軟土灰巖復合地層盾構隧道施工地表沉降規律研究

孫成偉 范 雨 姚旭朋

1.廣州地鐵集團有限公司 廣東 廣州 510330； 2.同濟大學 上海 200092

隨著我國城市建設的快速發展和城市交通系統的完善，地鐵建設成為了城市地下空間開發的重要部分。在地鐵盾構隧道建設過程中，由于工程地質和掘進過程控制的影響，隧道施工將會對周圍的巖土體造成一定擾動，使得隧道周圍的巖土體場產生變形。當盾構施工擾動過大時會導致過大的地表沉降，危及隧道周邊建筑物和道路安全，引起一系列的工程環境問題[1-2]。系統分析盾構法隧道施工造成的地面沉降規律，對有效預測與控制地層擾動對地面及周邊建筑物的影響具有重要的指導作用。

目前，針對隧道施工過程中的地表和建筑物沉降規律研究成果較多，主要方法為經驗公式法、理論分析法、數值模擬以及模型試驗法。垂直于隧道軸線的橫向沉降經驗公式有Peck[3]基于大量監測數據提出的Peck公式；國內陳春來等[4]、韓煊等[5]和姚愛軍等[6]根據我國不同地層條件的監測數據對Peck公式進行了修正，提出Peck公式的修正系數，提高了Peck公式的運用范圍。在理論分析法中，Sagaseta[7]、魏綱等[8]和劉建航等[9]基于流動法則的彈性半空間解，利用鏡像法建立了地表沉降的預測模型。對于復雜施工環境下隧道開挖引發沉降的分析，數值模擬法較為有效，孫鈞等[10]、陶龍光等[11]和郭樂[12]采用數值模擬對多個隧道工程實例進行了地表沉降和影響因素分析。在模型試驗中，劉紀峰等[13]利用大型三維模型試驗對水土耦合的地基地表沉降進行了研究，孫兵等[14]利用離心機對雙孔隧道地表位移進行了定量分析

本文的研究對象所處的廣州地區分布有大范圍的上軟下硬地層，地鐵8號線盾構隧道穿越的土層有較軟的砂土、黏土層，較硬的灰巖層以及軟硬復合式土層。隧道施工影響范圍的地層性質及分布較為特殊，有必要對該類地層中盾構隧道施工引發的地表沉降進行研究。

本文依托廣州地鐵8號線石井站—亭崗站區間盾構隧道周邊地表實測數據，對盾構施工時地層的主要影響范圍、地表沉降隨盾構掘進的發展規律及其影響因素進行分析，并把盾構隧道在穿越復雜地形條件下的橫向和縱向沉降發展的實測數據與相應的沉降預測理論進行比較與評價分析，以期對類似穿越地層的盾構施工沉降預測和施工控制提供參考和依據。

1 隧道穿越地層分布

廣州地鐵8號線石井站—亭崗站區間（下稱“石—亭區間”）沿線地層條件多變，隧道將依次穿越軟土地層、砂層、上軟下硬復合層及全斷面巖層和溶洞區域，如圖1所示。盾構在富水地層中掘進同時將下穿河涌地段，盾尾易出現漏水、漏砂等情況，造成地面較大沉降，嚴重影響道路和建筑物安全。隧道外徑6.0 m，開挖直徑6.3 m，隧道中心埋深為12.5～18.5 m。該區間隧道為雙線隧道，兩隧道中心距為9.0～14.2 m。

圖1 石井站—亭崗站區間地質剖面

本文沿石—亭區間隧道軸向選取4個典型斷面DB3、DB21、DB60、DB62進行沉降分析。

盾構隧道施工影響范圍內的地層從地表至深處主要分布有填土、粉細砂、中粗砂、礫砂、淤泥質黏土、粉質黏土、灰巖層，但該區間地層分布差異性較大，不同斷面的地層組合存在顯著差別。根據DB3、DB21、DB60、DB62斷面所在的地層分布、隧道中心埋深及兩隧道中心的距離可知，DB3斷面隧道穿越淤泥與礫砂層，DB21斷面隧道穿越層主要為礫砂層，DB60與DB62斷面隧道穿越層均為灰巖層。

