超大直徑盾構施工引發的上軟下硬地層地表沉降規律①

湯新輝，首正勇，劉建柯

（1.長沙市建設工程質量安全監督站，湖南 長沙 410001；2.廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510670）

盾構法施工以其安全性、高效性、實用性等優勢在城市隧道工程建設中得到廣泛使用。由于盾構施工不可避免地破壞土體穩定，引起隧道周圍地層變形和地表沉降，影響隧道施工及周邊環境安全［1-2］。Peck建立了隧道開挖引起地表沉降的經驗公式［3］，因不同地層經驗參數取值的差異性，經驗公式無法保證沉降預測結果準確性，為此國內外許多學者基于隧道施工實測地表沉降數據，引入不同參數對Peck公式進行修正，使其適用于上軟下硬、砂巖及富水砂性等不同地層條件下地表沉降預測，取得了良好效果［4-5］。其中以分析數學為基礎的理論解析法，如Mindlin法、虛擬鏡像法及復變函數法［6-7］等求解不同邊界條件下盾構施工的地層變形問題，工程適用性較好，但存在計算過程復雜、參數選取較多、假定條件脫離實際等缺點，難被工程從業人員所接受。有限元法、有限差分法［8-9］等考慮地質條件、施工工藝等因素，但其本構模型參數確定困難，模擬結果一般不能對沉降值進行準確預測；基于大數據的機器學習算法可快速有效處理多參耦合問題，用于盾構施工預測地表沉降［10-12］，但缺乏解釋自身推理過程能力，監督學習嚴重依賴外部標簽準確性，難于處理噪聲樣本，并存在對特殊場地適用性差等問題。本文采用線性回歸擬合方法，對Peck公式進行了修正，并將修正Peck公式用于某過江隧道北線超大直徑盾構施工引發的上軟下硬地層地表沉降量預測。

1 監測數據獲取

如圖1所示，某過江隧道工程北線隧道長3.32 km，南線隧道長3.63 km，盾構段全長約1.4 km。盾構區間段地表平均高程35.32 m，地貌單元為河流侵蝕-堆積地貌，主要為湘江Ⅳ、Ⅲ、Ⅰ級階地、河漫灘及河床。施工采用外徑15.01 m的超大直徑泥水盾構機，單洞洞徑14.50 m，隧道洞身主要穿越中～微風化板巖，頂板地層為微風化板巖，隧道上覆土層厚度7.30～26.20 m，隧道開挖橫斷面多為上軟下硬土層，典型斷面地質橫剖面如圖2所示。

圖1 工程線位示意圖

圖2 土層地質橫剖圖（單位：m）

1.1 地表沉降監測

在盾構進出洞50 m范圍內，每24 m（12環）布置一個監測剖面，其余位置每40 m（20環）布置一個監測剖面，測點間距及監測點數見圖3。測點采用鉆孔埋設、天寶dini03電子水準儀觀測，監測點與相鄰基準點高差中誤差小于1.0 mm。

圖3 地表沉降監測點布置示意圖（單位：m）

1.2 典型斷面監測結果分析

監測周期見表1，典型斷面橫向地面沉降曲線見圖4。表明盾構機抵達斷面前，地表無明顯沉降；盾構機穿越監測斷面，地表沉降顯著增加；隧道軸心地表沉降值及沉降速率明顯大于隧道兩側；隨盾構機穿越斷面，沉降曲線發展為正態分布曲線，符合沉降槽理論。盾構機穿越監測斷面最大地表沉降7.5 mm，盾尾注漿階段沉降2.74 mm，分別占總沉降量的62.8%及22.9%，盾構機通過后，地表沉降1.51 mm，占總沉降量的12.6%。結合工程地質勘探結果，認為盾構機抵達監測斷面前，沉降主要由地下水位下降、上覆軟土層發生固結導致；盾構機穿越斷面至盾尾注漿完成前，盾身與土體接觸，產生剪應力，且盾構機直徑略大于隧道管環外徑，同步注漿無法瞬間填充管環與土體間隙，周圍土層向間隙快速移動，導致地表沉降迅速發生，第3階段沉降可視為瞬時沉降。注漿完成后，地層緩慢發生固結及流變，最終達到新的應力平衡，地表趨穩?？梢姡軜嫶┰綌嗝嬉约岸芪沧{完成前，地表沉降顯著。

表1 斷面1不同施工階段監測時間

圖4 各階段地表沉降曲線

2 實測數據回歸分析

2.1 基于Peck公式的回歸分析

如圖5所示，Peck公式假設地表沉降槽體積等于不排水條件下的地層體積損失：

圖5 Peck公式沉降槽曲線

式中x為測點至隧道中軸線的水平距離，m；S（x）為距隧道中軸線距離為x處的地表沉降量，mm；Smax為最大地表沉降量，mm；i為沉降槽寬度，mm；Vs為隧道施工引起的單位長度地層損失量；η為地層體積損失率；A為隧道斷面面積，m2。

