瘦西湖超大直徑盾構隧道施工對周邊環境影響分析

戴洪偉

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250014)

0 引言

城市地下空間的開發成為21世紀城市的發展趨勢，地下工程施工技術及施工引起的周邊建筑物與環境的變化成為業內關注的焦點。盾構作為一種新型的地下工程施工方法，隨著其施工技術的不斷完善，在地下工程施工中得到了廣泛的應用。

在盾構施工過程中，不可避免地對周邊土體造成擾動，國內外學者通過數值模擬和現場實測的方式，已經對盾構隧道施工造成的受力與變形問題做了大量研究。

Peck［1］在1969年通過研究提出了隧道施工中地表沉降的變化規律，并提出了沉降經驗計算公式;楊洪杰等［2］在軟土、砂土和砂礫土層中進行盾構模型的掘進試驗，研究了試驗模型周圍土壓力變化和刀盤開口率變化對密封艙內外土壓力的影響，提出土壓平衡盾構土艙與開挖面間存在壓力差;張社榮等［3］通過三維數值模擬，研究軟土盾構施工對環境的影響;黃潤秋等［4］、盧瑾［5］、張云等［6］研究了地鐵盾構隧道施工對周邊環境的影響，提出地表沉降的主要原因是擾動和降水。

現場實測方面:J.Wongsaroj等［7－8］通過現場實測的方式，研究了倫敦地鐵施工中土體長期變形規律;R.Standing等［9］通過對倫敦軟土地區盾構施工引起的地表變形進行現場實測，總結地表沉降在隧道縱向和橫斷面2個方向的變化規律;徐永福等［10］對上海外灘觀光隧道進行現場監測，分析了地表沉降情況和土體應力變化狀態，并提出應力擾動度的概念;敖日汗等［11］對盾構區間隧道施工誘發的周圍土體孔隙水壓力重分布情況進行了研究，并進一步分析了由此誘發的固結沉降情況;袁大軍等［12］對φ14.93 m泥水盾構施工的隧道進行現場監測，研究了盾構施工對土體的擾動機制、規律和范圍。

綜上所述，國內外學者對盾構施工對土體的擾動機制和規律已經進行了大量研究，但是對于小曲率曲線盾構隧道施工對土體的擾動和變形機制研究報道較少。本文通過采用現場實測和數值模擬的方法，研究曲線盾構隧道施工造成的土體變形機制，對比分析隧道2層土體受力與變形的差異性。

1 工程背景

1.1 工程概況

揚州瘦西湖隧道工程下穿揚州市重要風景區和多個文物保護建筑，該項目的建成對瘦西湖東西兩側的交通帶來便利，同時可以成為聯系西區與東部新城的東西向重要通道之一。該隧道西自維揚路與楊柳青路的交叉口，東至漕河西路與史可法路的交叉口，含瘦西湖隧道及瘦西湖東西兩側的地面接線道路配套工程，包括主體隧道工程、附屬工程、機電設備工程、匝道工程及地面接線道路工程。工程全長5 352.55 m，其中主線隧道全長約2.64 km，盾構段全長1 275 m，單管雙層設計，設計時速為60 km/h，采用一臺直徑為14.93 m的泥水盾構掘進施工。其中盾構段在距湖西工作接收井約48.52 m時，進入曲線盾構區段，圓弧曲率半徑約為700 m。瘦西湖隧道工程位置示意如圖1所示。曲線盾構隧道平面圖如圖2所示。

隧道內部結構采用單管雙層方式，隧道管片內徑為13.3 m，隧道內部結構分上下2層，上層為由東向西行車路面，下層為由西向東行車路面，結構下層采用預制箱涵π型件，上層采用立柱+縱梁+現澆混凝土車道板結構，上下行車道寬度均為7 m。針對洞內結構特點本工法采用下層預制π型件，上層采用移動臺車現澆行車道板。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意圖Fig.1 Layout of Slender West Lake Crossing Tunnel