2 地表沉降規律分析

2.1 橫向地表沉降

Peck最早提出了單隧道施工引發的地表橫向沉降的實用計算公式，假定在不排水情況下地表沉降槽的體積等于隧道施工產生的地層損失體積，地表橫向沉降槽近似正態分布曲線，沉降曲線預測公式如式（1）所示：

式中：S(x) ——距隧道中心軸線x處的地表沉降；

x ——距隧道中心軸線水平距離；

i ——地表沉降槽寬度系數；

R ——盾構計算半徑；

η ——地層體積損失率；

H ——隧道中心埋深；

φ ——土體內摩擦角。

對于雙線隧道，Peck認為后行隧道開挖導致地層損失量增大，沉降槽寬度隨之增大，當橫向沉降槽關于兩隧道中軸線對稱時，在式（1）中用R＋L/2代替R，可計算雙線隧道的地表沉降槽曲線，其中，L為兩隧道中心之間的水平距離。

地層體積損失率是盾構施工變形預測中的關鍵之一，其受土層性質、施工方法等諸多因素的影響，其中土層性質的影響較大。魏綱[15]對不同地區盾構隧道穿越不同巖土層引起的地層損失率進行了統計分析，因此，可確定本工程多個沉降監測斷面地層體積損失率的基本范圍。在此基礎上，結合反分析，即根據實測沉降槽的最大沉降值，由式（1）進一步確定DB3、DB21、DB60、DB62斷面地層體積損失率分別取為1.25、0.96、1.00、1.00。

圖2為DB3、DB21、DB60、DB62斷面橫向地表沉降預測曲線與實測值對比圖，預測誤差均值分別為－2.6、－1.2、0.1、0.9 mm，預測沉降槽曲線與實測值基本吻合，從圖中預測曲線與實測值看出，隨著沉降點距離隧道軸線中心的距離增大，地表沉降量將逐漸減小。預測曲線最大沉降量由地層體積損失率控制。實測結果中DB3斷面隧道穿越層分布有大范圍淤泥層，沉降量值最大，最大值達到23 mm。由式（1），當x為± i2 時，為橫向沉降曲線的拐點，因此預測曲線沉降較大區域為兩隧道中心左右兩側各 i2 的范圍，為沉降主要影響區，該區域寬度受隧道埋深與隧道穿越土層的內摩擦角控制。DB21斷面隧道穿越層礫砂層的內摩擦角較大，沉降主要影響區寬度較大。對于雙線隧道，沉降主要影響區還與兩隧道間距密切相關。DB3、DB21斷面的兩隧道間距明顯大于DB60、DB62斷面，實測沉降中前兩者的主要影響區寬度大于預測曲線，而后兩者實測主要影響區寬度則小于預測曲線。雙線隧道施工參數控制復雜，穿越灰巖層的DB60、DB62斷面實測數據中兩隧道中心線兩側的地表沉降呈現非對稱性。

圖2 橫向地表沉降預測曲線與實測值對比

2.2 縱向地表沉降

在盾構隧道施工過程中，盾構掘進引起的地層擾動將導致地表沉降的產生。盾構隧道掘進方向的地表沉降隨著隧道開挖面的推進不斷變化，分析開挖面前后隧道軸線上方地表沉降，可獲得施工過程的地表三維沉降變化規律。

Sagaseta假定土體為均質各向同性且不可壓縮，推導了隧道施工地層損失導致的土體應變場與位移場解析解。土體彈性力學場坐標系原點位于隧道軸線上方地表，y軸為隧道軸線方向，x軸為垂直于隧道軸線的橫向，z軸為豎向。在位移場解中令x=0、z=0，且假定任意y值對應的橫斷面地層損失率與最大沉降值之比不變，則可得到隧道軸線上方地表沿隧道軸向即掘進方向變化的地表沉降〔式（2）〕：

