武漢軟土地區盾構施工地面沉降與注漿加固研究

楊 龍，徐 海 清，李 長 冬，姚 文 敏，于 越

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074； 2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430030)

隨著城鎮化進程的加快，城市人口規模急劇增長，給市內交通運輸帶來巨大的壓力，發展城市地下軌道交通成為一個必然的趨勢。地鐵隧道在盾構開挖過程中，不可避免地對施工范圍內的巖土體造成擾動，尤其對于力學性質較差的軟土地層，這種擾動效應更為顯著，引起地層大量沉降，危及周邊建筑物及地下管線等。目前武漢運營的地鐵有10多條線路，在建與擬建線路多達10余條。武漢軟土分布廣泛且深厚[1]，給地鐵建設帶來較大的施工風險。因此，針對武漢軟土地質條件特點，開展軟土地層盾構施工沉降規律與控制研究具有十分重要的現實意義。

關于盾構開挖引起的地表沉降，主要有經驗公式法、解析法、數值模擬法等。經驗公式法早期有Peck[2]根據監測數據統計分析提出的Peck沉降經驗公式，后來的學者[3-7]基于此方法提出各種改進的Peck公式以適應各地的地質條件。鐘俊輝[8]針對福州軟土地質條件利用地表沉降監測數據分析了盾構施工沉降規律。關于解析法研究，Sagaseta[9]運用彈性力學的方法推導了三維地面不排水條件下隧道開挖后地層位移場的解析解。其后Verruijt和Booker[10]在Sagaseta的基礎上考慮了隧道橢圓化變形的地層位移場計算公式。梁榮柱等[11]基于Mindlin解推導了考慮刀盤擠壓效應導致軟土軟化進而引起地表與深層土體位移的解析解。關于數值模擬法，陳自海等[12]利用ABAQUS軟件以杭州軟土地層為背景分析盾構施工參數對地面沉降的影響，認為土艙壓力對地面沉降影響最大。張洋等[13]利用PLAXIS 3D分析大直徑盾構施工地層參數對地面沉降的影響，得出地面沉降對地層模量參數最為敏感。趙耀強等[14]利用FLAC 3D分析了北京、杭州、南京、上海等地區典型地層盾構始發沉降規律，發現地質條件對盾構施工地表沉降影響較大，沉降控制需結合當地地層特點開展專項研究。關于盾構隧道軟土地層加固方面，朱建峰[15]根據佛山軟土地質條件通過數值模擬、工程類比等多種手段，認為盾構施工前預加固能顯著改善地基條件與管片受力情況。龔彥峰等[16]根據水土耦合理論模擬了珠海某軟土盾構隧道基地加固對工后沉降的影響，結果表明加固后能夠有效減小地面與拱頂沉降。目前不同地區盾構施工沉降的研究取得豐碩成果，而盾構施工沉降規律與當地的地質條件密切相關，但結合武漢軟土地質條件開展相關的研究較少，有必要開展進一步研究。

本文以武漢地鐵3號線某盾構區間實際工程為背景，基于武漢的軟土地質條件特點，將數值模擬與現場監測數據相結合，分析了幾種典型軟土地質斷面盾構開挖引起的地面沉降規律，并對性質較差軟土區段隧道洞內注漿加固范圍開展了相關研究。研究成果可為武漢軟土地區以及類似地質條件地區的地鐵建設提供一定的理論參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

研究區段為武漢地鐵3號線某盾構區間，平面布置如圖1所示。該區間下穿工業廠房與密集的居民區建筑群，存在較大施工風險。隧道先開挖左線后開挖右線，施工周期相隔兩個多月，因此，結合監測數據僅分析單線開挖引起的地面沉降。隧道結構采用C50預制管片錯縫形式拼接，其中管片外徑為6 m，厚度為0.3 m，寬度為1.5 m。

圖1 研究區平面布置Fig.1 Plane layout of the research field

1.2 工程地質條件

根據地質勘察報告，該盾構區間位于武漢長江二級階地，屬于埋藏型階地。場地地形平坦開闊，第四系地層廣泛分布，厚度達42～63 m，詳細地層分布如圖2所示。場地內主要地層有：① 雜填土、② 淤泥質土、③ 黏土、④ 粉質黏土、⑤ 粉細砂、⑥ 中粗砂、⑦ 強風化的泥巖。由圖2可知：盾構隧道沿線的地質條件變化較大，且軟土厚度分布不均，局部厚達35 m，在盾構掘進過程中易受擾動產生大規模的沉降，對上部地面建筑物及附近地下管線等構成嚴重威脅。為控制地面沉降提高隧道地基的承載力，根據設計資料，在該區段增設了注漿孔環管片，利用袖閥管對隧道外部3 m范圍的軟土進行洞內注漿加固，如圖2～3所示。