圖2 曲線盾構隧道平面圖Fig.2 Plan of curved shield-bored tunnel

1.2 地層概況

根據區域資料，揚州瘦西湖隧道及接線工程為同一地貌單元，主要為第四系全新統沖洪積砂土、黏性土，為本工程引道段和明挖段穿越地層。沿線第四系上更新統土層為本隧道工程主要穿越地層。本隧道下伏地層主要為白堊系浦口組泥質砂巖，埋深55 m左右。隧道工程地質剖面圖如圖3所示。揚州瘦西湖隧道地層土體參數如圖4所示。

2 現場監控量測

2.1 測點布設

在盾構掘進時于隧道沿線布設監測點，進行現場監測。對土體的觀測項目主要有地表沉降、土體分層沉降、土體水平位移等。測點斷面圖如圖5所示。監測平面圖(3#—6#斷面)如圖6所示。

2.2 監測數據分析

2.2.1 地表沉降

隨著盾構掘進，隧道上方地表發生沉降位移，地表沉降變形曲線如圖7所示。

由3#斷面可以看出，隧道上方中線點DB3－0測點沉降量最大，達到－14.25 mm，而兩側的測點沉降量則小很多。但幾乎所有測點都表現出了一種變化規律:在4月10日之前，沉降量都比較小，約為1 mm，10—13日沉降量增大，但速率較小，屬于第1階段，此階段主要進行盾構掘進開挖;在13—16日，掘進開挖后方，沉降量突然增大，而且沉降速率也增大，屬于第2階段;在4月19日進行了二次補漿，在此之后曲線基本上呈現平緩的變化，地表沉降量趨于穩定，屬于第3階段。

圖3 揚州瘦西湖隧道底層剖面圖Fig.3 Profile showing geological conditions of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

圖4 揚州瘦西湖隧道地層土體參數Fig.4 Parameters of ground of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

圖53#橫斷面測點布設圖(單位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points of No.3 cross-section(cm)

圖6 監測平面圖Fig.6 Plan of mornitoring points

圖7 地表沉降歷程曲線Fig.7 Curves of time-dependent ground surface settlement

從各階段的劃分可以看出，在隧道開挖盾構切口到達時，地表呈現緩慢隆沉，變形量較小，變形緩慢，這是因正面土體受擠壓而向上隆起以及孔隙水壓力增加引起的，此時總應力和孔隙水壓力增加。隨著盾構推進，盾構通過的過程中，地表開始快速沉降，沉降速率較大，沉降量也較大。盾構通過時的沉降，是由于土體擾動和盾構與土體之間的剪切帶動引起的，為土體應力釋放的過程。在盾尾脫出時，地表會繼續發生沉降，沉降速率減小，沉降量減小，此時為盾尾空隙沉降，是土體脫離盾構支撐后應力釋放引起的。

選取3個橫斷面地表沉降穩定后的數據進行處理，繪出地表沉降槽曲線圖，如圖8所示。從圖8可以看出，盾構施工引起的地表沉降影響范圍約為2倍隧道埋深，隧道中線位置附近沉降最大，最大沉降量略小于0.5%倍的隧道埋深。

2.2.2 土體分層沉降

盾構掘進時，隧道周邊土體會因擾動產生沉降，就土體本身而言，每一層土體呈現不同的沉降規律。土體分層沉降如圖9所示。

從圖9可以看出，隧道周邊土體呈現沉降和回彈2種不同的變形規律。在橫斷面上，越靠近隧道，土體分層沉降值越大，距隧道越遠，分層沉降越小。產生分層沉降的主要原因是盾構在施工中，對土體產生擾動，盾構刀盤直徑大于盾構機殼直徑，掘進過程中刀盤后方產生土體損失造成的沉降。分層沉降最大值出現在距隧道最近的觀測點的地表層，最大沉降約為0.03%倍隧道埋深。

圖8 不同橫斷面地表沉降槽對比Fig.8 Comparison and contrast among ground surface settlement troughs at different cross-sections

圖9 分層沉降曲線Fig.9 Curves of layered settlement

2.2.3 土體水平位移

2.2.3.1 縱向水平位移

為獲取盾構頂進過程中盾構刀盤前方土體沿隧道方向變形的規律，選取3#斷面，布設土體深層水平位移測點，盾構過程中獲得數據如圖10所示。

從圖10可以看出，在盾構施工過程中，隧道前方土體隨著盾構推進會沿著隧道方向產生向前的水平位移。其中，盾構刀盤位置水平位移較大，向地表逐漸減小。但由于盾構隧道埋深較淺，地表土體均會產生向前移動的位移。在同一橫斷面上，越靠近隧道中線，縱向水平位移越大。

