盾構施工對堤頂沉降的預測及控制研究

鄭 燁 樊建苗

(浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江杭州 310016)

1 概述

盾構法隧道施工具有地面影響小、機械化程度高、進度快等優點，逐漸成為隧道等地下結構的首選施工工藝。然而在盾構過程中不可避免地會對周圍土體產生擾動，從而引起地面沉降。盾構施工引起的地面沉降的范圍和沉降值是國內外學者普遍關注的問題。本文依托秦山核電廠盾構排水隧道工程，分別采用Peck經驗公式和PLAXIS有限元對盾構施工過程中堤頂沉降進行了預測，并提出了沉降控制措施，為海堤的保護和排水隧道工程的順利實施提供了依據。

2 工程概況

秦山核電廠擴建項目的排水隧道工程位于廠區的東北部，采用土壓平衡盾構法施工，排水隧道穿越秦山一期海堤后延伸入錢塘江，工程由高位虹吸井、排水隧道、頂升管及噴口等組成。

隧道穿堤處地質概況為:①堤身填土層，主要為粘性土、開山塊石、碎石及巖粉和巖屑組成;③-1粉土層，灰色～灰黃色，局部含少量粉砂，干強度中等，韌性中等;④淤泥質粘土層，淺灰色～灰色，干強度高，韌性高，軟塑～流塑;⑤粉質粘土層，褐黃色、灰黃～灰綠色，干強度高，韌性高，可塑;⑥粘土層:灰～淺灰色，干強度高，韌性高，可塑～硬塑;⑦粉質粘土層:灰色、灰黃色～灰綠色，干強度高，韌性高，硬塑～堅硬。具體物理力學指標見表1。

表1 排水隧道穿堤處土層的物理力學指標

3 地表沉降的預測與分析

3.1 經驗公式法預測地表沉降

Peck［1］在大量實測地表沉降數據的基礎上，提出了地表沉降槽呈現正態分布曲線，沉降槽的體積等于地層損失的體積，并提出隧道施工產生的地表沉降橫向分布的經驗公式:

其中，S(x)為距離隧道中心線x處的地表沉降，m;Smax為隧道中心線處最大地面沉降，m;x為距隧道中心線的距離，m;i為沉降槽寬度系數，m;Vs為隧道單位長度土體損失量，m3/m。

關于隧道單位長度土體損失量，其大小不僅與工程地質、水文地質條件等有關，還與施工方法、施工技術和管理水平等因素有關。目前，隧道單位長度土體損失量的計算方法主要有:1)經驗方法:根據類似工程施工經驗，選擇一個合適的土體損失百分率Vl，則Vs=VlπR2，其中，R為隧道外半徑，對于粘性土Vl通常為0.5%～2.0%［2，3］;2)采用Lee K.M.等［4］提出的等效土體損失參數g進行計算:

其中，g為等效土體損失參數，具體參見文獻［4］。

沉降槽寬度系數i決定了盾構施工對周圍土體的影響范圍。國外學者［5，6］通過理論分析和實測資料，對沉降槽寬度系數給出了不同的經驗公式。國內學者璩繼立等［7］通過對實測數據進行擬合，指出:沉降槽寬度系數與隧道軸線埋深的八次冪成線性關系;劉建航等［8］提出以下公式來計算沉降槽寬度系數:

其中，z為地面至隧道軸線深度;φ為各土層有效內摩擦角。

秦山核電廠穿堤排水隧道外半徑為4.05 m，土的內摩擦角17.2°，隧道頂部覆土厚27.45 m，采用Peck法計算不同土體損失率下，堤頂各處沉降值，見圖1。

圖1 不同地層損失率下堤頂沉降曲線圖（Peck公式）

如圖1所示，隧道盾構后，土層沉降對稱分布，最大沉降出現在隧道中心軸線處。土體損失量為0.5%～0.8%時，沉降最大值分別為:6.9 mm，8.3 mm，9.7 mm和11.1 mm。

3.2 有限元數值模擬法預測地表沉降

有限元數值模擬采用PLAXIS程序。PLAXIS程序是荷蘭開發的巖土工程有限元軟件，能夠計算巖土工程中變形、穩定以及滲流等問題。下文對有限元模型的前處理、材料本構模型的選擇及參數取值做簡單的介紹和討論。

3.2.1 有限元模型的建立及網格的劃分

穿堤排水隧道可簡化為二維平面問題:隧道及襯砌結構采用板單元模擬，土體采用三角形15節點實體單元模擬。通過試算確定對堤頂變形無明顯影響時的模型邊界取值范圍，左、右側邊界自隧道中心線起均取50 m，下側邊界自堤頂取50 m。左右邊界的約束情況為水平約束，底面邊界約束情況為固定約束，有限元模型的網格劃分見圖2。

