粉細砂地層雙線盾構施工實測地表沉降規律分析與預測

廖趙勝 相龍勝 高順宇 丁建文 劉慧剛

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2021.249

收稿日期：2021?07?08

基金項目：國家自然科學基金（51978159）；中交隧道工程局有限公司項目（X-GD-SNJGS（S）-JIS-NT02-09-QT-21）

作者簡介：廖趙勝（1997-?），男，主要從事盾構施工對周圍環境影響研究，E-mail：220193199@seu.edu.cn。

通信作者：丁建文（通信作者），男，博士，教授，博士生導師，E-mail：jwding@seu.edu.cn。

Received： 2021?07?08

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51978159）; CCCC Tunnel Engineering Company Limited （No. X-GD-SNJGS（S）-JIS-NT02-09-QT-21）

Author brief： LIAO Zhaosheng （1997-?）， main research interest： influence of tunnel excavation on surrounding environment， E-mail： 220193199@seu.edu.cn.

corresponding author：DING Jianwen （corresponding author）， PhD， professor， doctorial supervisor， E-mail： jwding@seu.edu.cn.

摘要：依托南通地鐵二號線某區間盾構隧道施工，針對盾構穿越典型粉細砂地層條件，對雙線盾構隧道施工引起的地表沉降開展現場測試和規律分析，對經典Peck公式在南通地區粉細砂地層中雙線盾構施工的適用性進行探討，并研究先行線和后行線土體損失率和地表沉降槽寬度系數的取值及影響因素。研究結果表明，在粉細砂地層中，后行線隧道施工對地層的二次擾動效應會引起先行線軸線上方地表沉降的顯著增加，且二次擾動效應明顯強于其他軟土地層，但弱于砂土地層；相較于淤泥質土地層，在粉細砂地層中盾構停機對地表沉降的影響更為顯著；先行線和后行線施工引起土體損失率比值η₁/η₂在1～5倍范圍內，平均值為2.3，先行線和后行線地表沉降槽寬度系數比值K₁/K₂在1～2倍范圍內，平均值為1.4；砂土、粉細砂和粉土地層中土體損失率比值η₁/η₂均大于1，η₁/η₂和K₁/K₂與隧道覆土深度比（H/D）相關性較弱。

關鍵詞：粉細砂地層；雙線盾構；地表沉降；土體損失率；沉降槽寬度系數

中圖分類號：U455.7 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）02-0079-10

Investigation of surface settlement induced by twin shield tunelling in silty fine sand stratum

LIAO Zhaosheng¹，?XIANG Longsheng²，?GAO Shunyu²，?DING Jianwen¹，?LIU Huigang¹

（1. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 211189， P. R. China；?2. CCCC Tunnel Engineering Company Limited， Nanjing 210000， P. R. China）

Abstract： Field tests were carried out to observe surface settlement induced by twin shield construction in silty fine sand stratum， based on the project of Nantong Metro line 2. The applicability of the twin peck formula for silty fine sand stratum is examined through measured data. The ground loss rate， the width of the preceding tunnel and the rear tunnel were analyzed. The results show that in silty fine sand soil， the secondary perturbation effect of tunnel construction on the rear tunnel induces a significant increase in surface settlement above the axis of the preceding tunnel. The secondary perturbation effect in silty fine sand stratum is more obvious than that in other soft soil layers， but less than that for sand layer. Compared with silty soil layer， the impact of shield stoppage on ground settlement is more significant in silty fine sand stratum. The ratio of ground loss rate η₁/η₂?caused by the twin shield construction ranges from 1 to 5 with a mean value of 2.3， and the ratio of the surface settlement trough width parameter K₁/K₂?between the leading tunnel and the trailing tunnel ranges from 1 to 2 with a mean value of 1.4; The ratios of ground loss rate η₁/η₂?in sand， silty fine sand， and silt soil stratums all exceed 1. Furthermore， none obvious relationship can be found between ratios of ground loss rate η₁/η₂， width parameter K₁/K₂?and the ratio of cover depth to diameter （H/D）.

