南京江漫灘區間隧道盾構施工地表沉降變形特性研究

李方明，陳國興

(1. 中國地震局 工程力學研究所， 黑龍江 哈爾濱 150080； 2. 南京工業大學 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210009)

地鐵區間隧道盾構施工容易引起地表沉降，其研究方法相對較多，其中最成熟且有經驗的方法就是Peck法[1]。Peck經驗方法以不排水條件下隧道盾構施工引起的地表瞬時沉降為研究對象，認為地表沉降槽的體積與盾構施工引起的水土流失體積基本相同。假設整個區間隧道土體損失率相同，那么隧道盾構施工引起的地表沉降橫向分布近似于一正態分布曲線，其曲線形態見圖2，其正態分布曲線預估公式為

( 1 )

式中:s(x)為隧道施工所造成的地表沉降量；i為沉降槽寬度系數；smax為最大地表沉降量，其計算公式為

( 2 )

其中，Vl為盾構施工造成的水土流失量，即單位長度盾構施工開挖量與完工后隧道體積之差(包括同步灌漿和二次灌漿的體積)；η為區間隧道盾構施工引起的土體損失率；d為區間隧道設計外半徑。

Peck經驗公式法經工程實踐證明，其曲線形狀與盾構隧道實測地表沉降曲線一致，已被有關規范廣泛采用。Peck經驗公式法主要由η和i兩個變量來控制，地表沉降最大值由η控制，地表沉降曲線形式由i控制，同時也對地表沉降最大值有所影響。i值計算公式很多，其不僅與地域有關，也與其采納的計算公式有關，i值在某一地區的經驗取值，通常根據該地區的施工經驗實測結果來總結驗證。朱才輝等[2]以大量的國內地鐵隧道實測沉降資料為依據，總結了地表最大沉降量、沉降槽寬度系數和地層損失率變化規律及其關系。韓煊等[3]在分析的過程中重點對中國眾多地區(約30組)地表沉降實測數據加以統計和分析，對Peck法于不同地區的適用性加以探究，給出了兩個控制計算參數沉降槽寬度系數和土體損失率的推薦值。魏綱[4]在實際分析的過程中統計了13例22個地表沉降實測資料，將黏性土沉降槽寬度系數的計算公式加以總結。蔣彪等[5]通過對長沙地區大量的地表沉降實測數據的統計分析，得到了Peak公式法預測長沙地區土壓平衡盾構引起地表沉降的沉降槽寬度系數和地層損失率。王淵等[6]研究了武漢地區盾構施工地表沉降規律，總結了Peck公式中適應于地區經驗的2個控制性計算參數i和Vl。同樣地，魏剛[7]對中國大陸的71條隧道盾構施工所造成的土體損失率η加以統計和分析，最終將η與隧道埋深h的關聯確認出來。陳春舒等[8]通過對武漢地鐵長江沖積一級階地盾構隧道施工地表沉降實測資料的擬合分析，得出了該地區典型砂土層Peck公式中i和η兩個控制參數的區域經驗推薦值，并對地層損失率進行了統計分析。而針對南京江漫灘這一典型地質條件下的沉降槽寬度系數i和土體損失率η的統計分析研究尚處于空白。

本文對南京地鐵12組漫灘段盾構隧道地表沉降實測數據進行了總結和分析，驗證了Peck經驗公式在漫灘地區的適用性，提出了經典Peck公式的沉降槽寬度系數i和土體損失率η兩個主要控制參數的經驗推薦值，以及該區施工引起的地表沉降范圍影響分區。

1 工程概況

盾構施工是南京江漫灘地鐵區間隧道所常用的施工方法，區間隧道埋深一般在8.0～37.0 m之間，隧道在江漫灘中穿越涉及到的主要土層有填土、軟塑—流塑狀態的黏性土、粉土、粉細砂、細砂、中砂、粗砂、卵石層及礫石層等。南京地鐵7個江漫灘地貌區間隧道盾構施工情況見表1。

表1 區間盾構施工工程概況

江漫灘隧道穿越的土層工程地質和水文地質條件復雜，不僅有結構強度低、流變性及觸變性強的軟黏土，還有透水性較強的砂礫承壓含水層。地質剖面圖見圖3。

2 江漫灘區間隧道盾構施工地表沉降槽變形研究

2.1 沉降槽曲線形態

區間隧道盾構施工短期所造成的地表沉降預測需要通過Peck經驗公式而求解，借助于Fang的方法[9]，在分析的過程中需要將區間隧道盾構通過2～3d后的地表沉降量當做具體的研究對象。利用Peck公式擬合實際測量的12組地表沉降數據，擬合曲線見圖4，由圖4可知，當前可以通過Peck曲線而擬合江漫灘區間隧道盾構施工引起的實測地表沉降。

2.2 沉降槽寬度系數i

本次實際測量的12組地表沉降槽寬度系數i值見表2。由表2可知，臨萬、京柳、綠夢三個區間隧道上覆土為黏性土時，沉降槽寬度系數與隧道埋深的比值范圍在0.49～0.55。柳上區間隧道上覆土為粉土、粉砂層時，k=i/h=0.45。因此，建議該地區粉土、粉砂中地表沉降槽寬度系數的比例系數k經驗值可取0.45。黏性土中地表沉降槽寬度系數的比例系數k經驗值可取0.5。

對表2中i值和隧道埋深h進行擬合，由此得到的擬合曲線見圖5。由圖5可知，i/h比值的范圍處于0.45～0.51之間，呈高度線性關系，其線性擬合相關系數R2=0.98，由此得到相應的曲線公式為

表2 i值統計表

i=0.45h+0.48

( 3 )

