雙孔隧道中后掘進(jìn)盾構(gòu)對(duì)地表沉降的影響

羅雄文, 張文廣，梁榮柱,3,4

(1. 湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 湖南 永州 425199; 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058; 4. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

地鐵軌道交通具有載客量大、準(zhǔn)時(shí)、環(huán)保、不影響地表交通等特點(diǎn)，可極大地緩解大城市的地表交通壓力，方便城市居民出行。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，我國(guó)現(xiàn)有30余個(gè)城市正在進(jìn)行地鐵建設(shè)，新增地鐵隧道里程將會(huì)達(dá)到3 000 km。盾構(gòu)掘進(jìn)工法是城市地鐵隧道主要施工方法之一。盾構(gòu)法具有機(jī)械化程度高、不影響城市交通、環(huán)境友好、施工速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，但盾構(gòu)掘進(jìn)仍然難以避免會(huì)引起土體擾動(dòng)，造成地層沉降，將會(huì)威脅臨近構(gòu)筑物的安全。在建筑物密集的城市中修筑地鐵隧道，由于地下空間限制，雙線隧道之間的凈距往往較小。后掘進(jìn)盾構(gòu)隧道將會(huì)再一次穿越已經(jīng)擾動(dòng)的地層，造成土體二次擾動(dòng)，將會(huì)引發(fā)地層變形進(jìn)一步發(fā)展，從而危害到臨近構(gòu)筑物安全。

國(guó)內(nèi)外研究人員分別從室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、有限元分析和理論計(jì)算等方面對(duì)雙線隧道掘進(jìn)施工地層沉降發(fā)展進(jìn)行了一系列有益的探索。Chapman等[1]進(jìn)行了雙線隧道施工室內(nèi)模型試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果，指出雙線隧道掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)存在一個(gè)擾動(dòng)交疊區(qū)。由于擾動(dòng)交疊區(qū)的存在，后掘進(jìn)隧道引起的地表沉降槽更深和更窄，引起最終地表沉降曲線偏向于后掘進(jìn)隧道。Chen等[2]對(duì)杭州地區(qū)雙線隧道掘進(jìn)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于后掘進(jìn)隧道對(duì)地層的二次擾動(dòng)導(dǎo)致最終地表沉降槽對(duì)稱(chēng)軸偏向于后掘進(jìn)隧道。Suwansawat等[3]基于曼谷地鐵實(shí)測(cè)資料，指出對(duì)于單條隧道引起的地表沉降可以通過(guò)高斯公式擬合，而對(duì)于雙線隧道，地表沉降槽往往不對(duì)稱(chēng)，可通過(guò)疊加的方式擬合地表的最終沉降。Sirivachiraporn等[4]對(duì)曼谷地鐵雙線隧道中不同隧道相對(duì)位置進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，指出平行隧道中后掘進(jìn)盾構(gòu)引起的地表沉降將會(huì)偏向后掘進(jìn)隧道軸線。劉永林[5]對(duì)武漢地鐵虎-名區(qū)間雙線隧道開(kāi)挖引起地表沉降進(jìn)行了大量監(jiān)測(cè)，指出雜填土厚度越大，地表沉降越大。

Addenbrooke等[6]和Do等[7]通過(guò)有限元模擬研究了雙線隧道先后開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響，有限元結(jié)果顯示最終引起地表沉降曲線不對(duì)稱(chēng)分布。Do等[7]指出后掘進(jìn)隧道引起的沉降槽更淺和更寬，與Chapman等[1]試驗(yàn)結(jié)果不一致。白云等[8]結(jié)合上海軌道交通7號(hào)線工程，分析了后掘進(jìn)盾構(gòu)超越先掘盾構(gòu)過(guò)程中地表沉降的變化過(guò)程，指出由于土體遭受二次擾動(dòng)，在后掘進(jìn)盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，地表沉降槽向后掘隧道側(cè)偏移。劉維等[9]對(duì)富水地層重疊隧道施工引起土體變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。桂志敬等[10]通過(guò)數(shù)值模擬分析，研究了上下交疊式暗挖和盾構(gòu)隧道施工不同施工次序引起地表變形規(guī)律。在理論預(yù)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者分別基于隨機(jī)介質(zhì)理論[11-14]、高斯公式疊加法[15-16]和復(fù)變函數(shù)理論[17]，并考慮先行盾構(gòu)的擾動(dòng)影響，提出了雙線隧道地表沉降的預(yù)測(cè)方法。