Keywords： silty fine sand stratum；?twin shield；?surface settlement；?ground loss rate；?settlement trough width parameter

隨著地下軌道交通建設的飛速發展，盾構法施工因其安全、高效、對周圍環境影響較小等優點得到了廣泛應用。盾構施工對周圍地層產生擾動和造成土體損失，引起土體應力狀態的改變，導致地層發生變形^[1]。雙線盾構隧道由于變形疊加和受二次擾動的影響，引起的地層變形規律更為復雜^[2]。此外，地鐵隧道由于其功能要求，多建于建筑物、高架橋梁、管道管線等非常密集的城市中心區域，尤其在復雜地質條件下，盾構穿越敏感結構物時，若控制不當，盾構施工引起的地層變形會對構筑物產生嚴重影響^[3]。因此，研究盾構隧道施工過程引起的地表沉降規律不僅有重要的理論價值，亦可為實際工程提供經驗和指導。

學者們針對盾構隧道施工過程引起的地表沉降變形規律進行了大量研究，主要基于現場實測數據分析與經驗公式對比^[4]、理論分析法^[5]、模型試驗法^[6]和數值模擬法^[7]。Peck^[4]基于大量實測數據，建立了半理論半經驗的地表橫向沉降預測公式，其假定地表橫向沉降槽呈正態分布；Sagaseta^[5]假設土體為各向同性不可壓縮體，基于鏡像法原理提出了盾構施工土體損失引起的土體三維變形解析解；Attewell等^[8]、劉建航等^[9]基于概率累積曲線提出了盾構隧道軸線上方縱向地表沉降預測方法。Peck公式因其簡單實用，在實際工程中得到廣泛應用，該法關鍵在于確定土體損失率和沉降槽寬度系數。在單線盾構隧道引起地表沉降變形規律基礎上，雙線隧道主要考慮地表沉降疊加和后行線施工二次擾動影響。New等^[10]假定無二次擾動效應，采用單線隧道Peck公式疊加計算雙線隧道施工引起的地表沉降；然而，大量實測數據表明，雙線隧道施工二次擾動效應會對地表沉降產生顯著影響^[11-13]；Suwansawat等^[14]和馬可栓^[15]應用超幾何法分別對先行線和后行線采用不同的土體損失率和沉降槽寬度系數考慮先行隧道對后行隧道的影響，建立了雙線盾構隧道開挖地表沉降預測公式，該方法需分別確定先行線和后行線的土體損失率和沉降槽寬度系數的取值；白海衛等^[16]和丁智等^[17]等通過現場實測數據分析了雙線隧道施工二次擾動效應，并研究了不同地層條件下先行線和后行線土體損失率和沉降槽寬度系數的取值范圍。現有研究成果揭示了盾構掘進過程地表沉降變形規律，然而對于不同地層條件、施工環境和施工參數引起的隧道地表變形規律差異較大，因此，針對南通地區粉細砂地層雙線盾構隧道施工引起地表沉降變形特征和規律值得進一步研究。

筆者依托南通地鐵2號線某雙線盾構區間施工展開現場測試研究，針對該地區典型的粉細砂地層特征，探討雙線盾構隧道施工過程中地表變形規律，并采用Peck公式對地表沉降進行擬合分析，研究粉細砂地層土體損失率和沉降槽寬度系數的取值范圍，并分析先行線和后行線土體損失率和沉降槽寬度系數的相關關系及影響因素。

1 工程概況及現場監測點位布置

南通市軌道交通2號線太平路北站—南通東站全長約1.879 km，全線采用地下敷設方式，區間縱斷面成“V”形坡，左線長1 392.85 m，右線長1 394.98 m，區間隧道頂覆土厚度為9.34～17.88 m，左線隧道先開挖，左線開挖完成后右線施工，隧道左右線中心軸線間距為13～17 m，采用土壓平衡盾構法施工，區間圓形隧道襯砌結構采用外徑6.2 m、內徑5.5 m，環寬1.2 m，厚度0.35 m管片錯縫拼裝。

