近距離平行盾構隧道施工引起的土體沉降位移規律研究*

武鐵路

(中鐵十六局集團有限公司，101100，北京//高級工程師)

0 引言

盾構法是建設城市軌道交通的主要方法，但復雜地層施工時，盾構施工容易導致土體發生變形，甚至引起地面塌陷、建筑物倒塌等事故。相比單線盾構隧道，雙線平行盾構隧道產生的最大沉降量和沉降槽更大，對地面影響更嚴重。因此開展近距離平行盾構隧道施工引起的地面沉降規律研究具有重要意義。

國內外很多學者都對盾構隧道引起的地面沉降規律開展了研究。文獻[1]在大量觀察和實測數據基礎上，認為單線盾構掘進形成的地面沉降槽的分布形式為正態分布并提出了相應的計算公式，其后很多人在Peck公式的基礎上進行修正。如：文獻[2]結合Peck公式和超幾何方法，提出了雙線平行盾構施工引起地面沉降的計算方法；文獻[3]結合Peck公式和和單線盾構引起三維土體沉降的計算方法，推導出了雙線平行盾構施工引起的三維深層土體沉降計算公式；文獻[4]利用改進的Peck公式和數值計算，發現在雙孔平行盾構隧道中，隧道間距越大，沉降曲線特征呈“W”形越明顯。這些研究對Peck公式的修正擴大了其應用范圍，但這些研究多為經驗公式，實際上，也有一些專家進行了理論研究。如：文獻[5]和文獻[6]將隨機介質理論分別用于武漢地鐵、西安地鐵盾構施工引起的地面沉降預測中；文獻[7]利用復變函數分析方法得到了隧洞的應力場和位移場的計算公式，并分析了埋深、泊松比對位移場的影響規律；文獻[8]利用解析延拓法和Schwarz交替法得到了任意形狀、任意尺寸的雙隧道在任意相對位置下的位移解。除上述方法外，數值模擬法在分析近距離平行盾構隧道施工引起的地面沉降規律時也取得廣泛應用。如：文獻[9]利用FLAC3D數值模擬軟件分析了黏性土層條件下雙線盾構隧道施工時隧道的斷面大小和相對位置對地表沉降特征的影響規律，發現最大沉降量和地表沉降曲線的不對稱性隨著隧道斷面的增大而增大；文獻[10]利用MIDAS/GTS軟件分析了雙線盾構隧道主要施工參數對路基沉降的影響規律；文獻[11]運用ANSYS有限元分析軟件分析了注漿和未注漿兩種情況下雙線盾構隧道施工對既有隧道結構變形的影響規律。另外，文獻[12]將神經網絡、支持向量機等方法用于盾構隧道施工引起的地面沉降的預測中，并取得了良好的預測效果。

本文以廣州地鐵9號線4標段馬蓮盾構區間為背景，利用Plaxis 3D Tunnel有限元對近距離平行盾構隧道施工進行模擬，并結合現場監測分析隧道施工過程中單線開挖和雙線開挖地面沉降規律，研究體積損失率對近距離平行盾構隧道施工引起地面沉降的影響規律。

1 工程概況

馬蓮盾構區間為雙向平行隧道，區間線路總體呈東西向，穿越花都城區，宏觀上處于廣花盆地的北部，總地勢由北東向西南微傾。從線路穿越的剖面上看，清布一帶地勢較高(地面高程為13.0～14.2 m)，其余地段相對較為平坦。線路大部分地段為沖洪積平原。盾構隧道的直徑為6.0 m，內徑為5.4 m；管片寬度為1.5 m，厚度為0.3 mm；每環6片錯縫拼裝；盾構隧道上覆土厚度為10 m，左右線的軸間距為13 m。在距離左線隧道軸線左側21 m的位置處有一棟建筑。該盾構區間地層主要包括人工填土層(Q4ml)、沖積-洪積層(Q3+4al+pl)、殘積土層(Qel)、巖石風化帶。整個線路無崩塌、滑坡、泥石流等地質災害現象。沿線路大部地段分布的基巖是石炭系中上統壺天群灰巖或石炭系下統大塘階石磴子組灰巖，灰巖中溶洞發育，巖溶和地面塌陷是本線路的主要不良地質作用和地質災害現象。在盾構施工前，對溶洞均已進行填充處理；處理后的檢測數據表明，填充后的溶洞具備相當的工程承載能力。

