小半徑曲線盾構隧道地面沉降變形特征研究

呂 濤, 李森闊, 楊果林, 徐浩棟, 龍 彪

(1.中建五局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004； 2.中南大學鐵道學院, 湖南 長沙 410075)

隨著我國城市地下空間開發需求的不斷增大，地下工程建設項目成倍增長，而地下工程施工中出現的安全事故更是層出不窮，因此對地下工程施工的安全要求越來越高。城市電力隧道作為容納大量敷設于電纜支架之上電纜的走廊或隧道式構筑物，對電纜起到有效保護的同時方便電纜的檢查和維修，是未來地下管廊建設及地下空間開發利用的重點方面。電力隧道同地鐵隧道等相比，具有長距離、隧道空間小、曲線段多、曲線轉彎半徑小等突出特點。在盾構法施工電力隧道實踐中，雖然盾構法施工在國內外已經有較為成熟的經驗，但是由于受諸如盾構施工口徑小、變向曲線多且轉彎半徑小等電力隧道特點的影響，存在許多亟需研究和解決的問題，而盾構施工的擾動效應及控制研究是其中關鍵科學問題。

傳統上國內外對盾構隧道的土體擾動研究主要以直線形盾構隧道[1-5]為主，近年來受工程實踐需要逐漸出現了對于諸如電力盾構隧道等小半徑曲線隧道盾構施工對土體擾動影響和沉降規律研究。其中，潘泓等[6]通過動態監測小曲率半徑段轉彎盾構施工引起土體分層沉降、水平位移、孔隙水壓力的變化，分析小曲率半徑轉彎隧道盾構掘進對緊鄰土體的擾動規律。馮浩等[7]等通過現場試驗、擬合計算及二維數值計算等方法，研究曲線隧道地表沉降、千斤頂推力等因素之間的關系，給出適合曲線隧道盾構施工地表沉降預測公式和地表不均勻沉降量與盾構不均衡推力之間的關系式。路林海等[8]基于Peck公式結合現場實測數據，建立曲線盾構施工地表沉降預測公式，探究隧道埋深及曲率半徑對地表變形的影響規律。王國富等[9-10]提出曲面梯度楔形棱柱體開挖面極限平衡模型，結合實際曲線隧道工程，探究不同曲率半徑下開挖面的變形分布特征。并基于正交實驗建立小半徑盾構隧道施工穩定性綜合評價體系，發現隧道埋深與盾構直徑對地層變形具有強烈的致險作用。

綜上所述，目前對于小半徑曲線盾構隧道擾動問題研究，主要集中在小范圍曲線段土體擾動方面。在研究曲線段地面沉降規律時，缺少鄰近直線段地面沉降規律實測數據的對比分析，未能全面揭示曲線隧道變形的特征和機制。

針對相關研究不足之處，本文選取一段總長80 m的盾構隧道曲線-直線連續區段(如圖1所示)，分別在小半徑曲線段和直線段設置兩個監測斷面進行地表沉降監測。通過對直線斷面和曲線斷面的監測數據分析比較，研究小半徑盾構隧道轉彎段地面沉降變形特征，為小半徑曲線盾構隧道的施工和研究提供參考。

圖1 監測斷面位置圖

1 工程概況

長沙市萬家麗路220 kV電力隧道起于萬家麗路與特立西路西北角，止于萬家麗路與火炬路交匯處西北角，全長5.957 km，隧道內徑3.6 m，外徑4.1 m。

本隧道推薦采用1.2 m寬管片，最小曲線半徑位置采用1.0 m寬管片，管片厚度0.25 m，采用C50混凝土，主受力鋼筋采用HRB400級。襯砌全環由一塊封頂塊K、兩塊鄰接塊L和三塊標準塊B構成，錯縫拼裝。

工程采用2臺土壓平衡盾構機，盾體長度約7.80 m，最大掘進速度8 cm/min，最大推力18 620 kN。適宜卵石層、礫巖交互層、淤泥質土、粗砂等土層的掘進施工，盾構機掘進最小曲率半徑150 m。

