寧波軟土地質盾構推進過程地表三維變形規律分析研究

文 / 何 山

寧波市軌道交通第一輪建設工程1、2號線區間隧道洞身主要位于8.0～17.0m厚的海相淤泥質軟土和粉質粘土地層中，穿越眾多的城市主干道，臨近地表分布著重要且密集的建筑群，地下施工環境條件極為復雜。設計、施工方面均缺少盾構法隧道施工對周邊環境的影響規律研究和道路與地表建筑物沉降控制及其防治技術的經驗可循，許多技術問題尚需進一步探究和解決。因此，通過對寧波軌道交通1、2號線盾構隧道監測數據統計分析，探究寧波軟土地質盾構推進過程中地表三維變形規律，對指導工程設計、施工及控制安全風險具有十分重要的意義。

盾構區間地表變形規律

地面沉降的分布模塊是三維的。隨著盾構推進，所設的測點處的沉降量逐漸增加，沉降區域的寬度也日趨發展。目前對地層位移預測方法主要有經驗公式、數值模擬、解析法、模型試驗研究、專家系統和灰色理論等。工程實踐中常用的隧道上方橫斷面地表沉降變形預測公式是Peck公式，而沿隧道掘進方向的地表沉降受影響的因素較多，目前尚需大量工程實測數據統計分析。

圖1 盾構掘進地表沉降三維分布。

盾構區間地表監測點布點原則

寧波軌道交通隧道工程的周邊地表沉降監測斷面及監測點布設原則為：

1.監測點沿盾構隧道軸線上方地表布設，監測等級為一級時，監測點間距為5m～10m；監測等級為二級、三級時，監測點間距為10m～30m，始發和接收段適當增加監測點；

2.根據周邊環境和地質條件布設垂直于隧道軸線的橫向監測斷面，監測等級為一級時，監測斷面間距為50m～100m；監測等級為二級、三級時，間距為100m～150m；

3.對于二、三級監測，橫向斷面布置范圍不小于隧道邊線以外2H，且不小于20m；在深厚淤泥質土層下，布置平面范圍不小于3H。垂直于隧道方向的間距宜按照“3m，5m，5m，10m，……”先密后疏布置，數量應根據現場環境確定，且單側不少于4個點。地表豎向位移監測點的平面布置示意圖如圖2所示：

圖2 地表豎向位移監測點的平面布置示意圖。

4.在始發和接收段、聯絡通道等部位及地質條件不良易產生開挖面坍塌和地表過大變形的部位，應有橫向監測斷面控制；且除布置一般測點外，還應布置地面深層監測點，布設位置可按圖3所示：

區間橫向地表沉降變形規律

Peck在總結隧道地表沉降的實測數據，提出的一套方法，他認為假定施工引起的地面沉降是在不排水條件下發生的，沉降槽體積等于地層損失的體積。地層損失在隧道長度方向上是均勻分布的，地表沉降的橫向分布類似于正態分布曲線。如圖4所示。

圖3 地面深層監測點布置圖。

圖4 沉降槽橫向分布示意圖。

Peck橫向分布公式為：

Peck公式的提出使沉降預測在數學上大大簡化，經過多年的工程實踐驗證積累了豐富的應用經驗，被證明是一個有效的預估沉降的方法，目前已成為經典公式，很多其他的方法都是基于此提出的修正方法。很多學者對peck公式的沉降槽寬度i和底層損失V這兩個重要參數進行了研究。

通過對寧波1、2號線澤～大區間、西～鼓區間、大～西區間、澤～望等盾構區間橫斷面地表沉降所引發的橫斷面影響范圍進行匯總分析，形成統計成果如下：

表1 變形比統計數字特征

圖5 盾構施工引發橫斷面影響范圍統計分布圖（m）。

基于圖5、表1分析，本區段盾構施工引發橫斷面影響范圍（按2.5i進行分析）均值為12.12m(距中心軸線距離)，主要分布區間為5m～28m，說明本軟土地質段盾構區間掘進影響范圍約為5m～28m，考慮到該四個區間盾構施工埋深取值范圍10m～15m，則無量綱的影響范圍取值為0.5H～2.8H（H為盾構埋深）。也即，本區段盾構施工引發地表橫斷面影響范圍最大值約為2.8H（28m）左右，說明軟土地質段，盾構施工所引發地層變形影響范圍較大，施工中應考慮該區段內對周邊環境的影響。

