砂質粉土層類矩形隧道盾構施工引起的地表沉降

劉鳳華

（上海隧道工程有限公司 上海 200232）

盾構法因其具有掘進速度快、施工質量高、對周邊的環境影響教小、施工安全性高等優點，在城市地下工程的建設過程中得到越來越廣泛的應用［1］。盾構法中的異形盾構斷面相較于圓形斷面，其有效使用面積增大20%以上。異形斷面在相等有效空間的情況下能節約35%以上的地下空間，因此在地下空間工程中的應用也越來越多。類矩形盾構因其斷面的差異，在開挖后引起的地表沉降影響范圍相較于圓形隧道會更廣，因而對周邊的既有結構的影響也更大。

目前對于盾構開挖引起的地表沉降現象的研究已有多種分析方法，如解析法、數值分析、實驗法和半經驗法等［2-3］，包括概率和機器學習［4］等方法也已成為解決隧道沉降和其他復雜巖土問題的有效方法。陳金銘等以國內首例類矩形地鐵盾構工程為背景研究了組合施工參數范圍內軟土的地表沉降規律［5］。邱波通過某軟土地區普通雙圓盾構和類矩形盾構施工地表沉降監測數據，研究了類矩形與雙圓隧道引起的地表沉降規律［6］。寇曉勇［7］等基于Peck 公式和雙圓修正Peck 公式的地表沉降計算方法，提出了類矩形盾構隧道施工地表沉降的預測方法。

上述研究從多個角度對隧道開挖引起的地表沉降規律進行了研究，這些研究大多集中在分析黏土中使用盾構法開挖隧道的地表沉降規律，對于砂質粉土中使用類矩形開挖引起的地表沉降則鮮有研究，而類矩形盾構引起土層產生的沉降，會導致類矩形隧道產生不均勻沉降與結構病害。因此，本文基于杭州地鐵9號線一期工程，通過對盾構區間段的地表沉降進行監測，重點討論了盾構施工參數變化對砂質粉土中類矩形盾構引起的地表沉降規律的影響。

1 工程背景與監測方案

1.1 工程概況

杭州地鐵9號線一期折返線盾構段工程始發于杭州江干區四季青站，工程區間總長231.1m，如圖1 所示。工程采用國內首臺11.83m×7.27m 類矩形頂管/盾構一體機掘進施工，在中間井段由頂管改制類矩形盾構機完成后從中間井始發，沿解放東路向西，依次穿越古海塘、新開河和解放東路橋后至接收井接收。區間最小平面半徑為700m，最大縱坡-0.2%，頂覆土埋深10.94～11.37m。表1列出了所示土層的物理力學參數。

表1 土體物理力學參數

1.2 監測方案

工程采用綜合監測方案來采集盾構開挖過程中的隧道地表沉降值。在隧道地表上設置有21 個監測剖面，每個監測剖面布置11個監測點。每個剖面監測點編號為：DBCn-1，DBCn-2，…，DBCn-11。其中，DBC為監測項目代號，n 代表所監測管節的環號。監測點間距以隧道中心軸線為中心，沿左右兩側對稱式設置為4m、8m、12m、32m，見圖1。

圖1 杭州地鐵9號線四季青工程平面圖及檢測方案

2 監測結果與影響因素分析

影響隧道最終沉降剖面幾何形狀的因素很多，這些因素分為三大類，即地質、幾何（如隧道直徑、隧道埋深）和盾構施工參數（如掘進壓力、掘進速度、俯仰角和注漿量）［8-9］。本次研究重點在探索兩個盾構施工參數：掘進壓力、掘進速度對在砂質粉土中使用盾構法開挖的隧道表面沉降的影響。

2.1 掘進壓力

掘進壓力在掘進過程中可以顯著影響隧道開挖引起的地表沉降峰值的大小。在掘進過程中，掘進機在不同的區段會有著不同的掘進壓力，從圖2（b）、圖3（b）可以看出，在51～57 環的區間掘進壓力基本保持在250～270kPa 的范圍，而91～97環的區間則保持在220～230kPa的范圍。它們對應的地表沉降曲線也因此呈現出不同形態，圖2（a）中沉降槽寬度略大于單圓Peck公式擬合的沉降槽，而圖3（a）中沉降槽寬度則與雙圓Peck修正公式擬合的沉降槽寬度貼近。圖3（a）與圖2（a）沉降槽寬度相比較有略微的增大。可以看出，除了兩沉降剖面的形態不同外，圖2（a）的沉降量比圖3（a）減少約15mm，這是由于在51～57環推進過程中用了比91～97環掘進過程更高的掘進壓力，使得地表沉降量更小。