由此可見(jiàn)，從地表橫向沉降曲線分析入手，研究雙線隧道掘進(jìn)引起地表的沉降規(guī)律，進(jìn)而分析地層的擾動(dòng)，是時(shí)下地鐵雙線隧道施工地表沉降研究中的熱點(diǎn)，但地表橫向沉降曲線并未能反映前、后掘進(jìn)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降發(fā)展過(guò)程及規(guī)律。

為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，本研究結(jié)合杭州地鐵某區(qū)間雙線隧道地表沉降的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用地表沉降發(fā)展歷程和地表橫向沉降曲線相結(jié)合的方法分析雙線盾構(gòu)隧道引起地表沉降的發(fā)展規(guī)律，特別是后掘進(jìn)盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響，為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 杭州地鐵某區(qū)間隧道工程概況與地質(zhì)條件

杭州地鐵某區(qū)間全長(zhǎng)約為2 739 m，地鐵線路由兩條平行的圓形盾構(gòu)隧道組成，分別為左線和右線隧道。左線與右線隧道的軸線間距離為12 m，隧道結(jié)構(gòu)間凈距僅為6.8 m。該工程引入兩臺(tái)外徑 6.34 m 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。2017年8月3日左線盾構(gòu)先行掘進(jìn)，而后掘進(jìn)的右線盾構(gòu)機(jī)在2017年10月17日始發(fā)。盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，每一環(huán)管片寬度為1.2 m，厚度為35 cm。每個(gè)管環(huán)由3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊+2個(gè)相鄰塊+1個(gè)封頂塊拼接而成，各個(gè)環(huán)間通過(guò)錯(cuò)縫的形式進(jìn)行拼裝，管片通過(guò)高強(qiáng)度彎曲螺栓拼接而成。

本項(xiàng)目主要地貌特征是河口相沖海積平原地貌，典型的地質(zhì)剖面如圖1所示，各土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 場(chǎng)地地質(zhì)剖面和監(jiān)測(cè)斷面布置Fig.1 Layout of field geological profiles and monitoring points

表1 地層土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum soil

盾構(gòu)隧道軸線埋深在地表下19.0～21.9 m處，盾構(gòu)隧道主要穿越③6層粉砂層。地下水位標(biāo)高為6.51～5.41 m(地表下1.5 m左右)，其水位變化亦受到附近河流的影響。盾構(gòu)隧道所在③6粉砂地層，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N在14～25擊之間，可知該粉砂地層處于稍密～中密之間，滲透性大。盾構(gòu)隧道下臥地層為可塑的⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土地層，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N在5～7擊之間，其滲透性低于上部粉砂層。

圖2 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:m)Fig.2 Layout of ground surface settlement monitoring points(unit:m)

2 地表沉降監(jiān)測(cè)布置和監(jiān)測(cè)方案

為監(jiān)測(cè)雙線盾構(gòu)前后掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降發(fā)展歷程，依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)制定監(jiān)測(cè)方案。圖2是SS275-SS315監(jiān)測(cè)斷面布置圖，SS285-SS315監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面間距為6 m，SS275與SS285監(jiān)測(cè)斷面間距為12 m。每一監(jiān)測(cè)斷面布置13個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在盾構(gòu)切口距離監(jiān)測(cè)斷面3倍盾構(gòu)直徑時(shí)，開(kāi)始對(duì)該斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每天2次，并一直監(jiān)測(cè)到后掘進(jìn)盾構(gòu)通過(guò)后約20 d。

3 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地表橫向沉降分析

圖3給出了典型斷面在雙線盾構(gòu)前后通過(guò)后地表橫向沉降曲線。前人指出在盾構(gòu)通過(guò)后8.5～9 d，盾構(gòu)掘進(jìn)引起地表瞬時(shí)沉降基本完成[18]。在此取左線盾構(gòu)通過(guò)后8.5 d地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為左線盾構(gòu)通過(guò)后的沉降量。為了獲得僅由右線盾構(gòu)引起的地表沉降曲線，把右線盾構(gòu)通過(guò)后8.5 d的地表累計(jì)沉降減去其到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前2 d的地表累計(jì)沉降值，大致認(rèn)為是僅由右線盾構(gòu)擾動(dòng)引起的地表沉降。

圖3 地表橫向沉降Fig.3 Ground surface transverse settlements

采用Peck建議的高斯公式對(duì)地表沉降進(jìn)行擬合分析[19]。由圖3可見(jiàn)，隧道施工引起的各斷面地表沉降和總地表沉降基本可以通過(guò)高斯公式擬合。