地表橫斷面的沉降槽類似于U型槽曲線，最大沉降量發生在隧道中心位置。根據Peck公式提出的橫向沉降槽形態近似于正態分布曲線的統計結果，而Peck公式有i（沉降槽半寬度）和Vs（地層損失）2個參數。一般認為沉降槽半寬度i與開挖直徑2R、地表至隧道中心線的高度Z、施工條件、土層性質等有直接關系，其中K值取值范圍根據韓煊的大量實測資料如表2所示。

表2 我國部分地區K值范圍

柳州 4 硬塑狀黏土 0.30～0.50北京 13 砂土,黏性土互層 0.30～0.60西北黃土地區 1 均勻致密黃土 0.41臺灣 1 砂礫石 0.48香港 1 沖積層,崩積層 0.34

因此，根據寧波地區地層損失半徑的統計，如圖6所示，盾構施工主要影響區（地層損失半徑/i=kz），發現k值取值一般分布在0.46～0.63之間，得出盾構施工主要影響區范圍大約在0.46～0.63倍隧道中心埋深（z），最大影響范圍可達2-3倍隧道中心埋深（z）。這與寧波目前執行的2-3H監測布點要求相一致。

根據寧波軌道交通2號線二期部分盾構區間典型橫斷面地表沉降實測數據統計，如圖7所示，盾構施工引發地表橫斷面影響范圍最大值約1.8H～2.6H（17～25m），進一步驗證了此規律。

圖6 地表橫斷面沉降槽曲線圖。

圖7 某區間地表橫斷面地表沉降分布線。

區間縱向地表沉降變形規律

1.區間縱斷面地表沉降最大值變化規律

將本次統計的各區間（澤～大區間、西～鼓區間、大～西區間、澤～望區間）橫斷面地表沉降所引發的縱斷面沉降最大值[4]進行匯總分析，形成統計成果如下：

圖8 盾構施工引發縱斷面沉降最大值統計分布圖（mm）。

表3 縱斷面沉降最大值統計數字特征

基于上圖8、表3分析，本區段盾構施工引發縱斷面沉降最大值均值為-16.61mm，主要分布區間為-5mm～-65mm，說明本軟土地質段盾構施工引發地層沉降最大值已遠超30mm的保護控制值，說明總體沉降量較大，變形不容易控制，特別有小部分區段引發超過80mm的沉降值，不滿足風險控制要求，經現場巡查路面已出現裂縫，在今后工程建設中仍應注意控制施工參數，確保環境安全。

2.盾構推進方向地表變形規律

根據國內土壓平衡盾構掘進地表變形理論研究，提出隧道掘進方向地表沉降變化的五個階段，如表4所示。

根據寧波地鐵1、2號線大量盾構區間地表沉降實測數據，如圖9、圖10所示，盾構隧道掘進方向地表沉降變形一般表現為較小的初始沉降、盾構通過時的瞬時沉降和通過后一段時間內較明顯的持續沉降，基本符合以上規律。

圖9 某盾構典型掘進段沉降分布線。

圖10 某盾構軸線地表點沉降變化過程線。

根據目前上海、杭州等地區的施工經驗，正常情況下盾構法施工引起的縱向地表沉降曲線一般可分為5個階段，即起峰起始、起峰、落峰、沉降、收斂。為進一步總結寧波特殊軟土地質條件下盾構隧道地表沉降變形規律，繼續對1、2號線部分區間隧道上方軸線點監測數據，并剔除一部分異常數據，發現盾構隧道縱向沉降亦基本符合上海、杭州等地的盾構施工縱向變形規律，形成縱向斷面速率隆沉及收斂圖和縱向斷面累計隆沉及收斂圖，如圖11、圖12：