區間沿線場地位于長江三角洲沖—海積新三角洲平原，該區域地面高程為2.5～4.5 m，地勢低平，盾構始發及到達處埋深8.64～9.89 m，從上到下主要土層為①雜填土、②-1黏質粉土、③-1粉砂夾砂質粉土、③-2粉砂、④-1粉質黏土、④-2粉質黏土夾砂質粉土，隧道剖面圖如圖1所示。

通過地表布置沉降監測點監測雙線盾構隧道施工過程中產生的地表沉降，盾構在進出洞50環以內時，每隔4環管片寬度布置一個橫向沉降監測斷面，其余位置每隔10環布置監測斷面，每個監測斷面布設11個監測點，在兩條隧道軸線內每隔3 m左右布置一個監測點，而在軸線外側監測點間距依次為3、5、10 m，在開挖面距監測斷面50環以內時開始進行監測，直至盾構通過監測斷面土體變形逐漸穩定，部分監測點布置如圖2所示。

2 地表沉降實測結果分析

2.1 地表橫向變形規律分析

隨盾構掘進過程典型斷面不同施工階段地表橫向沉降曲線如圖3所示，圖中同時給出了右線后行線施工引起的地表沉降凈增量，可以看出，當左線開挖面穿過監測斷面時，地表沉降最大值位于左線軸線上方，地表沉降曲線大致呈現“V”形，雙線隧道軸線中心點上方沉降較小，且小于右線隧道軸線上方地表沉降，分析認為由于該隧道沿城市道路開挖，雙線隧道軸線中心點位于道路中間，基本不受車輛荷載影響，而右線隧道軸線上方則受到左線開挖土體損失擾動和車輛荷載的共同作用。左線隧道開挖貫通后，XD63號和XD128號斷面變形基本穩定，從開挖面穿過監測斷面至變形穩定，地表沉降增加較大，XD63號斷面左線軸線上方地表沉降增加量占其最終沉降量的31%，而XD128號斷面左線軸線上方地表沉降增加量占比為48%。當右線隧道開挖面穿過監測斷面時，左線隧道軸線上方地表發生顯著沉降，表明雙線隧道施工具有顯著的沉降疊加效應和二次擾動效應。隨著右線隧道的貫通，由隧道施工引起的土體變形逐漸穩定。相比于左線先行線，右線隧道施工引起的地表沉降凈增量在隧道兩側呈現出明顯的不對稱，其隧道軸線左側地表沉降凈增量遠大于另外一側，地表沉降曲線最終為“W”形。進一步研究發現，典型斷面左線貫通變形穩定時左線隧道軸線上方地表沉降量和右線貫通變形穩定時右線隧道軸線上方地表沉降量大致相同，且左線軸線上方地表最終沉降量大于右線軸線上方的地表最終沉降量，這主要是右線開挖對左線隧道周圍土體的二次擾動，造成土體應力重分布，導致左線襯砌結構發生變形和位移，引起地層損失增大，導致地表沉降增加^[18]，XD63號斷面左線軸線上方由于二次擾動增加的沉降量占最終沉降量的37.5%，XD128號斷面占26%。

由此可見，在粉細砂地層中后行隧道開挖對先行隧道周圍土體二次擾動引起的地層變形不可忽視，定義二次擾動效應N（左線隧道軸線上方最大沉降量和右線隧道軸線上方最大沉降量比值）描述二次擾動效應，選取XD63號和XD128號斷面，并收集不同地層盾構施工相關數據，如表1所示。可以看出，南通粉細砂地層中由后行隧道施工引起的二次擾動效應強于淤泥和淤泥質土地層，但弱于砂土地層，這可能是由于砂土和粉細砂土黏聚力較低結構松散，更易受施工擾動影響。因此，盾構在粉細砂地層施工過程中，應加強施工參數控制和地表變形監測，以減少后行線開挖二次擾動效應對土體變形的影響，保障工程安全。

