青島地鐵1號線安安區間盾構隧道地表沉降研究

徐祥云 胡云飛 高福軍 李地元 王文健

(1.中鐵八局集團昆明鐵路建設有限公司，云南昆明 650200；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

為了緩解日益嚴重的交通堵塞問題，越來越多的城市開始進行地鐵建設。地鐵具有客運量大、運輸速率快、運行穩定、對地面交通影響較小等優點，但同時具有造價高昂、易導致地表沉降等缺點。盾構施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或剪切破壞引起的重塑土再固結，是導致地表沉降的重要原因。地表沉降一般為非均勻沉降，容易使地面產生裂縫。如果沉降量過大，地表沉降還會對沉降范圍內的建筑物和地下管線造成安全影響。

針對地表沉降問題，眾多學者從基礎理論和工程實踐方面展開了研究。Peck等早在1969年就研究了隧道開挖引起的地表沉降槽，并提出了地層損失的概念和Peck公式[1]。之后，很多學者根據不同的地質情況對Peck公式進行了修正[2-4]。劉建航等以Peck公式為基礎，提出了縱向地表沉降Peck公式[5]。劉寶琛[6]、朱忠隆[7]等運用隨機介質理論對隧道縱向地表沉降進行預測。岳廣學等對隧道開挖過程中產生的地層變形做了統計分析[8]。另外，大量學者通過數值分析對地表沉降進行了研究[9-15]。對雙線隧道分先后掘進的施工條件下地表沉降規律的研究鮮有報道。以青島地鐵1號線安子站-安子東站區間盾構隧道掘進過程中的地表沉降現場監測數據為基礎，分析盾構隧道左、右線分別開挖條件下，近海富水地層的地表沉降規律，為今后青島地鐵的盾構隧道施工或其它海濱城市地鐵建設提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況及地層條件

青島市地鐵1號線安子站-安子東站區間(下稱：安安區間)位于青島市黃島區新港山路愛琴海小區對面。區間隧道由安子站引出后，沿長江東路下方敷設，穿過中冶愛彼岸小區北側地塊后再轉入新港山路，最終到達安子東站。區間隧道位于長江東路及新港山路下方。安安區間左線全長940.54 m，右線全長921.70 m，間距13.7～14.0 m，拱頂埋深9.0～13.2 m，為淺埋隧道。采用單洞單線圓形斷面，盾構斷面建筑限界為5.2 m，斷面內徑為5.4 m，管片厚0.3 m，管片長1.5 m。

安安區間主要位于構造剝蝕區、濱海堆積區，地質條件較差。第四系地層厚2.20～18.60 m，主要由全新統人工填土層、濱海沼澤化層、(淤泥質)粉質黏土、海相層中粗砂，以及上更新統洪沖積粉質黏土層、含礫黏土層組成。基巖為燕山晚期侵入巖，主要為石英二長巖、花崗巖。地質剖面如圖1。

圖1 安安區間地質剖面

1.2 盾構法施工概況

安安區間隧道掘進使用的是直徑6.28 m的土壓平衡式盾構機。盾構機從安子東站始發，接收于安子站。由于地層條件較差，盾構始發需要進行端頭地層加固。為了盡量降低隧道掘進對地層造成的影響，左右線分別進行掘進。左線盾構隧道先掘進，達到總里程的1/3時，右線隧道開始掘進。為控制地表沉降，在盾構掘進過程中應同步注漿，及時填充盾構機盾尾與開挖輪廓之間的間隙。實際注漿量一般為計算量的130%～250%，根據現場地表沉降監測情況，在適當位置進行二次注漿。盾構掘進過程中設置的基本技術參數如表1。

表1 盾構掘進參數

2 地表沉降監測方案

監測點按照監測斷面進行分組，在安安區間盾構隧道上方全線布置。監測斷面分為主要監測斷面和次要監測斷面。主要監測斷面上一般布置9個測點，次要監測斷面一般布置2個測點，分別布置于盾構隧道左線和右線的中軸線上方。監測斷面間距約為25 m，主要監測斷面和次要監測斷面相間布置，如圖2。主要監測面的測點布置如圖3。從DC01到DC38共38個監測斷面，其中DC01靠近安子站，DC38靠近安子東站。采用儀器為天寶DiNi03電子水準儀，配套銦鋼尺等。

