天津軟土地層重疊盾構隧道施工地表變形規律研究

楊鑫康,漆偉強,江玉生,何 擎

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083)

引言

我國擁有全世界擴展最快的地鐵網絡，隨著大城市的不斷發展，地下空間的范圍也隨之擴張。修建地鐵是地下空間發展過程中的重要組成部分，地鐵隧道開挖過程中必須注意對周圍環境的影響，特別是對地表的擾動[1]。在一些地面建筑密集、地下空間狹窄區域，為充分利用空間及實現便捷換乘，地鐵隧道出現了重疊隧道的形式。重疊隧道的沉降值往往不是單線隧道沉降的簡單相加[2]，因此，很有必要研究重疊隧道的地表沉降規律和變形特征，更好地預測和控制地表沉降并確保周圍環境安全。

在隧道開挖過程中，地表沉降是不可避免的。對此，一般采用經驗公式來預測施工對地表的影響。PECK[3]假定沉降槽體積同地層損失體積一樣，推導出用于預測地表沉降規律的公式；ATTEWELL[4]認為Peck公式的寬度系數在一些情況不適用，因此，建立了新的公式來計算寬度系數；LOGANATHAN[5]闡述了經驗方法的局限性，如在不同地層性質、隧道幾何參數和修建方法下的適用性；TANG等[6]通過改進Peck公式，將低滲透性軟土地層中雙線隧道地表沉降預測的準確性提高了30%～50%。ZHANG等[7]將時間因素和埋深對地表沉降的影響引進Peck公式，得出了不同時間的地表沉降；FANG等[8]通過改進Peck公式更好地預測了重疊隧道地表沉降規律。

隨著計算水平的進步，數值模擬作為模擬計算技術引入到了隧道工程中。一些學者使用數值模擬和實測數據相結合的方法對重疊隧道施工引起的地表沉降進行研究。謝雄耀[9]、汪敏[10]等對軟土地層重疊盾構隧道施工引起的地表沉降進行了預測；YANG[11]，桂志敬[12]等通過研究發現“先下后上”和“先上后下”的施工先后順次在地表沉降槽的形狀和寬度上沒有顯著區別，但“先下后上”的最大地表沉降更小；臺啟民[13]、劉清文[14]等通過數值模擬結合實測數據，得出深孔注漿能夠減小后建隧道修建過程中先修隧道的地表沉降；孫鈞[15]、劉秋霞等[16-17]通過數值模擬結合實測數據，得出上行隧道掘進前期地表沉降增幅最快，下部隧道的地層損失率大于上部隧道；劉維[18]、唐曉武[19]、劉鵬[20]等研究富水地層中的重疊隧道施工后發現，滲流作用使下部隧道的地表沉降槽寬度增大，同時會出現拱頂沉降小于地表沉降的現象。

當前研究大多集中于使用數值模擬對重疊盾構隧道地表變形規律進行研究，對于實測數據的分析較少，工程實際土壓取值與地表沉降之間關系的研究也較少。依托天津地鐵5號線賓館西路—環湖西路區間(以下簡稱“5號線”)和6號線環湖西路—賓館西路區間(以下簡稱“6號線”)，通過對地表實測數據分析結合實際工程土壓取值，給出了本工程中重疊隧道上部隧道和下部隧道推進土壓力和靜止土壓力的合理比值范圍，得出Peck公式中的沉降參數k值分布規律，通過對典型斷面的數值模擬，分析了不同開挖順序下的地表沉降特征，為后續重疊隧道施工土壓力控制、地表沉降分析提供依據。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

天津地鐵5號線以左線在下、右線在上出賓館西路站，左右線交叉漸變呈麻花狀，以左線在上、右線在下進入環湖西路站；6號線以左線在下、右線在上出環湖西路站，并保持左線在上右線在下的重疊關系延伸至賓館西路站。工程施工順序為：6號線左線→5號線右線→5號線左線→6號線右線。5號線區間長1 149.7 m，重疊段長449.7 m，隧道拱頂埋深10.05～20.01 m；6號線區間長1 091.9 m，重疊段長1 091.9 m，隧道拱頂埋深8.45～11.30 m。5、6號線的水平凈距為5.75～21.18 m。區間示意如圖1所示。隧道主要開挖地層為⑥4粉質黏土、⑦1黏質粉土、⑧1粉質黏土和⑨1粉質黏土層。隧道穿越地層地下水為孔隙性潛水，存在于④、⑥地層中，靜止水位埋深0.9～4.8 m，水位年變幅0.5～1.0 m。承壓含水層分布于⑨2粉土中，隔水層為粉質黏土層，其中，距離隧道最薄的隔水層為7.2 m。區間地質縱斷如圖2所示。