圖4為其余部分斷面地表沉降曲線，可以看出，不同斷面地表沉降曲線形狀和最大值均存在一定差異，這主要和斷面地層條件變化和施工參數差異有關。對太平路北站—南通東站之間區間監測斷面變形曲線符合Peck經驗公式預測的斷面沉降最大值進行統計，統計結果如圖5所示，可以看出，不同斷面最大地表沉降量主要介于2～8 mm之間，最大達到16 mm左右，最大地表沉降值分布形態大致符合正態分布，偏態系數SK=0.92，為右偏分布；峰態系數K=-0.35，為扁平分布。總體來看地表沉降變形量不大，表明采用土壓平衡盾構在粉細砂地層中掘進時，能較好地控制地層變形。

2.2 地表沉降隨開挖面距離變形規律分析

如圖6所示為XD128號和XD158號斷面軸線上方地表沉降監測點變形曲線，圖中距離為負值表示開挖面未到達監測斷面。可以看出，在左線隧道開挖面距監測斷面30 m左右時，地表開始發生變形，開挖面穿過監測斷面時沉降迅速發展，當開挖面穿過監測斷面40 m左右時沉降趨于穩定。通過對比發現，左線盾構開挖縱向影響范圍為70 m左右，而右線盾構縱向影響范圍則更大，在整個施工過程中，左線隧道軸線上方地表沉降量始終大于雙線隧道軸線中心點和右線隧道軸線上方地表沉降量。XD158號斷面在左線開挖面穿過監測斷面后地表沉降呈現突變式增加，增長幅度遠大于XD128號斷面，分析認為是由于左線盾構開挖至165環時，因盾構機檢修停機5 d所致，如圖7所示。此時開挖面穿過XD158號斷面僅8.4 m，盾構停機會對周圍環境產生長期而顯著的影響，從而引起土體變形持續增大^[20]，Row等^[21]分析了盾構停機引起土體發生顯著變形的原因，指出在盾構停機狀態下，土壓艙內土體排水固結，導致土壓艙所提供的掌子面壓力下降，從而引起掌子面土體向隧道內移動，導致地層損失加大；此外，盾構停機時在自身重力作用下，隧道下方土體被壓縮，引起隧道下沉，同樣也會導致地層損失增大，引起地表變形增加。

為進一步分析盾構停機引起的地表沉降變形規律，圖8給出了停機時盾構前方XD168號斷面軸線上方地表變形曲線，該監測斷面距盾構停機面僅3.6 m，圖中ΔS_左和ΔS_右分別為左線和右線軸線上方盾構停機期間地表沉降增量，由圖可知，XD158號和XD168號斷面地表沉降量遠大于XD128號斷面，主要原因是盾構停機時開挖面已穿過XD128號斷面45 m，盾構停機對其影響可以忽略，而停機時盾構前方XD168號斷面地表沉降量遠大于后方XD158號斷面，這和Yao等^[22]的實測數據相反，其實測的寧波地鐵3號線停機期間盾構前方地表沉降量遠小于盾構后方，這可能與停機期間土艙壓力有關，寧波地鐵3號線盾構停機期間向土壓艙注入膨潤土泥漿并采用千斤頂推力維持土艙壓力，掌子面壓力基本穩定，其地表變形主要由盾構下方土體固結沉降引起，因而停機導致的盾構后方沉降較大，而盾構前方土體沉降較大可能主要由掌子面土體向隧道內移動引起；XD168號斷面左線隧道軸線上方盾構停機引起的沉降占左線隧道施工總沉降量的53%，右線隧道軸線上方盾構停機引起的沉降占左線隧道施工總沉降量的53.5%，而XD158號斷面左右線隧道軸線上方沉降增量所占比例分別為20%和25%。

