軟土地層隧道盾構掘進對地表沉降的影響研究

摘" 要：為保證隧道建設安全，以濟南市某地鐵隧道盾構工程為研究背景，應用理論分析結合現場監測，對軟土地層隧道盾構掘進對地表沉降的影響及預控措施進行研究，結果表明，在隧道盾構掘進過程中，地表沉降整體隨著時間推移逐漸增大，表明地表沉降變化量數值與盾構隧道推進時間和進度呈正相關；隧道盾構掘進過程中，同一截面地表沉降變化曲線整體沿盾構中線呈對稱分布，最大沉降量靠近盾構中線；在隧道盾構掘進過程中，最大沉降量位于1-CD4附近達到了-27.96 mm；采取土層提前加固、選取合理的監測點適當加大監測頻率、及時調整盾構施工參數等措施能對地表沉降進行預控。

關鍵詞：軟土地層；隧道盾構；地表沉降；安全施工；預控

中圖分類號：U455" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0110-04

Abstract： In this paper， the shield underground tunnel project in Jinan city is taken as the background for the study， and the effect of shield tunneling on surface subsidence in soft soil layer is investigated， and the results show that： In the process of shield tunneling， the surface subsidence generally increases gradually with time， indicating that the change of surface subsidence value is positively related to the tunneling time and the progress of shield tunneling. In shield tunneling， the subsidence curve of the surface with the same cross-section is symmetrically distributed along the centerline of the shield tunnel， and the maximum subsidence is near the centerline of the shield tunnel. In the shield tunnel excavation， the maximum subsidence reached -27.96 mm near 1-CD4.Adopting measures such as reinforcing the soil layer in advance， selecting reasonable monitoring points to appropriately increase the monitoring frequency， and timely adjusting the shield construction parameters can pre-control the surface settlement.

Keywords： soft ground; tunnel shield; surface settlement; safe construction；predictive control

隨著我國城市化進程和城市地下軌道交通發展迅速，盾構隧道的建設需求和數量不斷增加[1]。地鐵隧道建設是城市軌道交通發展的重要一環，盾構法具有速度快、精度高等特點，被廣泛應用至地鐵隧道建設工程中，但盾構機在掘進過程中產生的推力會導致土體收縮，擾動原狀土體，改變周圍土體應力，使地表產生較大位移[2]。當軟土地層地表沉降過大時，會嚴重影響隧道的安全穩定，威脅人民群眾的生命財產安全。針對隧道盾構掘進過程中引發的地表沉降，諸多學者進行了深入研究。

郜新軍等[3]依托洛陽某地鐵隧道盾構工程，通過引入地表最大沉降修正系數、沉降槽寬度修正系數對Peck公式進行修正。連天等[4]依托某軟土地區盾構過河工程，利用長短期記憶網絡模型，給出了一種考慮施工時序性和施工過程參量的盾構過河沉降預測方法。管亞君等[5]以某新建隧道下穿公路為研究背景，建立數值模型預測了隧道下穿施工引起的公路沉降變形及變形發展規律。宋巍[6]以武漢某地鐵隧道工程為背景，研究了黏聚力等對地表沉降的影響規律。丁智等[7]基于飽和土解，推導了適用于飽和黏土地層盾構曲線掘進引起地表變形的理論公式。吳波等[8]基于隨機場理論框架，建立非侵入式盾構雙線隧道地表變形分析有限差分模型，系統研究土體參數與雙線隧道間距對地表變形的影響。張洋等[9]依托上海某工程，基于參數敏感性分析理論，得到了各地層參數對地表沉降的敏感度。管紅兵等[10]應用FLAC3D軟件，以某地鐵雙線隧道盾構推進過程為研究對象，得出雙線隧道推進過程造成地表橫向沉降的規律特征。潘勇等[11]以成都地鐵盾構隧道工程為背景，采用FLAC3D和地表沉降監測數據，研究了在砂卵石地層中盾構隧道地表沉降值的分布規律。

綜上，盡管諸多學者對隧道盾構施工過程中引發的地表沉降研究相當豐富，但研究主要集中在地表沉降的預測等方面，對軟土地層隧道盾構掘進對周邊地表沉降影響的直接研究相對缺乏。另外，實際施工場景較為復雜，除了隧道盾構掘進本身對土體的擾動外，還可能存在公路上方車輛荷載等對周邊地表沉降的影響，因此結合理論分析與現場監測數據對軟土地層隧道盾構掘進引起的地表沉降規律展開研究具有重要意義，本文得出的結論也可為其他軟土地層隧道盾構掘進提供經驗。