設K為沉降槽寬度系數，無黏性土K取值0.2～0.3，硬黏土K取值0.4～0.5，軟粉質黏土K取值0.7；當地表至隧道中心深度為Z時，i可表示為［13］：

一般中小直徑隧道η取值0～2.0%，大直徑隧道η取值0～0.5%，隨地層條件變好而減?。?4］。隧道主要穿越微風化板巖，圍巖為Ⅲ級，巖性較好，盾構直徑較大，取η＝0.3%，K＝0.3，R＝7.25 m，Z＝28.25 m，則：

＞0.8時，X與Y高相關；時，X與Y顯著相關；時，X與Y低相關；時，X與Y不相關。

2.2 實測數據回歸分析

隨機選取兩個斷面監測數據對沉降曲線進行擬合，結果見表2～3。

表2 斷面1沉降數據回歸分析

表3 斷面2沉降數據回歸分析

計算可得：SXX＝924 998.16，SXY＝970.54，SYY＝1.36。得：

斷面1：

斷面2：

可見2個斷面的擬合效果均較好，X與Y為高相關性。

各斷面監測數據與回歸函數對比見圖6。2個斷面的擬合曲線、實測沉降曲線與式（5）Peck公式預測結果對比見圖7。擬合曲線與實測曲線較為吻合，表明采用線性回歸方法，能夠對盾構隧道開挖引發的地表沉降進行有效預測。同時，傳統Peck公式預測曲線與實際沉降數據曲線偏差較大，不能滿足實際工程要求。

圖6 各斷面回歸曲線

圖7 各斷面實測曲線、擬合曲線與Peck公式預測曲線對比

3 某過江隧道的Peck公式修正

傳統Peck經驗公式與線性回歸擬合曲線形態分布大體一致，但沉降峰值與沉降槽寬度偏差較大。影響沉降峰值與沉降槽寬度的主要因素為Smax與i，故引入最大地表沉降修正系數修正因子α與沉降槽寬度修正系數β。

3.1 Peck公式修正

引入修正因子α與β，進行回歸：

對式（11）進行線性變換，得：

將上述2個斷面的計算數據代入式（13）及式（14），可得斷面1：α＝0.44，β＝3.64；斷面2：α＝0.76，β＝1.39。

2斷面的修正Peck公式為：

對比Peck修正曲線、擬合曲線、實測沉降數據（見圖8），可以看出，修正Peck公式預測曲線與擬合曲線較相符，表明修正后的Peck公式更適用于該地區上軟下硬地層大直徑盾構施工工況。

根據監測資料選取10個斷面沉降數據，分析修正系數α與β，見表4。由表4可知，修正系數α與β分布范圍為0.4～0.8及1.2～2.4。通過與工況1中修正系數的分布范圍比較，發現相似地層中考慮不同盾構直徑時，分布范圍存在明顯差異。如圖9所示，超大直徑盾構施工時，α與β的分布范圍明顯大于常規盾構施工，由此推斷，與常規盾構施工相比，超大直徑盾構施工產生的最大地表沉降相對較大、沉降槽較寬、影響范圍大。

圖9 不同工況修正系數范圍

表4 修正系數分布

3.2 修正Peck公式的驗證

為檢驗修正Peck公式能否準確預測上軟下硬地層大盾構施工地表沉降，選取α上限值0.4、下限值0.8，β上限值1.2、下限值2.4，檢驗隨機選取的4個斷面實測地表沉降數據。圖10為修正Peck公式預測曲線與實測地表沉降數據對比。

圖10 修正Peck公式預測曲線與實測數據對比

可以看出，超過90%的實測數據分布于上限曲線和下限曲線之間，表明α和β取值合理，能得出地表沉降槽和最大沉降量變化范圍，證實修正Peck公式適用于上軟下硬地層大盾構施工引發的地表沉降預測。

4 結 語

1）上軟下硬地層中，盾構施工引起橫向地表沉降槽呈近似正態分布，開挖斷面中心線處沉降最大，累計沉降量隨距隧道中心線距離增加而減小。超大直徑盾構在上軟下硬地層施工引起地表沉降較大、沉降槽較寬、影響范圍大。

2）隨著盾構機穿越隧道斷面，地表沉降逐漸增加，隧道軸線處的地表沉降速率明顯大于兩側。盾構機穿越斷面階段引發的地表沉降占累計沉降量的62.8%。注漿完成后，地表趨于穩定，但沉降仍不可忽略。

3）引入最大地表沉降修正系數α與沉降槽寬度修正系數β修正Peck公式，修正系數α與β取值分別為0.4～0.8以及1.2～2.4時，修正Peck公式預測精度較高，適用于上軟下硬地層大直徑盾構施工地表沉降預測。