圖1 區間示意

圖2 區間地質縱斷面

1.2 現場監測

根據本工程的實際情況，始發和接收洞門50 m范圍內每4環(6 m)布設1個地表沉降監測點，每8環(12 m)布設1個地表沉降監測斷面，其他部分每8環(12 m)布設1個地表沉降監測點，每40環(60 m)布設1個地表沉降監測斷面，每個監測斷面布置8～11個監測點，選取15個監測斷面進行分析，監測斷面布置如圖3所示。監測頻率：開挖面距離監測斷面0～2D時1～2次/d，2D～3D時1次/d，3D～5D時1次/周，大于5D時1次/月(D為開挖直徑)。每處監測斷面監測盾構通過后的地表變形情況及沉降隨時間的發展曲線。

圖3 測點布置示意

2 數值模擬

2.1 數值模型和邊界條件

使用有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬，依據圖1中的斷面建立模型。6號線右線埋深11.3 m，6號線左右線凈距3.9 m；5號線左線埋深11.2 m，5號線左右線凈距2.6 m；5、6號線水平凈距10.1 m。模型長60 m，寬68 m，高46 m，模型沿長度方向截面不變。具體模型如圖4所示。土體本構模型采用摩爾庫倫準則，數值模型四個側表面采用法向約束，下表面采用固定約束，上表面自由。地層參數如表1所示。為對比不同開挖順序下的地表沉降特征，建立了2種開挖順序。開挖順序1：6號線左線→5號線左線→6號線右線→5號線右線，開挖順序2：6號線左線→6號線右線→5號線左線→5號線右線。

圖4 數值模擬模型(單位：m)

表1 地層參數

2.2 盾構施工模擬方法

模擬的隧道直徑采用實際工程盾構開挖直徑6.43 m，其中，管片外徑6.2 m，管片厚0.35 m。在實際工程中管片外壁與開挖外徑之間的間隙采用同步注漿填充，采用等效層來模擬同步注漿，等效層厚度230 mm。數值模擬開挖步驟如下。

(1)進行初始化，主要包括模型建立、參數賦值及平衡地應力。

(2)每一步開挖將掌子面前方長1.2 m，φ5.5 m的圓柱形土體設為空單元，模擬實際開挖過程中土體的開挖。同時，掌子面后方管片襯砌單元被激活，模擬管片拼裝。

(3)為模擬實際工程中同步注漿的凝固過程。在開挖第1環時，將實際注漿壓力設置在第1環等效層外以模擬同步注漿壓力，此時等效層強度為最終強度的1/3。每開挖2環，同步注漿壓力減小1/2，等效層強度增加1/3。第5環開挖后等效層達到最終強度，注漿壓力歸零，如圖5所示。開挖掌子面的土壓力和注漿壓力根據工程實際取值，具體如表2所示。

圖5 數值模擬步驟(3)示意

表2 土壓、注漿壓力工程取值

2.3 計算結果分析

2.3.1 開挖順序1

當采用開挖順序1時，提取圖4中監測斷面數據得到圖6。圖6圓圈中的數字代表開挖先后順序，5號線左線盾構推進方向為垂直紙面向里，其余盾構推進方向為垂直紙面向外。由圖6可知，6號線左線地表沉降槽寬度約為40 m，地表最大沉降為10.9 mm；5號線左線開挖完后地表沉降槽寬度達到55 m，地表最大沉降為13 mm。6號線右線開挖完成，地表最大沉降進一步增大到13.5 mm；5號線左線開挖完成后地表最大沉降為13.8 mm，最終地表沉降曲線寬度約55 m，呈雙峰狀。

圖6 開挖順序1數值模擬計算

2.3.2 開挖順序2

當采用開挖順序2時，計算結果如圖7所示。6號線左線地表最大沉降及地表沉降槽寬度同開挖順序1；當右線開挖完成后，地表沉降槽寬度沒有變化，地表最大沉降值由10.9 mm增大至12.5 mm。5號線左線開挖完成后，地表沉降曲線寬度增加至55 m，地表最大沉降增大到14 mm；右線開挖完成后，地表沉降曲線呈雙峰狀，寬度為55 m，最大沉降值為14.6 mm。

