雙孔隧道中后掘進盾構對地表沉降的影響

羅雄文, 張文廣，梁榮柱,3,4

(1. 湖南科技學院 土木與環境工程學院, 湖南 永州 425199; 2. 中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；3.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058; 4. 廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

0 引言

地鐵軌道交通具有載客量大、準時、環保、不影響地表交通等特點，可極大地緩解大城市的地表交通壓力，方便城市居民出行。根據“十三五”規劃，我國現有30余個城市正在進行地鐵建設，新增地鐵隧道里程將會達到3 000 km。盾構掘進工法是城市地鐵隧道主要施工方法之一。盾構法具有機械化程度高、不影響城市交通、環境友好、施工速度快等諸多優點，但盾構掘進仍然難以避免會引起土體擾動，造成地層沉降，將會威脅臨近構筑物的安全。在建筑物密集的城市中修筑地鐵隧道，由于地下空間限制，雙線隧道之間的凈距往往較小。后掘進盾構隧道將會再一次穿越已經擾動的地層，造成土體二次擾動，將會引發地層變形進一步發展，從而危害到臨近構筑物安全。

國內外研究人員分別從室內試驗、現場實測、有限元分析和理論計算等方面對雙線隧道掘進施工地層沉降發展進行了一系列有益的探索。Chapman等[1]進行了雙線隧道施工室內模型試驗，基于試驗結果，指出雙線隧道掘進對地層的擾動存在一個擾動交疊區。由于擾動交疊區的存在，后掘進隧道引起的地表沉降槽更深和更窄，引起最終地表沉降曲線偏向于后掘進隧道。Chen等[2]對杭州地區雙線隧道掘進地表沉降進行監測發現，由于后掘進隧道對地層的二次擾動導致最終地表沉降槽對稱軸偏向于后掘進隧道。Suwansawat等[3]基于曼谷地鐵實測資料，指出對于單條隧道引起的地表沉降可以通過高斯公式擬合，而對于雙線隧道，地表沉降槽往往不對稱，可通過疊加的方式擬合地表的最終沉降。Sirivachiraporn等[4]對曼谷地鐵雙線隧道中不同隧道相對位置進行了實測分析，指出平行隧道中后掘進盾構引起的地表沉降將會偏向后掘進隧道軸線。劉永林[5]對武漢地鐵虎-名區間雙線隧道開挖引起地表沉降進行了大量監測，指出雜填土厚度越大，地表沉降越大。

Addenbrooke等[6]和Do等[7]通過有限元模擬研究了雙線隧道先后開挖對地表沉降的影響，有限元結果顯示最終引起地表沉降曲線不對稱分布。Do等[7]指出后掘進隧道引起的沉降槽更淺和更寬，與Chapman等[1]試驗結果不一致。白云等[8]結合上海軌道交通7號線工程，分析了后掘進盾構超越先掘盾構過程中地表沉降的變化過程，指出由于土體遭受二次擾動，在后掘進盾構通過時，地表沉降槽向后掘隧道側偏移。劉維等[9]對富水地層重疊隧道施工引起土體變形進行了數值模擬分析。桂志敬等[10]通過數值模擬分析，研究了上下交疊式暗挖和盾構隧道施工不同施工次序引起地表變形規律。在理論預測方面，國內學者分別基于隨機介質理論[11-14]、高斯公式疊加法[15-16]和復變函數理論[17]，并考慮先行盾構的擾動影響，提出了雙線隧道地表沉降的預測方法。

由此可見，從地表橫向沉降曲線分析入手，研究雙線隧道掘進引起地表的沉降規律，進而分析地層的擾動，是時下地鐵雙線隧道施工地表沉降研究中的熱點，但地表橫向沉降曲線并未能反映前、后掘進盾構隧道施工引起的地表沉降發展過程及規律。

為彌補現有研究的不足，本研究結合杭州地鐵某區間雙線隧道地表沉降的長期監測數據，采用地表沉降發展歷程和地表橫向沉降曲線相結合的方法分析雙線盾構隧道引起地表沉降的發展規律，特別是后掘進盾構隧道施工對地表沉降的影響，為類似工程提供借鑒。

1 杭州地鐵某區間隧道工程概況與地質條件

杭州地鐵某區間全長約為2 739 m，地鐵線路由兩條平行的圓形盾構隧道組成，分別為左線和右線隧道。左線與右線隧道的軸線間距離為12 m，隧道結構間凈距僅為6.8 m。該工程引入兩臺外徑 6.34 m 土壓平衡盾構機掘進施工。2017年8月3日左線盾構先行掘進，而后掘進的右線盾構機在2017年10月17日始發。盾構隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m，每一環管片寬度為1.2 m，厚度為35 cm。每個管環由3個標準塊+2個相鄰塊+1個封頂塊拼接而成，各個環間通過錯縫的形式進行拼裝，管片通過高強度彎曲螺栓拼接而成。