圖2 AA’-BB’區間縱斷面Fig.2 Longitudinal geological profile between section AA’ and BB’

1.3 地表沉降監測布置

為及時監測盾構施工過程中地面沉降情況，開展信息化施工，在隧道上方地面每隔20 m間距，沿隧道中心線布設7個地面監測點。采用徠卡全站儀、電子水準儀等多種測量儀器在施工過程中進行監測，直至地層變形區域穩定，監測點的橫斷面布置如圖3所示。

圖3 地面沉降監測布置Fig.3 Layout of monitoring points for ground surface settlements

2 不同軟土地層條件下盾構施工沉降數值分析

2.1 地層模型建立

如圖2所示，該區間沿線地層條件變化較大，且軟土分布厚度不均。本文根據縱斷面圖2剖面線A1-A4，實際選取了4個具有代表性的軟土地質橫斷面，建立隧道開挖的計算模型，如圖4所示。結合現場的監測數據研究軟土地質條件對盾構施工地面沉降的影響以及注漿加固對沉降的控制效果。

圖4 不同軟土地層盾構開挖數值模型Fig.4 Numerical model of shield tunnel excavation in different soft soil stratum

由圖4可以看出：A1斷面，隧道斷面一半通過軟土地層；A2斷面，隧道全斷面通過軟土地層，并與軟土地層底部相切；A3斷面，隧道全斷面通過軟土地層，且底部有一定厚度的軟土；A4斷面，軟土距隧道上方一定距離。此外，根據設計資料，對隧道外側3 m范圍內的軟土進行注漿加固。

本文采用ABAQUS有限元軟件分別計算這4個斷面在未注漿與注漿2種工況下盾構施工引起的沉降，并與現場的監測數據進行對比分析。為防止邊界效應對數值模擬結果的影響，計算尺寸為70 m×55 m(長×寬)，隧道埋深均為20 m，半徑3 m，厚度0.3 m。模型兩側設置法向約束，底部為固定約束。隧道開挖與支護采用ABAQUS中單元的鈍化與激活實現[17]。

2.2 巖土計算參數選取

巖土參數根據地質勘察報告獲得(見表1)。其中，C50管片環考慮到管片間接頭連接，剛度乘以折減系數0.7[18]，等效為均質線彈性模型，土層則采用彈塑性模型與摩爾庫倫屈服準則進行計算。

表1 巖土物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

2.3 計算結果與分析

圖5為4個斷面在隧道開挖后地面沉降曲線，其中A1～A3斷面處隧道與軟土地層相交。洞內注漿加固后，地面最大沉降量均控制在12 mm以內，且沉降曲線與實際的監測數據基本一致，有效減小了隧道縱向的差異沉降。當未進行注漿加固時，A1～A3斷面地面的最大沉降量均超過隧道規范控制值25 mm[19]。

圖5 典型軟土地層斷面開挖沉降曲線Fig.5 Settlements curves of typical sections in soft soil stratum

A4斷面未對地層注漿加固而沉降量較小，表明隧道穿越的地層條件對施工沉降有較大影響，性質較差的軟土地層中開挖易產生較大的地面沉降，而采用注漿加固能夠顯著地改善地面沉降，如A1斷面最大沉降量由42.09 mm減小為11.45 mm。

為對比軟土地層條件對盾構隧道開挖引起地面沉降的影響，匯總了4個典型斷面隧道在未加固時開挖后的地面沉降曲線(見圖6)。從圖6可看出地層條件對地面沉降量有顯著影響，按照沉降量大小排序有：A4

圖6 A1-A4斷面地面沉降曲線Fig.6 Settlement curves of section A1-A4

3 盾構隧道穿越不同軟土地層分布對地面沉降影響

為進一步研究盾構隧道穿越不同軟土地層分布的沉降規律，根據實際的地質剖面概化出圖7共計8種軟土地層斷面，計算模型的尺寸同圖4，包括隧道與軟土地層底部相離、相切、相交等8種工況，對應的工況列于表2。為分析方便，隧道中心與軟土地層底部距離L換算為與隧道半徑r的比值，當軟土在隧道中心以下，該比值為正，反之為負。

表2 不同軟土地層分布的隧道開挖工況Tab.2 Excavation of shield tunnel in different distribution of soft soil stratum

圖7 不同軟土地層分布斷面(圖中斷面從左至右分別為B1～B80)Fig.7 Cross sections of typical distribution of soft soil stratum