本電力盾構隧道工程難點：存在多處小半徑曲線段，且呈連續“S”型轉彎，平曲線有150 m、300 m、800 m三種轉彎半徑。盾構機掘進時隧道軸線控制難度大，糾偏困難。管片之間易發生錯臺，管片易產生開裂和破損，出現嚴重的漏水現象。工程沿線區段臨近盾構旁穿既有萬家麗快速化改造高架橋，隧道側穿高架橋樁基，最近處僅約為2.6 m。附近有高壓鐵塔基礎，同時需避讓在建的財富名園樁基礎，需側穿洪西小區沿萬家麗路西側安居房。在洪山路口地鐵3號線地鐵隧道底板距離電纜隧道頂板最小距離4.36 m；地鐵5號線出入口底板距離電纜隧道頂板距離在6.2 m～11.8 m之間。盾構穿越巖溶地區盾構隧道穿瀏陽河，地下水極其豐富。綜合隧道本身連續“S”型轉彎的施工難度，以及周邊建筑物，已有和在建的地下工程對隧道施工影響的敏感性。本工程隧道需進行長期實時施工監測并結合與臨近建筑物的關系指定相應的處理方案措施。

1.1 監測方案

監測試驗段由曲率半徑為150 m的60 m曲線段，20 m直線段，共2區段組成。其測點布置圖如圖2所示。

圖2 斷面的測點布置圖

區間地表測點埋設橫向布點是沿隧道中心線正上方開始布點，根據區間情況，在軸線走向上每30 m布置1條監測斷面，每斷面為13點，在軸線左右兩側設點，斷面測點間距為距離軸線0 m、±3 m、±8 m、±13 m、±18 m、±23 m、±28 m。在同一個斷面上取與隧道軸線相交的中心點為7號點，由中心點向東西方向編號1號—13號監測點。但由于周邊鄰近建筑限制，實際現場監測DK2740斷面去除1號—4號以及13號監測點，DK2710斷面去除了1號—4號監測點。用取芯鉆機鉆透硬化路面層，監測點埋設要求鋼筋穿過路面結構至原狀土。

本次監測應根據地下盾構掘進施工進度及關鍵環節進行監測跟進，監測工作從開挖面距DK2740斷面100 m開始，每天監測一次。監測儀器采用天寶DINIO3電子水準儀，銦鋼尺。觀測方法采用精密水準測量方法。基點和附近工作基點聯測取得初始高程，觀測時各項限差宜嚴格控制。利用監測數據繪制橫斷面和縱斷面沉降槽曲線，判斷施工影響范圍、最大沉降坡度、最小曲率半徑、地層體積損失等。

1.2 工程地質條件

監測斷面所在地層縱斷面如圖3所示，其各土層物理力學指標見表1。地下水位埋深9.8 m。

圖3 監測斷面地層縱剖面(單位：m)

表1 監測段土層基本力學指標

①-2素填土：稍密；主要成分為黏性土及砂土，為近期修建道路時分層碾壓回填，土質較均勻。

②-2粉質黏土：黃—褐黃夾灰白；很濕；可塑；含少許黑色鐵錳質氧化物及粉細砂，無搖震反應，有光澤，干強度中等，韌性中等，沖積。

②-5粉細砂：褐黃；稍密—中密；很濕—飽和；含云母片，混礫石，泥質含量約40%，級配較均勻，沖積。

②-4粉土：褐黃—褐灰；稍密；濕；稍密，級配較均勻，含粉細砂、中砂及云母片，搖震反應中等，無光澤反應，干強度低，韌性低，沖積。

②-8卵石；褐黃；中密—密實；飽和；卵石含量約60%，主要成分為石英砂巖、砂巖，亞圓形，粒徑2cm～4 cm，最大粒徑達8 cm～10 cm，砂質充填，混約10%黏性土，沖積。

⑥-1全風化礫巖：紫紅、褐黃；碎屑結構，厚層狀構造，膠結極差，大部分風化呈土狀，手捏即散，礫石多為板巖、砂巖，少量泥巖，粒徑2 mm～30 mm。

2 現場監測分析

取2個斷面進行分析分別為DK2710、DK2740，其中DK2740為轉彎半徑為150 m的曲線段，DK2710為直線段，隧道向北掘進，經過DK2740向西轉彎，后經過直線斷面DK2710。