本項目主要地貌特征是河口相沖海積平原地貌，典型的地質剖面如圖1所示，各土層的主要物理力學參數見表1。

圖1 場地地質剖面和監測斷面布置Fig.1 Layout of field geological profiles and monitoring points

表1 地層土體物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum soil

盾構隧道軸線埋深在地表下19.0～21.9 m處，盾構隧道主要穿越③6層粉砂層。地下水位標高為6.51～5.41 m(地表下1.5 m左右)，其水位變化亦受到附近河流的影響。盾構隧道所在③6粉砂地層，標準貫入擊數N在14～25擊之間，可知該粉砂地層處于稍密～中密之間，滲透性大。盾構隧道下臥地層為可塑的⑥2淤泥質粉質黏土夾粉土地層，標準貫入擊數N在5～7擊之間，其滲透性低于上部粉砂層。

圖2 地表沉降監測點布置圖(單位:m)Fig.2 Layout of ground surface settlement monitoring points(unit:m)

2 地表沉降監測布置和監測方案

為監測雙線盾構前后掘進過程中地表沉降發展歷程，依據現行國家標準《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911—2013)制定監測方案。圖2是SS275-SS315監測斷面布置圖，SS285-SS315監測斷面，監測斷面間距為6 m，SS275與SS285監測斷面間距為12 m。每一監測斷面布置13個地表監測點。在盾構切口距離監測斷面3倍盾構直徑時，開始對該斷面進行監測，監測頻率為每天2次，并一直監測到后掘進盾構通過后約20 d。

3 地表沉降監測結果分析

3.1 地表橫向沉降分析

圖3給出了典型斷面在雙線盾構前后通過后地表橫向沉降曲線。前人指出在盾構通過后8.5～9 d，盾構掘進引起地表瞬時沉降基本完成[18]。在此取左線盾構通過后8.5 d地表監測數據作為左線盾構通過后的沉降量。為了獲得僅由右線盾構引起的地表沉降曲線，把右線盾構通過后8.5 d的地表累計沉降減去其到達監測斷面前2 d的地表累計沉降值，大致認為是僅由右線盾構擾動引起的地表沉降。

圖3 地表橫向沉降Fig.3 Ground surface transverse settlements

采用Peck建議的高斯公式對地表沉降進行擬合分析[19]。由圖3可見，隧道施工引起的各斷面地表沉降和總地表沉降基本可以通過高斯公式擬合。

從擬合曲線結果分析，先行掘進的左線盾構隧道引起的最大地表沉降在5.6～10 mm之間，土體損失率vl在0.2%～0.5%之間。而后掘進的右線隧道引起的土體損失率vl均在0.6%～0.8%之間總體大于先行掘進的左線隧道，且地表最大沉降值在15.2～20.7 mm之間，亦明顯大于左線隧道。此外，發現雙線隧道通過后引起地表總沉降曲線最大沉降點，并不在雙線隧道軸線連線的中點位置處，而是偏向于后掘進的右線隧道軸線。這是先行盾構施工對地層產生了擾動，導致土體的強度和密實度有明顯的下降，隨著盾構的遠離并未能完全恢復。在后掘進盾構施工的再次擾動下，地層變形較為敏感，地表迅速發展，地表沉降值增大，最終地表沉降槽曲線并不嚴格關于雙線隧道軸線中點對稱分布，而是略微偏向后掘進隧道軸線。前人通過雙線盾構掘進引起的地表沉降進行了室內試驗、現場實測分析和有限元模擬亦發現類似現象[1-8]。

3.2 地表沉降發展歷程分析

圖4 給出了典型斷面各測點沉降隨時間的變化曲線。為下文表述方便，左線和右線各個斷面軸線測點簡稱為該斷面的L和R測點(如斷面SS275的左線軸線測點L和R測點分別為SSL275和SSR275，以此類推)；以斷面測點橫杠后數字定義為相應測點號(如斷面SS275的5號測點為SS275-5測點，以此類推)。