2 馬蓮盾構隧道施工數值模擬分析

2.1 馬蓮盾構隧道數值模型構建

本文利用Plaxis 3D Tunnel軟件模擬馬蓮區間盾構隧道施工，模型全長125 m，高度為22 m。地層由上至下共劃分為5層，分別是2 m厚的人工填土層、4 m厚的中粗砂層、3 m厚的沖擊-洪積粉質黏土層，3 m厚的可塑狀殘積土層，以及10 m厚的下伏基巖微風化石灰巖層。地下水位設置在-2 m的深度。建筑物采用條形基礎，位于模型縱向中心位置，長度設為20 m，寬度設為18 m，基礎埋深設為2 m。左、右線隧道在縱向上延伸40 m。模型的剖面圖和俯視圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 馬蓮盾構隧道數值模型剖面圖

模擬時采用Mohr-Coulomb強度理論，條形基礎采用板單元進行模擬，建筑物本身則采用剛性板來代替，上層建筑物的荷載則用剛性板的自重來替代，隧道的襯砌采用Plaxis 3D Tunnel中的隧道單元

圖2 馬蓮盾構隧道數值模型俯視圖

進行模擬，土體強度和結構單元的計算參數如表1和表2所示。計算時，在應力平衡后先激活右線隧道，模擬右線隧道盾構施工，研究右線隧道穿越時土體的變形規律；然后再激活左線隧道，模擬左線隧道盾構施工。

2.2 隧道穿越地面模擬結果分析

2.2.1 右線穿越地面后的位移分布規律

根據馬蓮盾構隧道數值計算模型，得到右線貫通體積損失率為2.0%的模型位移圖，如圖3所示。由圖3可以看出，整個建筑物的基礎沉降均在14.2 mm左右，左右邊緣偏差小于0.1 mm。由于建筑物使用埋深2 m的淺基礎，因此對周邊土體的影響范圍較小，基本在建筑邊沿的6 m以內，是基礎埋深的3倍。右線隧道穿越引起的最大地表沉降約為8 mm，對土體的影響范圍約為軸線兩旁23 m以內，約等同于2倍的盾構隧道中心的埋深。中心軸距其13 m的鄰近尚未開挖左線隧道的軸線位置處的地表沉降變化較小；右線隧道穿越產生的土體水平位移方向上向隧道軸線聚攏，分布上基本是以隧道軸線為中心對稱分布，向兩邊擴散，形狀上呈現出“蝶”型。隧道下部是強度較強的微風化石灰巖，因此水平位移最大的位置基本集中在隧道中部邊沿的殘積土層中。地面的水平位移則隨著遠離隧道軸線呈現先增大后減小的變化趨勢。

表1 馬蓮盾構隧道土層力學參數表

表2 馬蓮盾構隧道結構單元參數表

2.2.2 雙線穿越地面后的位移分布規律

圖4為雙線貫通體積損失率均為2.5%時的模型位移圖。由圖4可以看出，雙線隧道施工使左右兩線隧道的沉降槽互相重合形成了一個新的呈現“W”型的沉降槽，隧道周邊土體的豎向位移基本是以雙線隧道中線為中線對稱分布，但沉降槽的兩個谷底都偏離了左、右線隧道的軸線，而是向中線位置靠攏。雙線隧道造成的土體水平位移基本是單個隧道施工產生的“蝶形”分布的土體水平位移的疊加。左線隧道由于臨近建筑物對土體水平位移的約束，影響區域出現“下探”的現象。此外，土體水平位移的最大值均發生在下伏基巖上方殘積土層隧道襯砌周圍的土體。

a) 整體豎向位移

b) 截面豎向位移

c) 截面水平位移

a) 整體豎向位移

b) 截面豎向位移

c) 截面水平位移

2.3 體積損失率對地面沉降規律的影響

為了模擬真實施工條件下的地層損失，分析地層損失對地面沉降規律的影響，進行了右線隧道體積損失率分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%，以及右線隧道的體積損失率為2.5%時左線隧道體積損失率分別為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的模擬計算，計算結果如表3所示。

根據表3中數據，得到不同體積損失率情況下地面沉降和地表影響范圍的變化規律，如圖5所示。從圖5 a)可以看出，右線貫通后，地表沉降以隧道軸線為中心呈正態分布。隨著體積損失率增大，正態分布曲線的標準差也隨之增大，沉降槽的影響范圍增長較緩慢，但中心處的地表沉降發展十分劇烈。從圖5 b)可以看出，在右線隧道體積損失率一定時，隨著左線隧道體積損失率的增大，沉降槽中線逐漸接近左線隧道的軸線位置，沉降槽最大沉降量出現位置也隨之移動；當左線隧道的體積損失率與右線隧道的體積損失率相等時，地表沉降基本上對稱分布，二者軸線的沉降量也基本相同。從圖5 c)可以看出，隨著體積損失率的增大，右線隧道單獨穿越產生的土體水平位移在橫向上的影響區域也不斷增大，但增長速率不斷降低；當體積損失率增長至2%以后，影響區域在軸線以右繼續延伸到23 m左右后開始保持穩定，在軸線以左則受建筑物的限值保持在21 m左右。因此可以認為，右線隧道單獨施工對土體水平位移的影響區域基本保持在軸線兩旁23 m的范圍以內。對雙線隧道施工來說，左線隧道體積損失率的增加對影響范圍的擴大影響十分微小，但是其水平位移影響區域相較單線穿越時隧道軸線向兩邊擴展23 m提高到了26 m左右。