式中：Smax(y)——隧道軸線上y坐標處橫斷面沉降槽的最大 沉降量，是隨著y變化的函數；

Smax——隧道軸線上－∞處橫斷面沉降槽的最大沉降量。

實際施工時測得盾構開挖至該區間隧道里程ZDK28＋ 704 m、ZDK28＋784 m處時隧道軸線上方測點的地表沉降。圖3為式（2）預測的隧道軸線上方地表縱向沉降曲線與實測值的對比。式（2）中的Smax為開挖面后60 m的橫斷面按照式（1）計算的最大沉降值，開挖面后60 m的縱向沉降已基本穩定。圖中縱坐標表示沉降量，以地面初始位置為零點；橫坐標表示地表測點相對于隧道開挖面沿隧道軸向的距離，負值表示開挖面之后，正值表示開挖面之前。

圖3 地表縱向沉降預測曲線與實測值對比

從圖3中可看出，地表縱向沉降預測曲線與實測值從開挖面前至后基本分為3個發展階段：沉降緩慢發展區、沉降快速發展區、沉降趨于穩定區。預測曲線中沉降快速發展區范圍大小為開挖面前 H2 /2至開挖面后 H2 ，受隧道中心埋深控制；而實測沉降中沉降快速發展區的大小還會受到由地層縱向不均勻性帶來的施工過程中地層損失率變化的影響。開挖面后 H2 以遠的范圍沉降量值發展得最大，距開挖面越遠沉降越趨于穩定。地表縱向沉降預測曲線與實測值基本吻合，其中盾構隧道開挖至ZDK28＋704 m里程時，地表縱向沉降發展規律預測與實測差異較小，差異均值為0.3 mm；盾構隧道開挖至ZDK28＋784 m里程時，地表縱向沉降發展規律預測與實測差異均值為0.6 mm。

3 結語

本文依托廣州地鐵8號線北延伸段石—亭區間盾構隧道的地表沉降實測數據，研究上部軟土、下部灰巖復合地層地表橫向沉降和隧道軸線上方地表縱向沉降隨盾構開挖的變化規律，對比了橫向與縱向沉降預測公式與實際監測值，分析了沉降量值與沉降范圍的控制因素，得到以下結論：

1）地表橫向沉降曲線中，隨著沉降點與隧道軸線中心的距離的增大，地表沉降量將逐漸減小。最大沉降量由地層體積損失率控制，該參數受地層性質與施工控制共同影響。預測曲線沉降較大區域為兩隧道中心左右兩側各 i2的范圍，為沉降主要影響區，該區域寬度受隧道埋深與隧道穿越土層的內摩擦角控制。實際對于雙線隧道，沉降主要影響區還與兩隧道間距密切相關。

2）地表縱向沉降預測曲線與實測值從開挖面前至后基本分為3個發展階段，沉降緩慢發展區、沉降快速發展區、沉降趨于穩定區。開挖面后 H2 以遠的范圍沉降量值發展得最大，距開挖面越遠沉降趨于穩定，最大沉降值可由修正Peck公式令x=0預測；縱向沉降快速發展區范圍大小為開挖面前 H2 /2至開挖面后 H2 ，受隧道中心埋深控制；而實測沉降中沉降快速發展區的大小還會受到由地層縱向不均勻性帶來的施工過程中地層損失率變化的影響。

3）修正Peck公式預測的地表橫向沉降槽曲線與實測值基本吻合，預測值與實測值之間的差異主要是預測公式未能系統考慮雙線隧道對地層擾動的相互影響、疊加機制，以及2條隧道各自掘進時施工參數的差異的影響；Sagaseta公式預測的地表縱向沉降曲線與實測值基本吻合，預測值與實測值之間的差異其主要原因有地層的縱向不均勻性與施工控制因素等。

通過上述結論，本文得出廣州軟土灰巖復合地層盾構施工過程中地表三維沉降的初步規律，為該地區同類型盾構施工的沉降監測與沉降控制提供了原始依據，對盾構施工的環境影響和安全評價具有一定的參考意義。