類矩形盾構與雙圓盾構施工地表沉降變形規律對比分析

邱波

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315012)

1 引 言

寧波市軌道交通地下工程周邊環境復雜，特別是中心城區老舊建筑群、地下管線、河流溝渠等更多，區間線路施工需頻繁穿越建構筑物、橋樁基礎以及河道等風險，且沿線歷史保護建筑、市政工程節點眾多，穿越條件復雜，工程難度較大。盾構將面臨復雜地層、小曲率半徑、淺覆土穿河、穿越拔樁區、轉角控制等施工難題。在此背景下嘗試采用橫向沉降影響范圍較小的盾構區間形式，寧波軌道交通首創陽明號類矩形盾構，采用新研制的 11.83 m×7.27 m類矩形土壓平衡盾構機在3號線一期工程順利實施，隧道管片斷面尺寸如圖1所示。

類矩形盾構左右并線，能有效利用地下結構空間，并減小地表建構筑物、管線拆遷工作量，具有明顯的經濟效益。

圖1類矩形盾構與普通雙圓盾構隧道斷面對比

盾構掘進施工引起的周邊地表沉降變形在空間分布是三維的[1]。本文將類矩形盾構與普通雙圓盾構橫向、縱向地表沉降監測數據進行對比分析，并研究其變形規律，從地層沉降變形方面探索類矩形盾構的優勢。

2 地質情況

類矩形盾構主要穿越土層為②2a層淤泥及②2b層淤泥質粉質黏土，如圖2所示；類矩形盾構段各土層物理力學指標統計如表1所示。

圖2 類矩形盾構隧道地質剖面圖 矩形盾構段及明挖段各土層物理力學指標統計表 表1

3 主要沉降監測點布置對比

圓形盾構與類矩形盾構沉降監測點布置對比如表2所示。

圓形盾構與類矩形盾構沉降監測點布置對比 表2

4 橫向地表沉降變形規律對比分析

根據實測數據，對洞通后的雙圓盾構隧道典型剖面地表沉降數據進行多項式曲線擬合，如圖3所示，其沉降槽曲線介于W型和正態分布曲線之間，兩次盾構推進疊加影響范圍為雙線隧道中心線兩側 35 m范圍內，主要影響區域在隧道中心線 15 m范圍內，最大沉降發生在左右線隧道軸線之間。

圖3 雙圓盾構地表橫向沉降槽

同理，對類矩形盾構隧道地表沉降數據統計擬合，如圖4所示，橫斷面沉降槽形狀介于正太分布曲線與V型之間，影響范圍為隧道中心線兩側 20 m～25 m范圍(約兩倍隧道寬度)內，主要影響區域在隧道中心線 10 m范圍內，最大沉降發生在隧道軸線處。

綜上，類矩形盾構隧道由于橫向跨度小于普通雙圓盾構 5 m～10 m，且無二次掘進擾動，其橫向地表沉降槽寬度約為普通雙圓盾構的70%，對周邊地層的影響范圍較普通雙圓盾構更小。

5 縱向地表沉降變形規律對比分析

根據寧波軌道交通1、2號線大量盾構區間地表沉降實測數據，如圖5所示，盾構掘進方向地表沉降變形曲線呈起峰、落峰、沉降、收斂形態，基本符合軟土地區土壓平衡盾構掘進地表縱向沉降變形規律，即較小的初始沉降、盾構通過時的瞬時沉降和通過后一段時間內較明顯的持續沉降。縱向地表沉降影響范圍基本為盾構切口前方 10 m，盾尾 30 m內。

類矩形盾構縱向地表沉降影響范圍為刀盤前方 15 m至盾尾后方 20 m左右，變形趨勢如圖6所示，盾構到達時刀盤上方及前方一定范圍地表出現小幅隆沉變形，盾構通過時及通過后一段時間內上方及盾尾地表出現明顯沉降變形，脫出盾尾后地表呈緩慢固結沉降趨勢，基本符合緩慢發展、快速發展和逐步穩定3個階段的地表時程變形規律[2]。