2.2.3.2 橫向水平位移

見圖11。

圖10 土體縱向水平位移Fig.10 Curves of horizontal displacement of ground in longitudinal direction

圖11 橫向水平位移Fig.11 Curves of horizontal displacement of ground in transverse direction

從圖11可以看出，在盾構工作期間盾構外側土體受擠壓效應較為明顯，離盾構越近的測點橫向水平位移越大，擠壓范圍越集中，且集中在盾構附近區域。如測點CX04(離盾構外邊緣1 m)土體受擠壓區域位于深度－10～－28 m處。最大水平位移位于深度－18 m處，其值約為0.05%倍隧道埋深。測點CX05(離盾構外邊緣約6 m)與CX06(離盾構外邊緣約11 m)監測深度范圍內土體均處于受擠壓狀態，最大水平位移分別位于深度－17 m和－18 m處，其值均小于0.01%。由此可知，隨著離盾構越來越遠，擠壓范圍在擴散，擠壓效應在減弱。

3 有限元分析

現場實測的數據受埋設方法和現場工況的限制可能出現一定的誤差，為更好地從理論上論證盾構施工引起的土體變形，利用三維有限元軟件FLAC 3D，采用Mohr－Coulomb本構模型，對施工過程土體變形進行模擬分析。

3.1 模型建立

隧道采用泥水平衡盾構施工，隧道開挖直徑為14.93 m，盾構機頭長10 m，盾構刀盤外徑比盾構機殼外徑大2 cm，管片寬2 m，厚60 cm。地基土自上而下依次為雜填土(0 ～1.8m)、粉質黏土(1 ～2.1 m)、黏土(6 m以下)。隧道埋深15 m，分析區域豎向深50 m，寬200 m，沿隧道縱向長350 m，共77 487個單元，14 415個節點。曲線盾構隧道模型如圖12所示。地層參數如表1所示。

圖12 曲線盾構隧道模型Fig.12 Model of curved shield-bored tunnel

表1 模型中采用的地層參數表Table 1 Ground parameters used in the model

3.2計算結果分析

通過模擬提取監測數據，得到地表沉降和土體深層水平位移計算結果，繪制變形數據曲線，如圖13和圖14所示。

圖13 地表沉降模擬結果與實測對比Fig.13 Comparison and contrast between simulated ground surface settlement and measured ground surface settlement

3.2.1 地表沉降

選取地表沉降穩定之后的數據，從圖13可以看出，在隧道中線兩側，與實測數據相比，沉降槽左右不對稱性比實測數據更加明顯，但變形規律相似。

圖14 土體水平位移模擬結果與實測對比Fig.14 Comparison and contrast between simulated ground horizontal settlement and measured ground horizontal settlement

3.2.2 深層水平位移

圖14對比分析了隧道兩側土體在隧道掘進過程中的水平位移，模擬結果呈現與實測相似的變形規律，最大位移發生在地表以下－17 m左右的位置，模擬最大測斜稍小于實測值。

4 結論與建議

1)隧道正上方的地表沉降最大，隨著隧道掘進，地表沉降在盾構的切口到達時緩慢隆沉、盾構通過時快速沉降、盾尾脫出時趨于穩定。盾構推進時，土體產生縱向和橫向2個方向的水平位移，沿隧道方向，土體產生向掘進方向的位移。橫斷面上，土體水平位移在隧道掘進方向曲線內側變形量小于外側變形量。

2)在已發表的研究文獻中，研究對象多為直線盾構隧道，本文對曲線盾構隧道的研究成果對相關工程具有一定指導作用。

3)研究過程中獲得了大量實測數據，但對其他工程能起直接指導作用的參數間經驗公式模型，尚未建立。下階段將對曲線盾構施工造成的周邊土體變形進行數學模型的構建進行研究。

4)針對曲線盾構施工造成的周邊土體變形在隧道兩側的差異性，在工程中應采取不同的措施，以防對周邊土體或構筑物造成損害。

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