進一步以開挖隧道軸線上方盾構停機期間前方土體沉降增量所占施工總沉降量的比例ΔS/S來評價盾構停機對土體變形的影響，并收集文獻中的相關數據，如表2所示。由表2可見，粉細砂地層盾構停機對周圍土體變形影響明顯大于淤泥質土地層，可能是由于粉細砂滲透性較大，土艙內渣土更易排水固結，因此盾構在粉細砂、砂土等滲透性較強的地層中施工時應盡量避免停機或減少停機次數，以減少盾構隧道開挖對周圍環境的影響。

3 橫向地表沉降Peck經驗公式預測分析

Peck^[4]基于大量實測數據，假定單線隧道上方地表變形符合正態分布，不考慮土體排水固結引起的沉降，提出單線隧道橫向地表沉降計算公式，見式（1）、式（2）。

式中：x為與隧道軸線距離；S（x）為x處的地表沉降值；S_max為最大地表沉降值，發生在隧道軸線上方；i為地表沉降槽寬度；η為地層土體損失率；R為隧道開挖半徑。

馬可栓^[15]考慮雙線隧道開挖的相互影響，提出雙線Peck公式計算隧道地表沉降。

式中：x為與雙線隧道軸線對稱點距離；L為雙線隧道軸線間距離；i₁為先行隧道地表沉降槽寬度；η₁為先行隧道土體損失率；i₂為后行隧道地表沉降槽寬度；η₂為后行隧道土體損失率。O，Reilly等^[25]指出地表沉降槽寬度i與隧道埋深H成正比，比例系數K為地表沉降槽寬度系數，其值取決于隧道上方地層性質。

采用線性回歸分析法，通過實測數據擬合式（3）中的相關參數，并依據式（3）對XD24號和XD128號斷面的地表橫向沉降變形進行預測，計算結果如圖9所示。由圖9可知，XD24號斷面實測沉降和預測沉降曲線大致相同，均呈現出“W”形，而XD128號斷面雙線隧道對稱軸線上方地表沉降預測值偏大，但沉降實測最大值與預測值基本一致，說明采用雙線Peck公式預測粉細砂地層中雙線盾構隧道掘進引起的地表沉降基本可行。利用式（3）預測地表沉降的關鍵是確定先行線和后行線的地表沉降槽寬度系數K和土體損失率η。

利用式（3）對地表變形曲線符合雙線Peck公式預測的有效斷面實測數據進行擬合，計算土體損失率和地表沉降槽寬度系數，分析南通粉細砂地層中土體損失率和地表沉降槽寬度系數的取值范圍，并研究先行線和后行線土體損失率和地表沉降槽寬度系數之間的關系。左線隧道和右線隧道開挖土體損失率分布如圖10所示，由圖10可知，該隧道工程各有效監測斷面土體損失率η主要分布區間為0.05%～0.5%，平均值為0.25%，左線土體損失率η_左為0.1%～0.45%，右線土體損失率η_右為0.05%～0.25%，平均值分別為0.35%和0.15%，這和Loganathan等^[26]和Mathew等^[12]統計的砂土、粉細砂土地層中土壓平衡盾構地層損失率基本一致；左線先行線和右線后行線土體損失率相差較大，η_左和η_右比值在1～5倍范圍內，左線先行線土體損失率平均值為右線的2.3倍左右，這和右線隧道施工二次擾動效應有關^[16]。

左線隧道和右線隧道地表沉降槽寬度系數K分布如圖11所示，由圖11可知，該隧道工程各有效監測斷面K值主要分布區間為0.2～0.7，平均值為0.49，左線先行線K為0.3～0.7，右線后行線K為0.2～0.6，平均值分別為0.57和0.40，研究結果與韓煊等^[27]統計的北京地區砂土和黏土互層地層K值為0.3～0.6，O，Reilly等^[25]統計的地下水以下的砂土、粉細砂土地層K值為0.4～0.5，與研究成果大致相符；左線先行線和右線后行線地表沉降槽寬度系數比值在1～2之間，平均值為1.41左右。因此，在工程中采用雙線Peck公式預測南通粉細砂地層地表沉降變形時，建議先行線土體損失率取為后行線的2.5倍，先行線地表沉降槽寬度系數取為后行線的1.5倍。

