線模型估算隧道軸線上方地面沉降隨時間的變化：

式中，S（t）為t時刻隧道軸線上方地面最大沉降量；t為盾尾離開監測斷面的時間（以盾尾離開監測斷面前1天算起）；a、b為雙曲線常數。

魏綱等［16］通過對11個隧道工程實例分析發現，上述雙曲線模型用于預測隧道工后沉降時，精度較高。劉松樵［19］采用雙曲線模型對上海地鐵一號線及延安東路隧道盾構盾尾離開后地面沉降曲線進行擬合，效果較好。

然而雙曲線模型僅用于隧道施工引起的地面固結沉降的預測，忽略了盾構切口靠近時以及盾構通過期間產生的地層損失沉降。

筆者在Fang提出的傳統雙曲線模型的基礎上，添加參數c，以考慮盾構切口靠近時以及盾構通過期間產生的地面位移，用修正后的雙曲線模型擬合該工程隧道軸線上方地面沉降隨時間變化曲線。修正后的雙曲線模型為：

式中：S（t）為t時刻隧道軸線上方地面最大沉降量，沉降記為負值，mm；t為盾尾離開監測斷面的時間，d；t＝0時，盾尾到達監測斷面；a為雙曲線常數，表征盾尾脫離初期（t≤10d）地面沉降速度，a越大，盾尾脫離初期沉降速度越小；b為雙曲線常數，決定地面最終沉降量大小，b越小，最終沉降量越大；c為雙曲線常數，盾構切口到達前以及盾構通過期間產生的地面位移。

圖9～10分別為WD7、WD10實測軸線地面沉降隨時間變化曲線用修正雙曲線模型擬合的情況。

圖9 WD7軸線地面沉降隨盾尾離開時間變化實測及擬合值

圖10 WD10軸線地面沉降隨盾尾離開時間變化實測及擬合值

使用修正后的雙曲線模型，對各監測斷面軸線地面沉降隨時間的變化曲線均可以較好地擬合，且預測精度高于傳統的雙曲線模型。擬合結果統計見表3。

表3 西線隧道軸線地面沉降雙曲線模型擬合結果

各監測斷面擬合公式，a取值范圍0.15～0.5mm－1·d，b取值0.014～0.035mm－1，c取值－14～3.3mm。

3.3 西線隧道盾構通過各個階段地面沉降

盾構隧道施工引起的地面位移，根據盾構與監測斷面的相對位置以及形成機理，可分為4個階段：

1）切口到達前地面位移：當切口壓力設置小于開挖面初始水土壓力時，開挖面應力松弛，引起切口上前方地面沉降；當切口壓力設置大于開挖面初始水土壓力時，附加應力作用下會引起切口上前方地面隆起。合理的切口泥水壓力設置是控制該階段地面位移的關鍵。

2）盾構通過時地面位移：良好的盾構掘進姿態，以減少盾構機的俯仰、偏轉以及橫向偏移，減少超挖和減輕盾構與周圍地層的摩擦、擠壓，可降低該階段地面沉降。

3）盾尾沉降：盾尾脫離監測斷面時，由于建筑空隙的產生，會引起較大的地層損失沉降。同步注漿及時充分地填充建筑空隙，可有效地降低盾尾沉降。本文取盾尾離開監測斷面0～5d或6d內的沉降為盾尾沉降。

4）固結沉降：主要為盾構施工擾動土體固結沉降，除受到土層影響之外，施工擾動的大小也是其重要的影響因素。本文取盾尾脫離5d或6d后的沉降為固結沉降。

以上4個階段沉降值分別記為S1、S2、S3、S4，對應沉降速度記為V1、V2、V3、V4，地面總沉降量S＝S1＋S2＋S3＋S4，監測周期內總沉降速度記為V。各監測斷面各階段軸線地面沉降值及占總沉降的比例統計于表4。

表4可見：

1）S1取值范圍－3.41～3.16mm，V1取值范圍－1.14～0.10mm／d，占總沉降的比例－12.01%～10.35%。該階段沉降主要受到切口泥水壓力設定的影響，由于各斷面切口泥水壓力設定的不同而表現出較大波動。

2）S2取值范圍－1.87～5.66mm，V2取值范圍－0.79～2.83mm／d，占總沉降的比例－9.41%～18.72%。

3）WD11斷面同步注漿作用下地面出現較大隆起，WD12斷面受到盾構長時間停機的影響，使得該兩個斷面地面沉降規律與其他斷面差別較大。在分析S3及S4取值時該兩個斷面不予考慮。S3取值范圍11.49～23.58mm，V3取值范圍2.18～5.90 mm／d，占總沉降的比例38.01%～64%，平均為57.27%。該階段沉降主要受到盾尾同步注漿影響。

4）S4取值范圍9.86～14.58mm，V4取值范圍0.31～0.86mm／d，占總沉降的比例36%～50.67%，平均為41.08%。

以上分析可見，對于該工程泥水盾構施工引起的地面沉降，盾尾脫離初期（0～5／6d）盾尾沉降量和沉降速度最大，約為總沉降量的57.27%；盾構切口到達前以及盾構通過時的地面沉降，受切口壓力設定以及盾構姿態控制波動較大，位移值控制在±5 mm之內；后期固結沉降占總沉降的比例較大，約為41.08%。由于各斷面監測時間有限，固結沉降在監測結束時仍繼續進行，因此，其所占比例還會加大。由此可見，該工程泥水盾構施工引起的地面沉降，大部分為盾尾沉降及擾動土體長期固結沉降，而盾構穿越之前的位移相對較小，甚至起到抵消后續沉降的作用。

表4 西線隧道盾構穿越不同階段軸線地面沉降

4 結論

1）西線隧道盾構施工引起的地面沉降可用Peck公式較好地擬合，各監測斷面地面沉降槽寬度參數K取值比較集中，在0.25～0.32之間；而地層損失率V1的取值受施工參數控制影響離散性較大，取值在0.04%～0.33%之間。

2）泥水盾構在軟土地層中施工，大部分地面沉降為盾構脫離0～5d或6d內的盾尾沉降以及擾動土體長期固結沉降，分別約占總沉降量的57.27%和41.08%；盾尾脫離監測斷面0～5d或6d期間，地面沉降速度最大。

3）適當提高切口泥水壓力以及同步注漿壓力使地面出現微量隆起，可以抵消部分地層損失，降低地層損失率及地面沉降范圍，有利于沉降控制。

4）地層損失沉降比較有規則，符合高斯曲線分布形式；而由于切口泥水壓力及同步注漿作用引起的地面隆起較無規則，會使總沉降曲線偏離正態分布曲線。

5）引入新的參數c，以考慮盾構切口靠近時以及盾構通過期間產生的地面沉降的修正雙曲線模型，可以較精確地擬合軸線地面沉降隨盾尾離開時間的變化曲線，可用于泥水盾構軟土地區施工引起的長期地面沉降的預測。

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