從擬合曲線結(jié)果分析，先行掘進(jìn)的左線盾構(gòu)隧道引起的最大地表沉降在5.6～10 mm之間，土體損失率vl在0.2%～0.5%之間。而后掘進(jìn)的右線隧道引起的土體損失率vl均在0.6%～0.8%之間總體大于先行掘進(jìn)的左線隧道，且地表最大沉降值在15.2～20.7 mm之間，亦明顯大于左線隧道。此外，發(fā)現(xiàn)雙線隧道通過(guò)后引起地表總沉降曲線最大沉降點(diǎn)，并不在雙線隧道軸線連線的中點(diǎn)位置處，而是偏向于后掘進(jìn)的右線隧道軸線。這是先行盾構(gòu)施工對(duì)地層產(chǎn)生了擾動(dòng)，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度和密實(shí)度有明顯的下降，隨著盾構(gòu)的遠(yuǎn)離并未能完全恢復(fù)。在后掘進(jìn)盾構(gòu)施工的再次擾動(dòng)下，地層變形較為敏感，地表迅速發(fā)展，地表沉降值增大，最終地表沉降槽曲線并不嚴(yán)格關(guān)于雙線隧道軸線中點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布，而是略微偏向后掘進(jìn)隧道軸線。前人通過(guò)雙線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析和有限元模擬亦發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象[1-8]。

3.2 地表沉降發(fā)展歷程分析

圖4 給出了典型斷面各測(cè)點(diǎn)沉降隨時(shí)間的變化曲線。為下文表述方便，左線和右線各個(gè)斷面軸線測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為該斷面的L和R測(cè)點(diǎn)(如斷面SS275的左線軸線測(cè)點(diǎn)L和R測(cè)點(diǎn)分別為SSL275和SSR275，以此類(lèi)推)；以斷面測(cè)點(diǎn)橫杠后數(shù)字定義為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)號(hào)(如斷面SS275的5號(hào)測(cè)點(diǎn)為SS275-5測(cè)點(diǎn)，以此類(lèi)推)。

由圖4可見(jiàn)，先行的左線盾構(gòu)機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，左線隧道軸線處L測(cè)點(diǎn)和兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)，5號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降迅速發(fā)展，而遠(yuǎn)離左線隧道軸線的其他測(cè)點(diǎn)沉降量較小或部分測(cè)點(diǎn)略有隆起。在左線盾構(gòu)通過(guò)33.5 d后，左線L測(cè)點(diǎn)地表最大沉降基本達(dá)到最大值。而在軸線附近6 m以外的7號(hào)測(cè)點(diǎn)、R測(cè)點(diǎn)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降發(fā)展基本穩(wěn)定。可見(jiàn)，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的主要擾動(dòng)區(qū)域是軸線附近6 m范圍內(nèi)，約為一倍的盾構(gòu)直徑，隨著時(shí)間推移地表沉降持續(xù)發(fā)展。

右線盾構(gòu)隧道在左線盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后34 d左右到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面。由圖4發(fā)現(xiàn)，在右線盾構(gòu)到達(dá)前2 d，切口距離斷面約3倍盾構(gòu)直徑(約18 m)時(shí)，各個(gè)斷面右線隧道軸線附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)(R測(cè)點(diǎn)和7號(hào)測(cè)點(diǎn))沉降開(kāi)始進(jìn)一步發(fā)展，部分測(cè)點(diǎn)已經(jīng)產(chǎn)生可觀的沉降量，如測(cè)點(diǎn)SSR275和SS290-7新增的沉降量分別為7.3 mm和10 mm。前人結(jié)合杭州地鐵隧道施工指出[18,20]，正常情況下切口距離監(jiān)測(cè)斷面約1～2倍盾構(gòu)直徑時(shí)地表開(kāi)始發(fā)生沉降。而在本工程中，切口距離監(jiān)測(cè)斷面3倍盾構(gòu)直徑就引起了可觀的地表沉降量。究其原因，可能是由于先行盾構(gòu)通過(guò)率先擾動(dòng)地層，導(dǎo)致地層對(duì)后掘進(jìn)盾構(gòu)施工異常敏感，最終表現(xiàn)在切口到達(dá)前地表沉降的快速發(fā)展。

圖4 典型斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨時(shí)間發(fā)展Fig.4 Settlements of typical cross-section monitoring points varying with time

