結構性軟土地層中后掘進隧道引起地表沉降計算模型分析

高坤，柯宅邦，童智能，陳小川

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 2300031；3.江西科技師范大學建筑工程學院，江西 南昌 330013）

1 引言

盾構法隧道是目前較為先進的地鐵隧道施工方法，廣泛應用于城市地鐵隧道修建。盡管盾構施工對環境影響較小，但仍不可避免擾動鄰近土體，從而影響到鄰近構筑物的安全使用。評價隧道施工對鄰近構筑物的影響是城市隧道施工的一個重要課題，而合理預測鄰近結構物安全性的基礎在于準確預估隧道施工引起的位移。

目前國內外眾多專家學者提出預測隧道施工引起的地層位移方法[1-6]。其中，應用最為廣泛的為Peck高斯公式[1]及Loganathan and Poulos[6]法。伊利諾伊州大學Peck教授在收集大量的隧道位移數據后指出，隧道施工引起的地表位移可以通過高斯分布曲線擬合[1]。西悉尼大學教授Loganathan and Poulos[6]在Verruijt and Booker[5]基本解基礎上，重新定義土體損失率，考慮隧道不均勻收斂的情況，提出預測隧道橫向及深層位移的解析解。該解法被廣泛應用于求解隧道施工對鄰近樁基影響的“兩階段解法”中[7,8]。

上述研究成果基本集中于單線隧道施工地表沉降位移分析，對于雙線隧道施工引起地表沉降的研究較少。而在結構性地層中，先掘隧道對后掘隧道地表沉降的影響不可忽視。結構性軟黏土層中盾構施工擾動鄰近土體，特別已破壞土體遭受后掘隧道施工的再次擾動，土體強度急劇下降[9]，地表沉降規律與單隧道沉降明顯不同。圖1給出在寧波地鐵一號線區間結構性地層中，先、后掘隧道掘進引起地表沉降的典型位移圖。

圖1 寧波地鐵一號典型隧道施工引起的地表沉降曲線

由圖1可見，在結構性地層中，先掘進隧道引起的地表位移符合正態分布，可通過文獻[1,2]提出的方法擬合。而后掘進隧道引起地表沉降曲線與先掘隧道相比明顯不一致，位移曲線呈現“雙沉降槽”形態，兩沉降峰值點分別位于兩隧道軸線處，并且先掘隧道處最大沉降大于后掘隧道。究其原因，寧波地鐵一號線所在地層為靈敏度高的結構地層。在此類地層中先行盾構掘進引起地層擾動，破壞土體的結構性，而后續平行隧道在已遭受結構性破壞的地層中施工，再次引起地層沉降，特別是靠近先行隧道一側的沉降更為明顯，導致地表沉降不均勻對稱分布，甚至出現先行隧道一側沉降大于后掘隧道的現象。而目前的地表預測方法基本不考慮先掘隧道的擾動影響，難以準確反映現場工程實測。因此，提出一種考慮結構性擾動的地表沉降預測公式十分必要。

本文提出一種考慮先掘進隧道擾動效應的后掘進隧道地表沉降預測方法。該方法認為后掘進隧道引起的地表沉降S可分為兩部分：①正常掘進引起地表沉降Sn；②由于擾動引起的額外地表沉降Sa。該方法假定，后掘進引起的額外沉降Sa亦可用Peck高斯公式預測。疊加正常地層中盾構施工引起的地表沉降值Sn，即可得到后掘進隧道在已擾動地層中施工引起的地表沉降位移S。本文計算方法簡單，參數意義明確，便于工程實際應用。

2 雙線盾構隧道掘進相互作用機理

在穩定狀態的地層中，盾構掘進將引起地層周圍初始應力狀態發生改變，鄰近土體發生加載、卸載、剪切或擠壓等復雜的力學行為，原始穩定平衡狀態被打破，土體遭受擾動，從而引起地層變形。不同位置處土體經歷的擾動程度與應力歷史不盡相同。易宏偉等[10]、房營光等[11]和魏綱等[12]根據盾構（頂管）施工土體受力特性，分別提出定性鄰近土體擾動分區模型。綜合前人的研究，不同相對位置的土體擾動具有如下規律：位于盾構前方土體受到刀盤切削和千斤頂擠推作用，土體經歷壓縮、擠壓及剪切等一系列復雜力學作用，擾動程度激烈；在盾構體周圍鄰近土體，遭受盾構側摩阻力剪切作用，于盾體周圍形成剪切擾動區；在盾尾部土體，由于盾尾間隙的存在及土體超挖的作用，引起盾尾土體松動，應力釋放，土體向管片位移。與此同時，同步注漿壓力又對松動土體產生擠壓，導致盾尾土體經歷先釋放再擠壓的復雜應力變化。盾構通過后，受擾動土體的變形模量降低、孔隙水增加、密實度變差、承載力下降以及滲透性受影響。而對于靈敏度較高的土體，盾構推擠效應造成的不利影響將更加明顯。