2.2 掘進速度

圖2（c）、圖3（c）顯示了盾構通過監測點區間時的掘進速度（以mm/min 為單位）的變化。本次工程中在55環與95環范圍出土率設定在同一數值浮動，出土率的大小對掘進壓力有著直接的影響。掘進速度的大小應與出土率相當，當掘進速度過高而出土率過低時地表沉降會減少，當掘進速度不及出土率時地表沉降便會增大。所以當兩環出土率相當時，從圖2（c）中可以觀察到51～57環掘進速度在9～12mm/min范圍時，土壓力在250～270kPa，而在當圖3（c）中掘進速度在3～6mm/min范圍時，土壓力范圍則在220～230kPa，兩者的地表沉降也顯然是掘進速度更大的沉降量更低，這是由于掘進速度與出土率的關系影響掘進壓力大小所導致的。

3 地表沉降規律

3.1 地表橫向規律

在盾構掘進過程中由于施工參數的變化，地表橫向上呈現的曲線形態會有所不同，從圖2（a）、圖3（a）中可以觀察到類矩形盾構橫向地表沉降總體上符合Peck 公式，其中55 環與95 環分別與單圓Peck 公式和雙圓修正Peck公式相吻合，雖然兩者的峰值沉降與形態有較大差異，但仍然是在單圓與雙圓修正Peck的范圍內，造成此種現象的原因是兩者在推進過程中使用的掘進壓力不同導致沉降曲線受到影響，如果使用更高或者更低的掘進壓力沉降曲線會超出單圓Peck 與雙圓修正Peck 所預測的范圍。所以掘進壓力應選取230～260kPa之間。

圖2 DBC 55 剖面的地表沉降和操作參數

圖3 DBC 95 剖面的地表沉降和操作參數

3.2 地表縱向規律

圖4 顯示了盾構機通過2 個監測剖面DBC55 與DBC95時，不同監測剖面中點的地表峰值沉降變化。

圖4 2 個DBC 的沉降峰值

在55、95 環開挖過程中，盾構機通過相應的監測點前地表沉降都出現了隆起，這是由于掘進面壓力對前方土體的擠壓所導致的土層變形。且DBC55環的隆起達到9.52mm，DBC95 環達到5.6mm。在盾構通過所監測的開挖環數一段時間后，DBC55 環沉降為+12.97mm，而DBC95 環沉降則達到-28.52mm，兩者的隆起與沉降值分別接近隆起+1cm與沉降-3cm的控制閾值。由此可以得出，在高掘進壓力與低掘進壓力下盾構的隆起與沉降會分別加大，在較高掘進壓力下，雖然隆起增加，但沉降與低掘進壓力相比會明顯減小。因此，在10m 范圍的砂質粉土層下類矩形盾構施工選擇230～260kPa 之間的掘進壓力會對地表的隆起與沉降起到很好的控制效果。

4 結語

本文基于杭州9 號線一期折返線盾構段工程的現場施工參數與地表沉降監測數據，對砂質粉土層中類矩形盾構開挖引起的地表沉降規律進行了研究，同時還探討了盾構施工參數的變化對地表沉降的影響。

（1）類矩形盾構的地表橫向沉降曲線在掘進面壓力與前方土體壓力相平衡的情況下介于單圓Peck 與雙圓Peck 修正公式之間。在沉降與隆起控制在規范范圍內時，掘進壓力過低或者過高的情況下沉降曲線會分別向單圓Peck 公式與雙圓Peck 修正公式所擬合的曲線趨近。

（2）盾構出土率一定情況下，掘進速度過快或者過低會直接影響掘進壓力的大小，掘進速度快其掘進壓力大，掘進速度慢則掘進壓力小。

（3）通過分析55環、95環的縱向沉降曲線，發現類矩形盾構施工在較大的掘進壓力下地表的沉降值相對于較小掘進壓力會明顯減小。當掘進壓力在230～260kPa時，地表隆起與沉降得到很好的控制。