1" 工程背景

濟南市某地鐵隧道盾構工程位于黃河沖積平原，地勢平坦，地面標高23.33～24.21 m。采用盾構法施工，沿縱三路敷設，先后下穿橫二路、規劃道路、現狀箱涵，最后至縱三路與橫三路交叉口，道路兩側主要為綠化帶、林地、水塘及荒地。線路起止里程XK27+117.955～XK27+712.852，短鏈為0.004 m，總長594.893 m。線間距約16.2～17.2 m，最小曲線半徑4 500 m。區間隧道覆土約12～14.12 m，最大縱坡4.017%。區間隧道主要穿越粉質黏土層，局部夾雜粉砂、粉土層，盾構區間主要土的物理力學參數見表1。工程區域地下水類型為第四系松散層孔隙水。工程周圍環境與工程本身相互影響小，破壞后果輕微，周邊環境風險等級為三級。

2" 理論分析

2.1" 隧道盾構掘進誘發地表沉降因素

隧道盾構掘進會引起周邊地表沉降，影響工程安全[12]，其誘發地表沉降原因眾多，綜合有地質環境條件影響、水文環境條件影響，不同環境條件并不孤立而是相互影響、相互作用。

一般來說，隧道盾構掘進可能會面臨富水地帶、軟土地帶等巖體穩定性差、含水量高的多種地質條件，若處理不好嚴重時可能會誘發隧道發生塌方事故。此外，隧道盾構掘進遭遇膨脹巖，由于膨脹巖具有風化快、土塊酥散大等特點，因為受到的應力發生變化，底部可能會發生隆起現象，隨時間變化襯砌也會產生變形。隧道盾構掘進可能還會穿過危險系數較大的特殊地帶，掘進時會破壞本身的平衡性。這些最終都可能會導致地表沉降。隧道盾構掘進不可避免地會造成巖石擾動，在巖石不產生擾動時，巖石與巖石間的摩擦力會保持一個平衡狀態，一般來說此時巖土是穩定的，但在隧道盾構掘進中，會產生橫向或縱向的應力，當這種力的大小超過臨界值，使巖石間的作用力維持不了本身向下的重力時，就會產生破裂，周邊地表就會產生相應的沉降或者隆起，影響隧道安全。

水文環境是隧道盾構掘進誘發地表沉降的重要原因。地下水是影響隧道施工最普遍的因素，由于普通的水具有腐蝕性、流動性、溶解性等特點，會對巖層的穩定造成破壞甚至會引起隧道的塌陷。隧道若是在斷層破碎帶等滲透性強的地段進行盾構掘進，地下水會隨著巖層土壤持續滲入，導致盾構掘進地段巖層產生深裂縫，削弱巖層的抗壓、抗剪能力，在隧道盾構掘進時使結構截面的剪切力受到破壞，因為暗流自身相當于一個封閉的空間，水的流動性與溶解性會導致其涌進隧道，造成隧道上部土層的下沉，會間接導致地面產生塌陷，造成地表沉降。大氣降水也是隧道盾構掘進誘發地表沉降的重要原因，降水密集時可能會急劇改變地下水位的變化，對隧道安全產生嚴重影響。

2.2" 盾構隧道推進誘發地表沉降規律

為了解地表沉降規律，學者們總結并提出了多種關于地表沉降的規律方法，主要有經驗公式法[13]、數值模擬法、試驗分析法。

經驗公式法基于統計學理論巧妙地結合運用了經驗總結與理論分析，將施工經驗量化并應用于實際施工項目中。以大量工程數據為基礎，用數學邏輯歸納法對數據進行處理，歸納建立能夠估算與數據來源工程類似工程的地表沉降的數學經驗公式

式中：Ｓx為x處的橫向地表沉降量（m）；Ｓmax為沉降槽橫向地表最大沉降變形量（m），Ｓmax=■，？淄s為盾構隧道掘進導致的每米地層缺失量（m3/m）；x為與隧道中軸線的橫向距離（m）；i為隧道盾構開完導致的地面沉降槽寬度系數。

數值模擬法是利用計算機技術，數值模擬法依據現場數據構建三維地質模型，并且隨著硬件性能的增強和軟件的不斷更新，數值模擬在參數設置上更為全面，軟件使用也更加便捷，導致現代地下隧道工程普遍采用數值模擬軟件來創建工程模型，以此來判斷地表沉降的變化情況，并為設計和施工提供科學支持。

實驗分析法是通過現場工程地質條件和施工環境因素構造現實的物理模型，通過構造的物理模型，模擬盾構在施工過程中的地表沉降的科學研究方法，其更加還原模擬施工現場，從而得到更加與實際施工情況接近的結果。實驗分析法主要包括以工程項目所在區域的地質條件為參考制作的物理模型，進行盾構施工模擬的相似材料模型試驗法和通過模擬重力場模擬實際的工程地質條件，進行盾構施工模擬的離心模型實驗法。