上述定性分析盾構掘進擾動分區，在實際工程中，定量考察鄰近土體擾動程度尤為重要。徐永福等[13]指出盾構掘進引起附近超土體孔隙水壓力，導致土體的有效應力下降，并提出擾動比R表征盾構掘進前后土體受擾動的程度：

式中σ'd是受盾構掘進影響后的土體的有效應力，σ'0是土體的原位有效應力。

張慶賀等[14,15]對上海地鐵二號線某區間盾構掘進前后鄰近土體進行靜力觸探試驗，試驗結果表明，在盾構掘進過后，鄰近土體受擾動，錐尖阻力明顯下降。王斌等[16]對穿越路堤的頂管施工進行擾動試驗研究，實驗結果表明，頂管穿越前后土體錐尖阻力降低，壓縮系數增大，孔隙比增加，塑性指數增大，液性指數減小。白云等[17]對上海7號線實測發現，當后掘進隧道超越先掘隧道后，地表沉降呈現不對稱形態，靠近超越隧道一側的沉降略大。

綜上所述，在盾構（頂管）掘進過程中，盾構刀盤擠壓、剪切前方土體，土體經歷加載、卸載等復雜的應力行為，鄰近土體受不同程度的擾動。特別是在天然結構性軟黏土地層中，經兩次擾動后土體原始結構被破壞，土體承載能力、強度明顯下降，導致后掘進隧道地表沉降特性有別于傳統單隧道沉降。在現場通常采用靜力觸探等原位試驗手段，進行定量測試土體強度變化，分析盾構通過前后鄰近土體擾動程度。

3 雙線盾構掘進后掘進隧道地表沉降計算模型

為反映結構性地層中，后掘進隧道的地表沉降特征，本文提出考慮先掘進施工擾動影響的后掘進隧道地表沉降預測計算模型。

雙線隧道在結構性軟土地層中施工，后掘進隧道引起的地表沉降規律與單隧道施工不一致，地表沉降往往呈現“雙沉降槽”不對稱分布。為反映這一規律，本文假定：后掘進隧道施工引起的地表沉降可由如下兩部分疊加：①原始地層中盾構引起的地表位移Sn（可用高斯分布擬合），疊加②受擾動結構性地層中額外的地表沉降Sa。后掘進隧道地表沉降模型如圖2所示。

圖2 后掘進隧道引起地表沉降預測模型示意圖

原始地層隧道掘進引起的地表位移，可通過高斯分布曲線擬合[1,2]：

式（2）可轉化為：

式中：i=k0z[40]，S 為地表位移（mm）；Smax是地表軸線處最大位移（mm）；y為到軸線的距離（m）；i為隧道軸線到反彎點的距離（m）；z為隧道埋深（m）；Vl為土體損失率（無量綱）；D為隧道直徑（m）；k0為沉降槽寬度系數；對于粘性土取 0.4～0.7，砂性土取值為 0.2～0.3[40]。

額外的地表沉降Sa計算如下。假定位于先掘隧道位置處有一相同直徑的虛擬隧道掘進，引起的地表沉降為受擾動結構性地層中額外的地表沉降Sa，Sa亦可用高斯分布曲線描述。則后掘進隧道引起的地表沉降計算公式如下：

式中，V1-n與Vl-n分別為正常掘進與虛擬隧道掘進引起的土體損失率；in與ia分別為正常掘進與虛擬掘進隧道地表沉降槽寬度；B為兩隧道的間距，當B≤H+R，先掘隧道對后掘隧道地表沉降影響較大；當B＞H+R，先掘隧道對后掘隧道地表沉降影響較小，可按正常隧道地表沉降計算[18]。

因而，在擾動地層中，后掘隧道引起的額外沉降效應通過虛擬隧道施工實現。值得注意的是，虛擬隧道掘進引起Vl-a，ia的取值不同于正常隧道施工引起的土體損失率及沉降槽寬度，其取值與擾動程度及土體靈敏度有直接關系。

4 結論

本文提出了一種可以考慮先掘隧道影響的結構性地層后掘進隧道沉降預測方法。該方法通過引進虛擬隧道施工來考慮結構性地層中先掘隧道的擾動影響，并認為虛擬隧道施工與正常后掘進隧道施工均可通過常用的高斯分布公式計算，兩者疊加便得到在結構性地層中后掘進隧道施工引起的地表沉降曲線，為城市軌道交通建設提供了理論支撐。