圖2 監測點縱向布置

圖3 監測點橫向布置(單位：m)

3 盾構隧道掘進地表沉降規律分析

3.1 地表沉降歷時曲線

以DC32監測斷面作為代表，分析其地表沉降歷時曲線，如圖4。DC32監測斷面有9個地表沉降監測點，選擇其左線和右線隧道中軸線正上方的2個監測點(DC32-03和DC32-07)分析其沉降規律，兩個監測點距離約為14 m。可以發現，左右兩個監測點的沉降歷時曲線均可分為4個階段。

圖4 DC32監測斷面地表沉降歷時曲線

(1)左線監測點

①左線盾構機到達監測斷面之前(大約從監測天數13到監測天數24，持續11 d)，對地層第一次擾動造成的沉降量為6.3 mm；②左線盾構機通過監測斷面之后(大約從監測天數24到監測天數40，持續16 d)，監測點快速沉降，沉降量為21.6 mm；③緩速沉降期(大約從監測天數40到監測天數98，持續58 d)的沉降量為4.8 mm；④右線盾構機通過監測斷面造成的沉降較為緩慢(從監測天數98到監測天數126，持續28 d)，沉降量也較小，為4.3 mm。最終穩定沉降量為37.0 mm。

(2)右線監測點

①左線盾構機到達監測斷面之前(大約從監測天數13到監測天數24，持續11 d)，對地層第一次擾動造成的沉降量為4.4 mm；②左線盾構機通過監測斷面造成的沉降量也較小(從監測天數24到監測天數98，持續74 d)，為4.3 mm。③右線盾構機通過監測斷面之后(大約從監測天數98到監測天數106，持續8 d)，監測點快速沉降，沉降量為11.7 mm；④緩速沉降期(大約從監測天數106到監測天數126，持續20 d)的沉降量為2.5 mm。最終穩定沉降量為22.9 mm。

對沉降階段可以進行如下概括：先行隧道盾構機到達監測面之前，土體受到擾動，兩個監測點均會產生較小的沉降。本線隧道盾構機到達監測斷面后，監測點產生較大沉降，并且分為快速沉降階段和緩速沉降階段，前者的沉降量大約是后者的4.5倍。相鄰隧道的盾構機到達監測斷面后，監測點產生較小沉降，并且沉降速度較慢。各階段沉降占比如圖5。雖然先后順序有所不同，但兩個測點各階段沉降所占比例基本相當。初期土體擾動沉降占比為18.1%，本線盾構通過快速沉降占比為54.7%，本線盾構通過緩速沉降占比為11.9%，鄰線盾構通過沉降占比為15.2%。其他監測斷面地表沉降歷時曲線也基本具有以上特點。

圖5 各階段沉降占比

進一步分析，根據Peck沉降槽曲線[1]，每個監測點的沉降值與其到隧道軸線的水平距離相關，距離越遠沉降值越小。

(1)

式中：x—監測點與隧道軸線的水平距離；i—沉降槽寬度系數；Smax—隧道軸線上方沉降值；S(x)—與隧道軸線水平距離為x的監測點沉降值。

根據DC32-01至DC32-09的沉降值數據和式(1)可以擬合得到沉降槽寬度系數i，結果顯示，本工程中i的取值在8～9 m之間。左線和右線隧道軸線的距離為14 m，帶入式(1)，可以得到S(14)的取值在0.216Smax到0.298Smax之間。也就是說，本線盾構施工對鄰線測點沉降值的貢獻為21.6%～29.8%。從圖4可知，左線盾構施工對DC32-左線測點的沉降值貢獻為32.7 mm，對右線測點的沉降值貢獻為8.7 mm，為左線的0.266倍；右線盾構施工對DC32-右線測點的沉降值貢獻為14.2 mm，對左線測點的沉降值貢獻為4.3 mm，為右線的0.303倍。這與之前計算得到的范圍一致，說明在雙線盾構的施工條件下，每條線路的沉降槽依然獨立存在。