4 雙線隧道地表沉降特征影響因素討論

雙線盾構隧道先行線和后行線土體損失率比值η₁/η₂和地表沉降槽寬度系數比值K₁/K₂綜合反映了先行線和后行線施工參數不同和二次擾動效應引起的地表沉降差異，為進一步分析先行線和后行線土體損失率和地表沉降槽寬度系數的取值，收集已有文獻中的相關數據，如表3所示，表中D為隧道直徑。由表3可知，土體損失率比η₁/η₂最小值為0.40，小于1，位于杭州淤泥質粉質黏土層中，表明在該地層中后行線土體損失率大于先行線，武漢粉質黏土層和長沙風化泥質粉砂巖和板巖地層中的η₁/η₂均出現小于1情況，而杭州、Preth和本文的砂土、粉細砂和粉土地層中η₁/η₂均大于1，其原因可能為盾構在砂土、粉細砂地層中掘進時易發生拱效應，使得隧道開挖引起土體應力釋放范圍較小，沉降槽寬度較窄^[29]，因而先行線盾構施工過程中對后行線上方土體擾動較小，而后行線施工時先行線上方土體已發生沉降變形，在后行線隧道施工擾動下沉降變形繼續發展，造成先行線土體損失率大于后行線。地表沉降槽寬度系數比值K₁/K₂最小值為0.54，位于粉質黏土地層中。

圖12和圖13給出了土體損失率比值η₁/η₂和沉降槽寬度系數比值K₁/K₂同隧道覆土深度比（H/D）的相關性，覆土深度比指隧道上覆土厚度和直徑的比值。可以看出，η₁/η₂和K₁/K₂離散性較大，難以用函數關系擬合，但對于深埋隧道（H/D≥2.0）隨著覆土深度比的增加，η₁/η₂和K₁/K₂有逐漸增長的趨勢，而對于淺埋隧道（H/D<2.0）隨著覆土深度比的增加，η₁/η₂和K₁/K₂有減小的趨勢，表明覆土深度比雖然對土體損失率和地表沉降槽寬度系數有一定影響，但其單因素影響較弱，土體損失率和地表沉降槽寬度系數比值更多是受施工因素和地層條件的影響。

5 結論

1）南通地區粉細砂地層中盾構右線后行線隧道施工對地層的二次擾動效應會引起左線先行線軸線上方地表沉降顯著增加，對比杭州和Preth地區不同地層中的隧道施工效應，分析可得粉細砂和砂土地層隧道施工引起的二次擾動效應強于淤泥和淤泥質土地層。

2）盾構停機會引起停機開挖面附近地表沉降顯著增加，通過分別對比杭州和上海地區淤泥質土和粉質黏土地層中盾構停機引起地表沉降量和施工總沉降量比值ΔS/S，可得粉細砂地層盾構停機對周圍土體變形影響顯著大于淤泥質土和粉質黏土地層，故建議在粉細砂地層施工時應盡量避免停機或減少停機次數。

3）該區間各有效監測斷面土體損失率η主要分布區間為0.05%～0.5%，平均值為0.25%，左線先行線土體損失率平均值為右線的2.3倍左右；各有效監測斷面K值主要分布區間為0.2～0.7，平均值為0.49，左線和右線地表沉降槽寬度系數比值平均值為1.41左右。因此，在工程中采用雙線Peck公式預測南通地區粉細砂地層地表沉降變形時，建議先行線土體損失率取為后行線的2.5倍，先行線地表沉降槽寬度系數取為后行線的1.5倍。

4）砂土、粉細砂和粉土地層中先行線和后行線土體損失率比值η₁/η₂均大于1，另外，土體損失率比值η₁/η₂和沉降槽寬度系數比值K₁/K₂與隧道覆土深度比（H/D）相關性較弱。

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（編輯??王秀玲）