圖5 雙圓盾構縱向地表沉降變化過程線

圖6 類矩形盾構縱向地表沉降變化過程線

對比分析可知，近似地質情況和埋深條件下，類矩形盾構與雙圓盾構縱向地表沉降影響范圍基本相同，約 50 m左右；縱向地表沉降變形時程變化規律均表現為盾構到達時的小幅初始沉降、盾構通過時的明顯沉降和通過后一段時間內緩慢持續沉降規律。所不同的是，由于類矩形盾構更為復雜的刀盤切削開挖及進出土平衡控制方式，周邊土體處于較為復雜的受力狀態[3]，數據離散性較大，盾構掘進時土體彈塑性變形受土體改良、土壓力及注漿控制等影響較大，規律不明顯，尚需大量實測數據進行深入挖掘分析。

6 其他沉降變形

6.1 因聯絡通道引起的沉降變形

類矩形盾構由于結構形式及施工工藝改進[4]，無須設置聯絡通道，避免了軟土地區冰凍法聯絡通道施工地層凍脹、融沉變形風險及后期通道結構滲漏水、不均勻沉降等風險。

根據寧波軌道交通1、2號線數個區間聯絡通道上方地表沉降監測數據統計，如圖7所示，連通道凍結及開挖施工對上方地表影響較明顯，在開挖前的積極凍結階段，受地層凍脹影響，地表有少量隆起變形，在開挖及結構施工即維護凍結階段，地表變形基本較穩定，但結構施工完成后的解凍及隆沉注漿階段，通道上方地表發生較大沉降，且3個月融沉注漿結束后仍未收斂，最大沉降累計值超過 -60 mm。

圖7 雙圓盾構聯絡通道冰凍法施工地表沉降變化過程線

6.2 工后沉降變形

盾構隧道貫通后至鋪軌開始前，一般要超過半年時間，期間隧道上方地表受土體固結、地面荷載等影響，往往會持續數月較明顯沉降時期[5]。

根據寧波1、2號線圓形盾構工后沉降監測數據統計結果，如圖8所示，隧道貫通3個月后，地表沉降平均變形速率不超過 0.4 mm/d，4～6個月后，平均變形速率一般不超過 0.25 mm/d。

根據類矩形盾構隧道軸線地表工后沉降統計結果，如圖9所示，隧道貫通后3個月地表沉降基本收斂穩定。

由此可見，類似地質和埋深條件下，圓形、類矩形盾構隧道上方地表工后沉降主要受土層物理力學特性、地下水及管片變形等因素影響，土體蠕變壓縮呈長期緩慢固結沉降趨勢。

圖8雙圓盾構隧道縱向地表沉降累計值分布線

圖9 類矩形盾構縱向地表沉降累計值分布線

7 結 論

本文從盾構施工地表環境風險監測監控的視角出發，通過寧波軟土地區普通雙圓盾構和類矩形盾構施工地表沉降監測數據的統計分析，總結出地表沉降一般變形規律，得出主要結論如下：

(1)類矩形盾構由于橫向跨度小，無二次掘進擾動等因素，其橫向地表沉降槽寬度約為普通雙圓盾構的70%，對周邊地層的影響范圍較普通雙圓盾構更小。

(2)類矩形盾構與普通圓形縱向地表沉降影響范圍基本相同，其時程變化規律均表現為盾構到達時的小幅初始隆沉、盾構通過時的明顯沉降和通過后一段時間內緩慢持續沉降規律。

(3)圓形、類矩形盾構隧道上方地表工后沉降只受土層物理力學特性、地下水及管片變形等影響，土體蠕變壓縮呈長期緩慢固結沉降趨勢，一般3個月左右地表沉降收斂穩定。

(4)類矩形盾構區間一次性掘進成形，相比雙圓盾構施工的兩次掘進，避免了施工交互影響引起的地表疊加沉降，和對相鄰盾構區間管片的水平位移影響。

(5)由于結構設計及施工工藝改進，類矩形盾構無聯絡通道，避免了軟土地區冰凍法聯絡通道施工地層凍脹融沉變形風險及由此帶來的結構滲漏水、不均勻沉降等風險。

類矩形盾構的姿態、土壓平衡控制對地層變形影響更為復雜，與雙圓盾構地表沉降規律存在一定異同，隨著類矩形盾構在工程中的進一步應用，其地層變形規律有待進一步探索。