圖7 開挖順序2數值模擬計算

2.4 數值模擬結果分析

根據開挖順序1、2的數值模擬可得到表3，從表3及數值模擬結果中可以得到以下結論。

(1)開挖順序2對比開挖順序1，最終地表沉降曲線形狀無變化，都是雙峰狀，地表最大沉降增加0.8 mm，地表影響區域無變化，均為55 m。

(2)由開挖順序2可知，對于重疊開挖的6號線，在先下后上的開挖順序下，地表沉降槽寬度主要受下部隧道影響，上部隧道修建不會影響最終的沉降槽寬度。

表3 數值模擬結果對比

3 地表變形實測分析

3.1 Peck公式中沉降參數分析

PECK[3]假定沉降槽的體積與地層損失的體積相等(實際工程中盾構開挖后隧道管片外徑小于開挖直徑)，得出了Peck公式。

(1)

(2)

式中，Sx為離隧道中線x處的地表沉降，mm；Smax為隧道正上方的地表沉降，m；x為測點離隧道中線的距離，m；Vs為開挖1 m造成的地層損失量，m3/m；i為沉降槽的寬度系數，m。

ATTEWELL[4]對沉降槽的寬度系數i進行了修正，推導出

(3)

式中，R為開挖半徑，m；z為隧道中心與地表的距離，m；k、n為與地層性質及施工因素有關的常數。黏土k=0.5～1，n=1；沙土k=0.25～0.5，n=0.36～0.97。

本文開挖地層主要為粉質黏土，故n取1，k的取值需進一步研究。

3.2 監測斷面分析

根據圖3布置的地表沉降監測斷面，選取第15監測斷面(代表始發和接收段)和第9監測斷面(代表非始發和接收段)進行分析。

3.2.1 第15監測斷面

根據實測數據繪制出如圖8所示的第15斷面沉降曲線，圖中標識含義同圖6。由圖8可以發現，對于最先開挖的6號線左線，地表沉降在開挖軸線附近達到最大值12 mm，地表沉降槽寬度約50 m；相比之下6號線右線的最大沉降為9 mm，地表沉降槽寬度也為50 m。5號線左線開挖過程中的地表最大沉降為3 mm，地表隆起在距離軸線10 m處達到最大值2 mm；5號線右線開挖過程中地表表現為隆起，最大隆起達到4 mm。該斷面為數值模擬處斷面，6號線實測數據和數值模擬開挖順序1較好地擬合，實際工程中5號線為控制沉降增大注漿率從而導致隆起，故實測數據與數值模擬略有偏差。

圖8 第15斷面沉降曲線

由于Peck公式假設為不排水情況，且不考慮固結沉降[3]，因此，圖8中4條隧道的地表橫向沉降槽曲線并不是標準的正態分布。換言之，為得到上文推導中的i和k值需對曲線進行擬合。擬合并計算可得到表4(5號線左線和右線無法擬合，故表中沒有數據)。

表4 第15斷面i、k值

根據監測數據整理得到如圖9所示的監測斷面15四條隧道軸線正上方測點的沉降時間曲線。由圖9可知，在盾構通過前6號線左線地表表現為輕微隆起，隆起值為0.4 mm；5號線左線地表在盾構通過前基本沒有沉降和隆起；在盾構通過前，5號線右線地表表現為隆起，隆起值為1.7 mm；6號線右線在盾構通過前地表隆起0.8 mm(曲線上的圓圈表示盾構當天通過)。

圖9 第15斷面沉降-時間曲線

進一步研究推進土壓力與地表沉降的關系，獲取了4條隧道盾構到達監測斷面15處的推進土壓力，并與通過朗肯土壓力理論計算得到的靜止土壓力、主動土壓力、被動土壓力進行對比，見表5。由表5進一步分析可知，6號線右線、5號線右線的推進土壓力約為2倍靜止土壓力，當盾構通過前地表均表現為隆起；6號線左線、5號線左線的推進土壓力約為靜止土壓力的1.35倍，當盾構通過前6號線左線地表隆起0.4 mm，5號線左線地表未變形。

表5 第15斷面土壓力情況 MPa

3.2.2 第9監測斷面

根據第9監測斷面的實測數據繪制出如圖10所示的第9斷面沉降曲線，標識含義同圖6。根據實測數據，最早開挖的6號線左線最大地表沉降量為12 mm，地表沉降槽寬度為60 m；6號線右線地表最大沉降量為12.2 mm，地表沉降槽寬度也為60 m；5號線左線最大地表沉降為10 mm，5號線右線最大地表沉降為11 mm。

圖10 第9斷面沉降曲線

對圖10中4條隧道的沉降曲線擬合并得到表6。

表6 第9斷面i、k值

根據監測到的數據可得到如圖11所示的監測斷面9軸線正上方測點的沉降時間曲線。由圖11可知，6號線左線軸線正上方測點盾構通過前地表幾乎無沉降，盾構通過后沉降快速發展至13 mm，而6號線右線盾構通過前地表隆起1.8 mm，盾構通過后地表變形發展成沉降；5號線左線正上方測點盾構通過前地表沉降達到4 mm，5號線右線盾構通過前地表沉降約0.3 mm，盾構通過后最終沉降達到12 mm。