隧道半徑d大小直接影響到地表沉降槽寬度系數i的大小。在分析的過程中需要考慮到這一方面[1]，因此對實測的12個i/d和h/2d進行曲線擬合，其關系曲線見圖6。由圖6可知，i/d與h/2d兩者呈線性關系，兩條擬合直線線性相關系數要劣于式( 3 )。所以，隧道直徑對該系數的影響程度視為0。

不論是砂土層還是黏土層，分層土特性對沉降槽寬度系數造成不同影響，所以在分析過程中需要以基于漫灘區域工程經驗值為指標，南京江漫灘盾構隧道施工引起地表沉降Peck經驗公式也需要使用到O’Reilly-New[10]經驗公式，由此才能對i值進行分析

i=k1h1+k2h2+…+knhn

( 4 )

式中:kn為隧道埋深內第n層土的沉降槽寬度系數的比例系數，對于江漫灘黏土層取值0.5，對于粉土、粉砂層取值0.45，隧道埋深內的第n層土層的厚度需要通過hn加以表示。將采用式( 4 )估算的地表沉降槽寬度系數i與實測值對比來看，其與實測值相差甚微，因此采用式( 4 )能夠準確的預測地表沉降槽寬度系數i。

2.3 土體損失率η

盾構施工時造成的土體損失體積除以開挖土體的總體積，即為土體損失率η，可以用來衡量盾構施工對周邊土體位移的影響。其大小與穿越土層客觀條件等有關，也和管理水平、技術水平以及盾構機選型等因素有關聯[11]。依據實際測量的最大地表沉降值才能將各個區間土地損失率η計算出來，計算結果見表3。

表3 土體損失率η的計算結果

對表3中土體損失率η累計發生概率區間分布進行統計分析，繪制直方圖見圖7。由圖7可知，此時所得到的土體損失率η分布曲線是完全合乎于正態分布的。土壓平衡盾構施工土體損失率的范圍在0.11%～5.41%之間，土體損失率主要集中在0.5%～3.0%，占總數的90%，均值為2.91%。泥水平衡盾構施工土體損失率主要集中在0.09%～0.66%，均值為0.5%。泥水平衡盾構施工的土地損失率遠遠小于前者。當對地表沉降大小進行初步估算的時候，此時，土壓平衡盾構施工土體損失率η可取2.9%，相反地，泥水平衡盾構施工土體損失率η可取0.5%。在初步預估地表沉降時，應根據不同的施工方法采取不同的土體損失率經驗值，從而更加科學合理預測出地表沉降大小。

2.4 地表沉降影響分區

地層原有應力狀態因盾構掘進施工而重新分布，引起土體變形，由此擾動區存在于隧道周邊[12]，r′為擾動區半徑，見圖8。在分析的過程中需要結合土體極限平衡理論，主動土壓力角和施工擾動影響區邊界線的水平仰角兩者是統一的，角度值都是45°+φ/2[13-15]，其中，它和地面交匯地方的沉降量為0。施工影響半徑r′的計算公式為

( 5 )

因此，隧道中心線距完全邊界線地表處的水平距離r2為

r2=r″+htan(45°-φ/2)=

r′/sin(45°+φ/2)+htan(45°-φ/2)

( 6 )

式中：r為隧道半徑，m；D為隧道直徑，m；r″為完全邊界與隧道中心水平線交匯處至隧道豎向中心線的距離，m。

根據不同的距離分別統計分析隧道盾構施工引起的地表沉降實測數據，詳見表4。隧道盾構施工引起的地表沉降的主要影響區域為隧道軸線兩側(2～3)D寬度范圍內，在該范圍區間內，土體損失量占總損失量的70%左右。地表沉降曲線反彎點計算公式為

r1=i=0.45h+0.48≈0.45h

( 7 )

此時，沉降量sr1=0.6smax，在此范圍內為主要影響區，應加密觀測點數量。

通過式( 6 )計算得到r2，相應內容見表4。表4中r2/i比值范圍為2.3～2.7，平均值為2.5。因此r2≈2.5i，在此處地表沉降接近于0。對r2和h進行線性擬合，所得到的擬合曲線見圖9，而擬合公式為

表4 分區沉降數據統計表

r2=1.15h+0.76≈1.15h

( 8 )

因此，可將區間[r1，r2]=[i，2.5i]或[0.45h，1.15h]定義為次要影響區，將r2以外的區域定義為可能影響區。地表沉降影響分區見表5。

表5 江漫灘隧道盾構施工地表沉降影響分區

3 結論

通過對漫灘區地鐵隧道地表沉降實測數據規律的研究，證明了peck經驗公式可以用于江漫灘地表沉降的預測，提出了沉降槽寬度系數i和土體損失率η的建議值，并對地表沉降范圍進行了影響分區。主要結論如下：

(1) Peck公式可以用來擬合江漫灘地鐵區間隧道盾構施工引起的地表沉降曲線，擬合結果與peck曲線形態基本一致。

(2) 初步分析江漫灘地鐵區間隧道盾構施工引起地表沉降時，Peck經驗法中沉降槽寬度系數的比例系數kn，對于黏性土層可取0.5，對于砂性土層可取0.45。

(3) 江漫灘盾構隧道施工引起的地表沉降當需初步被估算時，泥水平衡盾構機施工的土體損失率η可取0.5%，土壓平衡盾構機施工的土體損失率η可取2.9%。

(4) 如果地表沉降是因為江漫灘區間隧道盾構施工所造成的，則可將沉降范圍分成為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個區，Ⅰ區主要影響區域的范圍是[0，0.45h]，Ⅱ區次要影響區范圍為[0.45h，1.15h]，Ⅲ區可能影響區范圍為[1.15h，+∞]。