利用ABAQUS對這8個斷面進行隧道開挖的數值模擬，地面沉降計算結果示于圖8。當隧道與軟土地層頂部相離至相切時，即圖8中B1-B2對應曲線，地面沉降均在20 mm以內，表明盾構隧道未通過軟土地層，此時軟土未受明顯擾動，引起的地面沉降較小。當隧道與軟土地層相交時，即圖8中B3-B8對應曲線，地面沉降隨著隧道通過斷面軟土比例的增加而急劇增大，直至全斷面通過軟土，沉降達到最大值，超過60 mm，但增加量趨于減小，表明施工引起的地面沉降與軟土受擾動面積正相關，而隧道下方軟土厚度對盾構施工地面沉降的影響不大。

圖8 不同軟土地層分布的地面沉降曲線Fig.8 Ground surface settlements curves in different distribution of soft soil stratum

圖9為對比地面最大沉降量與軟土地層分布的關系。按隧道與軟土地層之間位置關系可分為三大類：第一類為隧道未通過軟土地層，此時軟土受擾動較小，沉降量最小；第二類為隧道部分通過軟土地層，隨著斷面軟土比例增加，沉降量迅速增加；第三類為隧道全斷面通過軟土地層，此時軟土擾動面積最大，沉降量達到最大，但隨著隧道底部軟土厚度增加沉降影響趨于穩定。

圖9 最大沉降量與軟土地層分布之間的關系Fig 9 Relationships between the maximum settlements and distribution of soft soil stratum

4 洞內注漿加固厚度對地面沉降控制效果分析

隧道洞內注漿加固一般適用于當地面注漿作業空間受限制時，在隧道內通過袖閥管等對隧道外側一定范圍的土體進行注漿來改善土體強度。前面的分析表明，隧道全斷面通過性質較差的淤泥質軟土時易產生較大的地面沉降。在實際工程中，注漿加固能提高隧道地基承載力，但會耗費大量的經濟成本，因此有必要開展注漿加固范圍的研究。筆者以A3斷面為例，如圖10所示，分析隧道外側加固厚度對地面沉降控制效果的影響，厚度分別為隧道外側1，2，3，4，5 m等5種工況。

圖10 隧道洞內注漿加固示意Fig.10 Sketch of grouting reinforcement in the shield tunnel

圖11為地面最大沉降量與隧道加固范圍之間的關系曲線，隨著加固范圍的增大，地面的沉降量逐漸減小，但加固效果也會逐漸減小。當隧道加固范圍超過2 m時，盾構隧道施工沉降量控制在規范[19]控制值25 mm，而注漿量范圍過大時，如超過4 m時地面會輕微隆起，而當注漿范圍超過5 m，此時地面隆起量接近10 mm。由此可見，注漿加固能夠顯著改善地面沉降，但加固范圍過大會造成不必要的經濟浪費且會擠壓地層引起較大的地面隆起，2 m的加固范圍能夠將沉降控制在規范允許值內，但考慮到未來地鐵安全平穩運營，此區間實際加固范圍3 m留有一定的安全儲備，是偏安全與合理的。

圖11 地面最大沉降量與洞內注漿加固厚度關系曲線Fig.11 Relationship between the maximum settlements and thickness of grouting reinforcement

5 結 論

本文依托武漢地鐵3號線某盾構隧道工程，考慮武漢地區的軟土地質條件特點，采用數值模擬與現場監測數據相結合的方法，分析了不同軟土地質條件對隧道施工過程中地面沉降的影響規律，同時對軟土地層注漿加固范圍也進行研究，結論如下。

(1) 隧道開挖過程中，地質條件對隧道沉降有著顯著影響：當隧道通過性質較差易受施工擾動的軟土等地層時，地面易產生顯著沉降；而當隧道穿越地層變化較大的地層，易產生不均勻沉降，應采取注漿等工程措施減小這種差異沉降。

(2) 軟土地層開挖產生的地面沉降量與隧道開挖斷面中軟土面積占比正相關，因此在隧道線路設計時，盡量減小隧道與軟土等工程性質較差地層的相交，可從隧道線路設計的角度減小地面沉降。

(3) 注漿加固能夠顯著改善地層的沉降，隨著注漿范圍增大，地面沉降會逐漸減小甚至會出現隆起，對于直徑為6 m左右的軟土地層盾構隧道，注漿加固范圍宜取3 m較為合理。

(4) 本文基于武漢軟土地層開展研究，研究成果可為類似地區軟土地層的地鐵線路建設中地面沉降控制提供一定的參考。本文未考慮軟土地層在隧道運營期間地鐵往復荷載作用下產生的蠕變沉降，今后將進一步開展深入研究。