圖11 第9斷面沉降-時間曲線

同監測斷面15，計算靜止土壓力、主動土壓力、被動土壓力并結合實際推進土壓力得到表7。由表7進一步分析可得，6號線左線推進土壓力和靜止土壓力十分接近，盾構通過前地表無變形；6號線右線推進土壓力近似等于靜止土壓力的2倍，盾構通過前地表隆起值為1.8 mm；5號線左線的推進土壓為靜止土壓力的1.2倍，因6號線的掘進地層已受到兩次擾動，故5號線左線盾構通過前地表沉降達到4 mm；5號線右線推進土壓力為靜止土壓力的1.6倍，盾構通過前地表沉降0.3 mm。

表7 第9斷面土壓力情況 MPa

3.3 15個監測斷面對比分析

3.3.1 地表沉降

按照第15監測斷面和第9監測斷面的數據處理方法，對另外13個斷面也做類似處理，考慮到埋深影響，為進一步對比數據并總結相關規律，取α=推進土壓力/靜止土壓力，整理15個斷面數據得到圖12。從圖12可以發現，對于埋深不變的6號線左線而言，α取值在1.2～1.6之間，盾構通過前地表變形表現為沉降或者隆起，最大沉降為3 mm，最大隆起為1 mm。此時隧道拱頂埋深大于3倍隧道直徑且開挖地層主要是粉質黏土，故地表沉降較好控制，此時α取1.2～1.6能夠控制地表沉降。6號線右線相較于6號線左線埋深較淺，在實際工程中為更好的控制地表沉降，α取1.8～2.4，此時盾構通過前地表主要表現為隆起，最大隆起約5 mm。對于埋深隨著開挖變化較大的5號線左、右線而言，α取值的變化范圍較大。5號線右線α取值主要為0.8～1.2，隨著埋深的變化少數α取值在2.0附近。除去由于盾構停機期間土壓設置較低的監測斷面11沉降達到8 mm外，其余斷面測點盾構通過前的最大沉降為5 mm，最大隆起也為5 mm。5號線左線α取值主要為1.2～1.8，當α=2.6時，盾構通過前地表隆起可達7 mm，其余測點盾構通過前地表沉降最大約5 mm，最大隆起5 mm。綜上所述，對于重疊隧道的下部隧道，α取1.2～1.6，盾構通過前地表沉降最大為3 mm，最大隆起為1 mm，可滿足沉降要求；對于重疊隧道的上部隧道，α取2.0～2.4，盾構通過前地表主要以隆起為主，最大隆起5 mm也可以滿足沉降要求。

圖12 不同斷面α值對比

3.3.2 沉降參數k

將15個斷面的沉降曲線全部進行擬合，得到的k值按照數值和出現的頻數進行統計得到圖13。

圖13 k值頻次曲線

從圖13可以發現，k的分布近似服從正態分布，正態分布的極大似然估計量可以用式(4)、式(5)計算。

(4)

(5)

4 結論

依托天津地鐵5號線、6號線四線重疊盾構隧道工程，分析了15個地表測點的沉降曲線，并通過數值模擬對比分析了不同開挖順序下的地表沉降特征，得出以下結論。

(1)采用朗肯土壓力理論計算并對比實際工程取值發現，在與本工程類似的地層條件下，對于重疊隧道的下部隧道推進土壓力和靜止土壓力的比值α取1.2～1.6時，盾構通過前地表最大沉降為3 mm，最大隆起為1 mm；對于上部隧道α取2.0～2.4時，盾構通過前地表變形為隆起，最大隆起約5 mm，均可滿足地表沉降要求。

(2)利用15個地表監測斷面監測到的沉降數據，擬合并計算出Peck公式的沉降參數k，使用極大似然法推導出本工程中沉降參數k服從N～(0.981，0.230)分布。

(3)在不同開挖順序下對典型斷面進行數值模擬，發現開挖順序2相較于開挖順序1，最終地表沉降曲線形狀無變化，均為雙峰狀，地表最大沉降增加0.8 mm，地表橫向影響區域無變化，均為55 m。

(4)由數值模擬的開挖順序2可知，對于重疊開挖的6號線，在先下后上的開挖順序下，地表沉降槽寬度主要受下部隧道影響，上部隧道修建不會影響最終的沉降槽寬度。