表3 不同體積損失率下模型計算結果表

右線貫通和雙線貫通情況下位移隨地層損失率的變化規律如圖6所示。以此進一步分析體積損失率對右線貫通和雙線貫通后地面沉降規律的影響。

由圖6可以看出，右線貫通時，體積損失率從1.0%每提高0.5%，沉降槽中心的地表沉降則從8.0 mm依次增加了4.0 mm、5.4 mm、7.1 mm、9.1 mm以及19.4 mm。可以發現，隨著體積損失率的增大，地表沉降的發展逐漸加速；當體積損失率超過3.0%后，地表沉降開始急劇增加。土體的最大水平位移同樣隨著體積損失率的增加而增加，增加速度也逐漸加快；當體積損失率超過3.0%后，水平位移發展劇烈。這一規律與土體豎向位移的發展也是相符合的。但對于左線貫通而言，體積損失率的變化對水平位移的影響較小，而且土體的最大水平位移相較右線隧道單線穿越(體積損失率取2.5%)時產生的32.54 mm最大水平位移均有一定程度的減小。

注：x為體積損失率

a) 右線隧道斷面沉降槽

注：x為左線體積損失率

b) 雙線隧道斷面沉降槽

c) 水平范圍

圖6 不同體積損失率下右線和雙線貫通后位移

當左線隧道的體積損失率取1.5%、2.0%時，左線隧道軸線位置的地表沉降分別是-15.2 mm、-19.8 mm，相較右線隧道在相同隧道收縮量下單線穿越時的軸線位置沉降量-12.0 mm、-17.4 mm有所提高；但右線隧道軸線位置的地表沉降分別為-24.5 mm、-25.1 mm，與右線隧道在相同隧道收縮量單線穿越時的沉降槽-24.5 mm相比變化不大。當左線隧道的體積損失率取2.5%時，左線、右線隧道軸線位置地表沉降分別為-26.5 mm、-27.5 mm，相較左線開挖前右線隧道軸線位置的地表沉降量-24.5 mm有少量增加；當左線隧道的體積損失率取3.0%、3.5%時，左線隧道軸線位置地表沉降依次增加到-35.3 mm、-40.9 mm，而右線隧道軸線位置地表沉降增加到-31.2 mm后基本保持穩定。

3 馬蓮盾構隧道地面沉降監測數據對比

施工過程中監測了左右兩線的盾構推力和位移情況，其中左線、右線平均盾構總推力分別為8 783.2 kN和9 383.3 kN。右線隧道單線穿越和雙線穿越后4個隧道斷面沉降槽的現場監測情況與數值模擬結果對比圖如圖7所示。由圖7可以看出，右線穿越后4個點的地表沉降的監測值基本符合正態分布的規律，軸線位置的沉降量分別是-30.4 mm、-23.1 mm、-27.8 mm和-19.1 mm。現場監測的結果雖然并不能與數值模擬的結果直接等同，但從4個點的地表沉降變化綜合來看，與體積損失率取2.5%時的沉降槽曲線擬合程度最好。雙線穿越后，地表沉降雖然并不完全符合理論上的正態分布曲線，但其基本規律還是與理論預測的結果保持一致，如：雙線隧道的沉降槽大體上還是符合距離隧道軸線位置越遠沉降量較小，右線隧道軸線位置地表沉降量在左線穿越后有少量增加。現場監測結果也表明，雙線隧道施工產生的地表沉降槽中，地表沉降最大的位置往往出現在雙線隧道軸線的中間區域，而不再是隧道軸線位置處。從沉降槽最大沉降量的發生位置，大致可以判斷左線隧道穿越時發生的地層損失略小于右線隧道，考慮左、右線施工時又具有一定的相似性，左線的體積損失率應該在2.4%左右。

a) 右線隧道

注：x為體積損失率

圖7 隧道斷面沉降槽實測與模擬結果

4 結論

本文以廣州地鐵9號線4標段馬蓮盾構隧道施工為工程背景，通過數值計算分析了隧道施工過程中單線開挖和雙線開挖地面沉降規律，研究了體積損失率對近距離平行盾構隧道施工引起地面沉降的影響，并通過現場監測數據驗證了數值計算的準確性。