3.2 二次注漿對地表沉降的影響

DC33監測斷面與DC32監測斷面相鄰，且地層條件基本相同。不同點在于，盾構隧道左線DC33監測斷面附近在第30個監測天數和第60個監測天數進行了2次二次注漿。下面通過分析DC33監測斷面的地表沉降歷時曲線，并將其與DC32監測斷面進行對比，來說明二次注漿對地表沉降的影響。

DC33監測斷面地表沉降歷時曲線如圖6。DC33左線監測點在左線盾構機到達前的初期土體擾動沉降量為6.3 mm，與DC32左線監測點的情況一致。左線盾構機通過監測面后，DC33左線監測點進入快速沉降階段。快速沉降階段持續6 d后，在左線隧道DC33監測面附近進行二次注漿。6 d內，DC33左線監測點地表豎向位移從-17.4 mm回升到-12.2 mm(回升量為5.2 mm)。之后DC33左線監測點繼續沉降，到第60個監測天數，左線隧道DC33監測面附近又進行二次注漿，地表豎向位移從-20.9 mm回升到-15.4 mm(回升量為5.5 mm)。之后右線盾構機通過監測斷面，經過大約40 d，DC33左線監測點沉降值穩定于25.9 mm。由于二次注漿的位置在左線隧道，DC33右線監測點地表豎向位移回升值明顯小于左線監測點，并具有一定的滯后性。

圖6 DC33監測斷面地表沉降歷時曲線

DC33監測面兩個測點地表沉降歷時曲線基本上可以分為前文所述的4個階段，但受到二次注漿的影響，各階段的沉降值與DC32監測面產生了較大的區別，如圖7和圖8。

圖7 左線監測點各階段沉降值比較

圖8 右線監測點各階段沉降值比較

對于左線監測點，DC32和DC33的初期土體擾動沉降值基本一致。在第1回二次注漿的作用下，DC33測點本線盾構通過的快速沉降得到了抑制，只有DC32的51%。在第2回二次注漿的作用下，土體豎向位移回升量基本抵消了DC33測點本線盾構通過導致的緩速沉降，沉降值僅為0.1 mm。與前面3個階段不同，在第2回二次注漿之后，DC33測點的鄰線盾構通過沉降達到了DC32的兩倍，這是二次注漿對土體強烈擾動的結果。對于右線監測點，二次注漿的影響明顯小一些。DC32測點和DC33測點的初期土體擾動沉降、本線盾構通過的緩速沉降、鄰線盾構通過的沉降基本一致。DC33測點本線盾構通過的快速沉降明顯大于DC32測點，增幅為33%，這也是二次注漿對土體擾動的結果，但程度不及左線。

整體來看，左線隧道的二次注漿減少了左線測點的最終穩定沉降量，DC32左線測點的最終穩定沉降值為37.0 mm，DC33左線測點的最終穩定沉降值為25.9 mm，降幅為42.8%。左線隧道的二次注漿增加了右線測點的最終穩定沉降量，DC32為22.9 mm，DC33為28.8 mm，增幅為25.8%。

4 結論

(1)對于分先后掘進的雙線盾構隧道，無論是先行隧道還是后行隧道，其隧道軸線上方監測點的地表沉降都可以分為4個階段：初期土體擾動導致的沉降，平均占比為18.1%；本線盾構通過導致的快速沉降，平均占比為54.7%；本線盾構通過導致的緩速沉降，平均占比為11.9%；鄰線盾構通過導致的沉降，平均占比15.2%。

(2)在沉降槽寬度系數為8～9 m，左右雙線隧道軸線距離14 m的情況下，本線盾構施工對鄰線軸線測點沉降值的貢獻為本線測點的0.216～0.298倍。

(3)后行隧道盾構機未到達時，對先行隧道已完成段進行二次注漿，地表沉降規律會發生明顯變化。對于先行隧道，二次注漿可以減少本線盾構通過導致的沉降，同時增加鄰線盾構通過產生的沉降，減小最終穩定沉降值。對于后行隧道，二次注漿會增加本線盾構通過導致的沉降，并增加最終沉降量。