3" 監測數據分析及預控措施

3.1" 監測數據分析

根據工程特點，選取截面及監測點如圖1所示。各截面監測點對應的數據如圖2所示。監測點數據縱向對比如圖3所示。

由圖2可知，隧道盾構掘進過程中，同一截面地表沉降變化曲線整體沿盾構中線呈對稱分布，最大沉降量靠近盾構中線，整體隨著遠離盾構中線沉降量減小，同一截面隧道上部沉降數據近似正態分布符合peak公式規律。

其中截面1最大沉降量達到了-27.96 mm，位于1-CD4附近；截面2最大沉降量達到了-24.28 mm，位于2-CD4附近；截面3最大沉降量達到了-21.49 mm，位于3-CD4附近；截面4最大沉降量達到了-15.56 mm，位于4-CD4附近。

截面1各點監測數據在60～80 d左右時經歷了緩慢上升的階段，分析原因為在20-50 d左右時地表沉降數據急劇增加，現場施工人員在50 d左右時采取了注漿等方式抑制了地表沉降的增加進而導致地表上升最終達到穩定狀態。

4個截面各監測點數據整體呈現先平穩后減小最終再次平穩的狀態，分析原因主要為開始時監測斷面距掌子面較遠，隧道開挖擾動對監測斷面影響微小，隨著隧道掌子面逐漸靠近監測斷面，開挖引起隧道圍巖土體松動變形，隧道地表監測點沉降急劇增加，最后掌子面穿越監測斷面后，已構筑了封閉的支護結構，隧道圍巖的應力重分布均已完成，地表沉降進入穩定階段。

由圖3可知，隧道盾構掘進過程中，相同縱向監測點地表沉降量整體從截面1—4逐漸減小，分析原因主要為盾構機從截面1向截面4方向掘進，導致隧道從截面1至4暴露時間逐漸減少。

截面1—3相對截面4各點監測點的數據曲線相對平滑，分析主要原因為截面4附近地層整體以粉質黏土為主的天然密度較小，含水量較高。

在隧道盾構掘進過程中，地表沉降整體隨著時間推移逐漸增大，地表沉降變化量數值與盾構隧道推進時間和進度成正相關。

3.2" 預控措施

根據圖3可知，地表沉降累計變化量最大達到了

-27.96 mm，為控制值的92%，達到預警狀態。根據隧道盾構掘進施工引起的地表沉降特性采取合理的控制措施，能有效地控制盾構掘進帶來的地表沉降風險，保證工程安全。地表沉降控制分為主動控制和被動控制，在實際工程中，常采用主動控制為主被動控制為輔的防控措施[13]，因此建議如下。

1）根據對隧道盾構掘進誘發地表沉降因素分析地質可知，地質環境條件是影響隧道盾構掘進造成周邊地表沉降變化的重要原因之一。因此，在隧道設計階段應盡量將地鐵隧道選擇在結構性強的土層，當無法避免選擇在較差的土層時可通過超前注漿加固、攪拌樁法、旋噴樁法等對土層在隧道盾構施工前進行改良。在土層改良加固的處理方法的選擇上應該根據土層條件、項目工程施工條件等選擇最佳的土層加固方式，以達到最佳的地表沉降防控效果。

2）結合地質條件與施工條件，選取最為合適的地表沉降監測點，增加監測頻率。對監測點進行監測所得數據直接反映了隧道盾構掘進引起的地表沉降變化情況。因此，選取最為合適的地表沉降監測點至關重要。實時監測地表沉降數據并記錄，繪制地表沉降變化曲線。根據實時地表沉降數據和地表沉降變化曲線，判斷隧道盾構掘進時地表沉降變化情況可對工程安全提供重要保障。若無法進行實時監測，也可適當增加監測頻率，保證數據及時、準確、有效。

3）對隧道盾構施工參數進行調整，保證隧道盾構施工的安全性，科學控制地表沉降，保證工程安全。為控制地面沉降，要根據現場情況，及時調整盾構施工參數，保持開挖面穩定。

4" 結束語

本文以濟南市某地鐵隧道盾構工程為背景，應用理論分析結合現場監測數據對軟土地層隧道盾構對周邊地表沉降影響規律進行研究并提出合理的預控措施，結論如下。

在隧道盾構掘進過程中，4個截面各監測點數據整體呈現先平穩、后減小、最終再次平穩的狀態。地表沉降整體隨時間推移逐漸增大，地表沉降變化量數值與盾構隧道推進時間和進度呈正相關。

隧道盾構時，同一截面地表沉降變化曲線整體沿盾構中線呈對稱分布，最大沉降量靠近盾構中線，最大沉降量位于1-CD4附近為-27.96 mm（控制值的93%），達到預警狀態，通過采取及時注漿等措施能抑制地表沉降大小。

采取對土層提前加固、選擇合理的監測點適當加大監測頻率、及時對隧道盾構施工參數進行調整、對隧道盾構進行超前預測等方式能對地表沉降進行預控。

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