2.1 曲線段分析

對DK2740斷面進行監測分析，監測時間從3月15號開始為第1日，如圖4所示。觀察每一天斷面曲線可以發現，地表沉降可以分為四個階段：

圖4 DK2740斷面地表沉降監測圖

第Ⅰ階段：在第1到2日監測時間內，開挖面距離監測斷面約10 m，曲線斷面發生緩慢沉降，最大沉降點出現在8號點處。

第Ⅱ階段：隨著盾構機掘進，不斷接近監測斷面，第3日最大沉降點出現在7和8號點之間，并呈現最大沉降點繼續左移的趨勢。

第Ⅲ階段：直到6日，開挖面距監測斷面40 m，地表沉降累計達到最大值7.4 mm，且最大沉降值偏離拱頂位置，而出現在6號點附近。

第Ⅳ階段：盾構機遠離監測斷面一定距離后，最大沉降變小，但最大沉降點仍然出現在6號點附近。

圖4中帶箭頭的折線是按照時間順序，監測斷面每日累積最大沉降點變化曲線。從圖4可以看出，隨著時間的推移，最大沉降點的水平位置一直從轉彎半徑外側向轉彎半徑內側發生偏移。監測時間第3日至第6日期間，最大沉降點沉降值一直持續增加，而到第7日、8日逐漸回落，趨于穩定狀態。分析上述變化的原因不難得知，由于盾構掘進過程中，盾構機盾尾刷出管片后，存在一定縫隙，形成開挖間隙，產生土體損失。為了減小施工過程中對土體的損失影響，在管片脫出盾尾時會進行回填注漿，防止土體損失造成地表沉降過大。在7日、8日回填注漿體強度上升后，沉降趨于停止，土體發生回彈變形直至趨于穩定。

監測斷面處于轉彎半徑150 m曲線段末尾，離直線段距離較短。掘進過程是從曲線段掘進到直線段，施工工況的改變使得最大沉降點左移。

如圖5所示，取此斷面6、斷面7、斷面8三個監測點進行地表單次/累積沉降分析。其中每一天的單次沉降可以表示斷面上該點的沉降速率。7號、8號點的沉降速率幾乎一致，先增大后減小直至7日，累積沉降一直增大。6號點的沉降速率則是先減小后增大直至7日，累積沉降先慢后快。7日后三個點的沉降規律基本一致，沉降速率為負，此時注漿后土體回彈，累積沉降變小直至趨于穩定。

圖5 DK2740斷面地表單次/累積沉降圖

由于在7日前6號點的沉降速率變化與7、9號兩點相反，導致總體上最大沉降點的水平位置左移。

2.2 直線段分析

對DK2710斷面進行監測分析，監測時間從3月18號開始為第1日，如圖6所示。

圖6 DK2710斷面地表沉降監測圖

觀察每一天斷面曲線可以發現：

第1日到6日之間斷面沉降發生平緩，中心斷面區域每天以2 mm的速度沉降，最大沉降點出現在7號附近。

8日之后，最大沉降點出現在7號點，為14 mm，即隧道正上方，此時沉降累計曲線，符合典型的沉降槽形狀。

如圖7所示，取此斷面6、斷面7、斷面8三個點進行地表單次/累積沉降分析。三個監測點的沉降速率、累積沉降曲線變化規律基本一致。沉降速率都是先緩慢增加后趨于平穩，到7日緩慢下降沉降速率趨于零。累積沉降近似線性增加，6日后7號點累積沉降明顯大于其余兩點。

圖7 DK2710斷面單次/累計沉降圖

總體上，DK2710斷面處于隧道直線段。地表沉降的發展規律滿足基本沉降槽模型。現階段預測地表沉降常用的方法有：理論分析法[11]、有限元法[12-13]、模型試驗法[14]、Peck公式經驗法[15-16]等。其中Peck公式適用性較為廣泛，本文利用經驗法對已有監測點進行Peck公式曲線擬合，取8號沉降穩定后斷面點數據，并對1號—4號點關于7號數據點進行假象對稱補齊。擬合得到的曲線見圖8。

圖8 DK2710斷面Peck公式擬合曲線

其擬合公式為：

(1)

對比標準Peck公式：

(2)

式中：S為地表豎直方向上的沉降值，mm；Smax為地表沉降的最大值，位于曲線中軸線上，mm；x為沉降曲線到計算點的距離，m；i為沉降槽寬度，m。

可以得出最大沉降值為15.028 mm，沉降槽寬度為11.756 m。由圖可得，利用Peck公式進行高斯曲線擬合后，擬合曲線沉降中心點偏移7號點0.083 m，可認為7號點為實際最大沉降點，地表最大沉降實際沉降較擬合值偏大，總體符合實際規律。