在盾構(gòu)切口通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，右線附近R測(cè)點(diǎn)、7號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降量迅速增加，并隨著盾構(gòu)切口的遠(yuǎn)離，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨著時(shí)間增加緩慢增長(zhǎng)。相比于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)斷面的6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在右線盾構(gòu)通過(guò)后，其沉降變形持續(xù)發(fā)展。在右線盾構(gòu)通過(guò)30 d后，各個(gè)斷面的6號(hào)測(cè)點(diǎn)最大沉降量達(dá)到了22 mm(SS275-6)，17.5 mm (SS285-6)，18.8 mm (SS290-6)和31 mm(SS310-6)。其主要原因是，6號(hào)測(cè)點(diǎn)恰好處于雙線盾構(gòu)掘進(jìn)影響的重疊區(qū)，前后受到兩次盾構(gòu)掘進(jìn)施工的擾動(dòng)影響，導(dǎo)致該測(cè)點(diǎn)的沉降難以穩(wěn)定并隨著時(shí)間持續(xù)發(fā)展。可見(jiàn)位于雙線隧道中間的構(gòu)筑物經(jīng)歷前后盾構(gòu)施工影響，其結(jié)構(gòu)安全將會(huì)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際施工中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

圖5給出了地表監(jiān)測(cè)斷面SS275，SS285和SS310左線和右線盾構(gòu)隧道軸線上測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化規(guī)律。值得注意的是，右線隧道軸線的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到左線盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動(dòng)而發(fā)生了前期的沉降。從上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降發(fā)展歷程發(fā)現(xiàn)，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在后掘進(jìn)盾構(gòu)到達(dá)前約2 d時(shí)(3倍盾構(gòu)直徑)開(kāi)始受到后掘進(jìn)盾構(gòu)的施工擾動(dòng)影響。因此，把右線盾構(gòu)通過(guò)前2 d的沉降值進(jìn)行歸零處理，認(rèn)為從后掘進(jìn)盾構(gòu)到達(dá)前2 d開(kāi)始地表軸線沉降主要是由于后掘進(jìn)盾構(gòu)所引起。

圖5 盾構(gòu)通過(guò)后軸線位置沉降發(fā)展歷程Fig.5 Development courses of settlement above tunnel axis after shield tunneling passing through

由圖5可見(jiàn)，各個(gè)斷面的右線隧道軸線地表沉降值大于左線隧道。以斷面SS275為例，在盾構(gòu)脫離監(jiān)測(cè)斷面后，其右線R測(cè)點(diǎn)的沉降發(fā)展速度明顯大于左線L測(cè)點(diǎn)。在盾構(gòu)通過(guò)測(cè)點(diǎn)8 d后，測(cè)點(diǎn)L與R的沉降值分別為6.2 mm和13.4 mm，后者幾乎為前者的兩倍。這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)R先后受到兩次盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)，引起土體強(qiáng)度減弱，土體密實(shí)度下降，因而在后掘進(jìn)盾構(gòu)施工影響下，地表沉降大于先行掘進(jìn)引起的沉降值。從測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期沉降來(lái)看，R與L測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)通過(guò)后20余天逐漸平穩(wěn)。可能是盾構(gòu)掘進(jìn)地層為滲透性較大的砂質(zhì)地層，受到施工擾動(dòng)后土體內(nèi)的孔隙水逐步消散，其土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，因此，長(zhǎng)期沉降變化不大。從圖中發(fā)現(xiàn)，其他斷面軸線測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律基本一致。可見(jiàn)，后掘進(jìn)盾構(gòu)在已擾動(dòng)的地層中掘進(jìn)施工將會(huì)導(dǎo)致更大的地表沉降。

4 結(jié)論

以杭州地鐵某區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道工程為依托，根據(jù)雙線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起地表沉降發(fā)展的時(shí)程曲線和地表橫向變形曲線，主要得到以下結(jié)論：

(1)左線盾構(gòu)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，地表沉降迅速發(fā)展，主要沉降影響范圍在隧道軸線附近6 m范圍。

(2)后掘進(jìn)盾構(gòu)隧道到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前2 d(約3倍盾構(gòu)直徑距離)，地表軸線位置開(kāi)始發(fā)生明顯沉降，后掘進(jìn)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降大于先行隧道。

(3)后掘進(jìn)隧道引起的土體損失率和地表沉降槽大于先行盾構(gòu)隧道，最終地表沉降曲線對(duì)稱(chēng)軸偏向后掘進(jìn)隧道軸線。