表4 盾構施工引起地表縱向變形規律分析表

圖11 縱向斷面速率隆沉及收斂圖。

圖12 縱向斷面累計變形曲線圖。

盾構掘進過程中，盾構機切口前方20環至切口后方10環（盾尾位置）為隆起區域，切口后方10環至切口后方50環為沉降區域。從這個角度來說，地表沉降測點覆蓋到盾尾40環較為合適，這與寧波提出盾構監測前20環后50環的要求基本符合。統計過程我們發現部分工點在監測數據未收斂的情況下停止監測，而不是根據實際情況調整監測范圍，這是下階段盾構監測監控實施過程中應當引起關注的。

工后沉降規律

盾構貫通后開始下一步鋪軌等相關工序，直至交付運營監測，一般要超過一年以上的時間，期間盾構地表或軌道結構可能會持續沉降，需要加以監測，此段時間的監測工作我們習慣稱之為工后監測。一方面，隧道上方地表受土體固結、地面荷載等影響，往往會持續數月較明顯沉降時期，據寧波1、2號線統計數據，如圖13所示，一般盾構通過某斷面3個月后，地表沉降平均變形速率不超過0.4mm/d，4～6個月后，平均變形速率一般不超過0.25mm/d。因此，寧波軌道交通監測監控管理辦法對施工期變形監測停測標準制定為：將隧道施工對環境影響監測延續至隧道主體結構貫通后不少于三個月，當影響范圍內重要建（構）筑物最后100天平均沉降速率小于0.025mm/d時，認為建（構）筑物基本穩定，可停止監測。

圖13 某區間隧道貫通后盾構軸線上方地表沉降累計值分布線。

另一方面，對寧波2號線數個盾構區間軌通后24個月的隧道結構沉降及收斂監測數據統計分析，得出以下結論：2號線區間隧道結構的大部分監測點累計沉降量在-10mm以內，各隧道區間的平均沉降量-1.7mm--6.4mm，相鄰測點的差異沉降基本都在1mm以內。表明隧道結構變形沉降總體可控，施工期的精細化管控施工取得較好效果。

結束語

寧波軌道交通強化了施工安全質量管控手段，對盾構機掘進參數實時隨機自動化采集盾構機械參數并結合地表監測和施工空間幾何（平偏和高偏）控制和注漿雙控（漿液量和注漿壓力）等進行系統的動態分析和動態調整，甚至采用類矩形盾構將左右線合一推進以期減少地面影響范圍。通過對1、2號線盾構隧道監測數據統計分析，得出以下主要結論：

1.盾構施工主要影響區（地層損失半徑/i=kz），k值一般分布在0.46～0.63之間，得出盾構施工主要影響區范圍大約在0.46～0.63倍隧道中心埋深（z），最大影響范圍可達2-3倍隧道中心埋深（z）。

2.軟土地質段盾構施工引發地層沉降最大值已遠超30mm的保護控制值，說明總體沉降量較大，變形不容易控制。

3.盾構掘進過程中，盾構機切口前方20環至切口后方10環（盾尾位置）為隆起區域，切口后方10環至切口后方50環為沉降區域，符合軟土地區盾構隧道軸線上方地表一般變形規律。

4.盾構隧道貫通后，隧道上方地表一定時期內仍在持續沉降變形，根據寧波1、2號線統計數據，一般隧道貫通后3個月后地表沉降完全收斂穩定。軌通后至試運營期間，隧道結構沉降總體可控，滿足變形控制要求。

盾構區間施工監測數據龐大，雖經各區間分別總結，但仍難以一窺全。故此，只有對各區間監測規律進行全線再整合和再分析，才能從局部到整體地形成更為概括的結論。本文總結的經驗對后續類似問題深入研究及工程實踐有積極意義。我們將繼續對寧波軌道交通盾構區間施工各階段的空間、軸線和橫斷面進行進一步的“三維”綜合分析研究，并利用過程管理資料對盾構區間施工過程的技術和安全管理進行科學的分項評分和綜合評分，從而得到盾構區間總體評估結論。在此基礎上，形成對環境安全風險的概括性總體評價，以期使寧波軌道交通工程建設未來的安全管控工作更科學合理，并為其他地區的軟土地質盾構安全管控提供參考。