2.3 探討

本文基于曲線-直線段地表沉降監測數據進行研究分析，初步發現了其中存在的小半徑地表沉降特征，為了在此基礎上進一步探討分析曲線效應，特引文獻[6]的有關研究實驗數據及結論。

潘泓等[6]為研究小曲率半徑轉彎隧道盾構施工擾動問題，在轉彎半徑僅為118 m的盾構隧道工程試驗段進行監測分析。在隧道轉彎斷面兩側埋入測斜管以監測施工掘進中，土體的水平位移情況。內側測斜管CX1距盾構隧道軸線水平距離2.55 m，外側測斜管CX2距盾構隧道軸線水平距離2.85 m。離監測斷面不同掘進距離下，監測斷面土體水平位移如圖9所示。其中橫坐標正值表示向隧道方向變形，負值表示背向隧道變形。

圖9 監測斷面土體水平位移圖

綜合其水平土體移動規律以及本文地表沉降變形特征，可得出幾點認識：

(1) 結合掘進距離和本文2個斷面的監測規律看出，最大沉降點并不是出現在隧道的洞頂正上方7號點位置，而是向轉彎半徑內側方向偏移。DK2740段隨著掘進距離增加，最大沉降點水平位置向6點號處移動，之后盾構機進入直線段DK2710，最大沉降點出現在隧道正上方7號點。由此分析，由于隧道進行掘進轉向時，開挖時的頂推力不同，導致盾構機對外側土體的推力大于內側土體，此時外側土體呈現被動土壓力，內側土體呈現主動土壓力。隨著開完掘進不斷深入，內側主動土壓力大，土體損失變大，地表土體沉降也隨之增大。

(2) 結合引用文獻土體水平位移規律分析，在隧道開完斷面附近的土體水平位移規律表現為：轉彎方向內側的土體向隧道方向變形，轉彎方向外側土體背向隧道變形。由于在盾構機掘進轉向過程中，頂推力的不同導致了內外側土體的抗力不同，外側土體受盾構機的垂直于掘進方向的擠推力背向隧道方向移動，此時內側呈現主動土壓力向隧道位移。其中內側也出現背向隧道位移的曲線，是由于在轉彎段開挖掘進過程中，內側土體超挖導致土體缺失，開挖斷面上方土體向下沉降導致開挖斷面水平方向土體背向隧道位移。

(3) 結合本文曲線段地面土體沉降變形特征及引用文獻土體水平位移規律可得出，在地表附近的土體水平位移規律表現為：轉彎方向內側的土體向背向隧道方向變形，轉彎方向外側土體向隧道變形，呈現出最大沉降點的位置向轉彎半徑內側偏移的規律，這與本文的試驗段得出的曲線效應規律相符。并且隨著開挖距離的不斷增加，土體水平位移也不斷增大，與圖4中隨著掘進時間增大，最大沉降點的水平位置一直左移的規律也相符。

3 結 論

通過對連續小曲率半徑曲線段和直線段盾構掘進過程地表擾動沉降現場監測分析，可得出結論：

(1) 本文地面沉降變形特征實質上是由于盾構機掘進時，轉彎半徑內側的土體超挖引起的。最終在地面沉降變形特征表現為地面土體最大沉降點水平位置并不出現在隧道拱頂位置，而是向著轉彎方向的內側偏移。

(2) 由于隧道側穿高架橋樁基，在盾構掘進施工中未控制好出土量，可能出現較大的超挖現象，使得正面巖土失穩、坍塌。為了保證在臨近樁基時，盾構機轉彎的安全性，必須在土壓平衡狀態下進行盾構掘進，嚴格控制出土量，及時、充足地跟進同步注漿與二次注漿。

(3) 由于小曲線半徑轉彎隧道的曲線效應，最大沉降點出現在轉彎半徑內側，且沉降槽曲線也向內側偏移。這種土體擾動規律對已有周邊鄰近樁基安全和穩定有較大影響。在盾構施工過程中可根據設計要求提前采取旋噴樁隔離加固及預埋袖閥管跟蹤注漿處理。