圖2 排水隧道有限元模型網格劃分圖

3.2.2 穿堤排水隧道有限元模型材料參數

穿堤排水隧道有限元模型中包含了土體、隧道襯砌等結構。其中土體采用Mohr-Coulomb本構模型;隧道襯砌采用線彈性模型;土—結構接觸面采用界面單元模擬，隧道襯砌結構與土體在材料性質有較大的差異，為了滿足有限元理論位移協調原則，需要在兩種材料之間加設界面單元。通過加設界面單元的方式可以有效模擬襯砌與土體之間的相對位移。隧道襯砌與土體的接觸表面是介于完全光滑和完全粗糙之間的，其界面的粗糙程度用一個適當的因子來衡量，在PLAXIS中設定了界面強度折減因子Rinter。該因子將界面強度指標和土體強度指標相互聯系在一起。其關系式為:

其中，ci和φi分別為界面的內聚力和摩擦角;csoil和φsoil分別為土層的內聚力和摩擦角。

對于有限元計算參數的取值:重度、摩擦角、粘聚力等直接取用地質勘查參數，泊松比根據土質參照工程地質手冊取值［9］，土層的彈性模量根據賈堤等［10］提出的計算公式計算:

本文中α取值范圍為3～5，PLAXIS中定義E為50%強度的割線模量，Es為土的壓縮模量。

土層與隧道襯砌的材料參數見表2與表3。

表2 土體有限元計算參數取值表

表3 隧道襯砌有限元計算參數取值表

3.2.3 穿堤排水隧道有限元計算結果分析

由于土體損失量的大小直接影響到堤頂沉降，本文通過PLAXIS計算不同土體損失量下的堤頂沉降值，土體損失量為0.5%～0.8%時，堤頂各處沉降的橫向分布圖如圖3所示。

如圖3所示，隧道盾構后，土層沉降對稱分布，最大沉降出現在隧道中心軸線處。土體損失量為0.5%～0.8%時，沉降最大值分別為:7.1 mm，8.2 mm，9.4 mm和10.5 mm。

4 地表沉降的控制措施

盾構施工導致的地面沉降的因素很多［11］，主要有:隧道覆土厚度、盾構外徑、盾尾注漿的填充率等因素。對于某一特定的隧道工程，盾尾注漿的填充率則是影響地面沉降的關鍵因素。根據工程實踐，土體的彈性模量、盾構推進時土倉壓力以及地下水位均對地表沉降產生一定的影響。

圖3 不同地層損失率下堤頂沉降曲線圖（PLAXIS法）

由于排水隧道所穿海堤為臨江一線海堤，保障著秦山核電廠的安全運行，需要采取有效的措施控制堤頂沉降值，通過分析類比類似工程，提出如下堤頂沉降控制措施:

1)采用土壓平衡模式掘進，嚴格控制出土量，確保土倉壓力工作面的穩定，控制堤頂沉降值;2)優化同步注漿和壁后注漿的工藝和參數，及時并極大極限充填空隙;3)采取盾構后對土體的復注漿加固，可以減小土體次固結量;4)加強堤頂沉降和隧道的變形監測，嚴格控制同步注漿的壓力，一旦發現異常，及時調整掘進參數并采取加固措施，確保海堤和已建成隧道的安全。

5 結語

1)盾構施工引起的堤頂沉降受多種因素的影響，主要有隧道覆土厚度、隧道外徑、開挖面壓力、地層物理力學性質、施工條件等，其中盾尾注漿的填充率則是影響堤頂沉降的關鍵因素;2)盾構機通過后，隧道左右土體有靠近隧道的水平移動;土層沉降對稱分布，最大沉降出現在隧道中心軸線處，隧道上方的地層沉降隨深度增加而增加，在接近隧道頂端位置達到最大，在隧道下方土體出現向上的位移，在隧道底端達到最大;3)Peck經驗公式和PLAXIS有限元計算結果基本吻合，得出了盾構過程中堤頂橫向沉降的基本規律:地表沉降呈對稱分布，隧道軸線正上方地表沉降最大，向左右沉降分別逐漸減小;4)盾構施工過程中應嚴格控制出土量，采取預先注漿加固隧道上方土體、同步注漿、壁后注漿和盾構后復注等措施來控制堤頂沉降。

［1］ Peck R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground［A］.Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.Mexico City.［s.n.］，1969：225-290.

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［5］ O’Reilly M P，New B M.Settlements above tunnels in the United Kingdom-their magnitude and prediction［A］.Proceedings，Tunneling’82［C］.London：Institution of Mining and Metallurgy.［s.1.］：［s.n.］，1982：137-181.

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［7］ 璩繼立，許英姿.盾構施工引起的地表橫向沉降槽分析［J］.巖土力學，2006，27(11)：313-316，322.

［8］ 劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.

［9］ 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊［M］.第4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［10］ 賈 堤，石 峰，鄭 剛，等.深基坑工程數值模擬土體彈性模量取值的探討［J］.巖土工程學報，2008(10)：156-158.

［11］ 張海波，殷宗澤，朱俊高.隧道盾構法施工地面沉降影響因素分析［J］.鐵道建筑技術，2005(1)：32-35.