由圖4可見，先行的左線盾構機通過監測斷面后，左線隧道軸線處L測點和兩側監測點3號，5號和6號測點沉降迅速發展，而遠離左線隧道軸線的其他測點沉降量較小或部分測點略有隆起。在左線盾構通過33.5 d后，左線L測點地表最大沉降基本達到最大值。而在軸線附近6 m以外的7號測點、R測點和9號測點沉降發展基本穩定。可見，盾構隧道掘進的主要擾動區域是軸線附近6 m范圍內，約為一倍的盾構直徑，隨著時間推移地表沉降持續發展。

右線盾構隧道在左線盾構機通過后34 d左右到達監測斷面。由圖4發現，在右線盾構到達前2 d，切口距離斷面約3倍盾構直徑(約18 m)時，各個斷面右線隧道軸線附近監測點(R測點和7號測點)沉降開始進一步發展，部分測點已經產生可觀的沉降量，如測點SSR275和SS290-7新增的沉降量分別為7.3 mm和10 mm。前人結合杭州地鐵隧道施工指出[18,20]，正常情況下切口距離監測斷面約1～2倍盾構直徑時地表開始發生沉降。而在本工程中，切口距離監測斷面3倍盾構直徑就引起了可觀的地表沉降量。究其原因，可能是由于先行盾構通過率先擾動地層，導致地層對后掘進盾構施工異常敏感，最終表現在切口到達前地表沉降的快速發展。

圖4 典型斷面監測點沉降隨時間發展Fig.4 Settlements of typical cross-section monitoring points varying with time

在盾構切口通過監測斷面后，右線附近R測點、7號和6號測點沉降量迅速增加，并隨著盾構切口的遠離，監測點沉降隨著時間增加緩慢增長。相比于其他監測點，各個斷面的6號監測點在右線盾構通過后，其沉降變形持續發展。在右線盾構通過30 d后，各個斷面的6號測點最大沉降量達到了22 mm(SS275-6)，17.5 mm (SS285-6)，18.8 mm (SS290-6)和31 mm(SS310-6)。其主要原因是，6號測點恰好處于雙線盾構掘進影響的重疊區，前后受到兩次盾構掘進施工的擾動影響，導致該測點的沉降難以穩定并隨著時間持續發展。可見位于雙線隧道中間的構筑物經歷前后盾構施工影響，其結構安全將會存在較大的風險，在實際施工中應該重點關注。

圖5給出了地表監測斷面SS275，SS285和SS310左線和右線盾構隧道軸線上測點隨時間變化規律。值得注意的是，右線隧道軸線的地表監測點受到左線盾構掘進的擾動而發生了前期的沉降。從上述監測點的沉降發展歷程發現，地表沉降監測點在后掘進盾構到達前約2 d時(3倍盾構直徑)開始受到后掘進盾構的施工擾動影響。因此，把右線盾構通過前2 d的沉降值進行歸零處理，認為從后掘進盾構到達前2 d開始地表軸線沉降主要是由于后掘進盾構所引起。

圖5 盾構通過后軸線位置沉降發展歷程Fig.5 Development courses of settlement above tunnel axis after shield tunneling passing through

由圖5可見，各個斷面的右線隧道軸線地表沉降值大于左線隧道。以斷面SS275為例，在盾構脫離監測斷面后，其右線R測點的沉降發展速度明顯大于左線L測點。在盾構通過測點8 d后，測點L與R的沉降值分別為6.2 mm和13.4 mm，后者幾乎為前者的兩倍。這是因為測點R先后受到兩次盾構掘進擾動，引起土體強度減弱，土體密實度下降，因而在后掘進盾構施工影響下，地表沉降大于先行掘進引起的沉降值。從測點的長期沉降來看，R與L測點在盾構通過后20余天逐漸平穩。可能是盾構掘進地層為滲透性較大的砂質地層，受到施工擾動后土體內的孔隙水逐步消散，其土體強度逐漸恢復，因此，長期沉降變化不大。從圖中發現，其他斷面軸線測點變化規律基本一致。可見，后掘進盾構在已擾動的地層中掘進施工將會導致更大的地表沉降。

4 結論

以杭州地鐵某區間雙線盾構隧道工程為依托，根據雙線盾構隧道掘進引起地表沉降發展的時程曲線和地表橫向變形曲線，主要得到以下結論：

(1)左線盾構通過監測斷面后，地表沉降迅速發展，主要沉降影響范圍在隧道軸線附近6 m范圍。

(2)后掘進盾構隧道到達監測斷面前2 d(約3倍盾構直徑距離)，地表軸線位置開始發生明顯沉降，后掘進盾構隧道施工引起的地表沉降大于先行隧道。

(3)后掘進隧道引起的土體損失率和地表沉降槽大于先行盾構隧道，最終地表沉降曲線對稱軸偏向后掘進隧道軸線。