淺覆土盾構隧道施工引起地表沉降規律研究

高洪吉， 謝文達， 孫正陽， 孫 偉， 楊志勇

(1.中鐵十四局集團有限公司， 濟南 250014； 2.中國礦業大學(北 京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

盾構法由于其安全、快速、環保等優點，在城市軌道交通建設過程中得到廣泛的應用。隧道開挖不可避免地會引起地表沉降，尤其是隧道上覆土層較淺時，隧道施工對地層的擾動更為明顯，使得沉降難以控制。地表沉降與覆土厚度之間的關系已成為盾構法施工的重要課題之一。

對于淺覆土盾構施工引起的地表沉降規律，學者們做了大量研究，并提出了一些施工控制措施[1-3]。劉金慧等[4]通過理論計算與現場結合，應用統計學方法，分析了土壓平衡盾構隧道施工引起的地層損失影響規律。李乾等[5]在北京地鐵亦莊線盾構隧道工程中，通過施工監測結合數值模擬的方法，研究了小間距淺覆土條件下隧道結構的受力特征和地表變形規律。孫立建[6]在某電纜隧道工程中，通過優化刀盤布局、優化掘進參數等方法，結合現場試驗，有效控制了淺覆土無水砂卵石地層中盾構掘進的地面變形。韓磊等[7]采用基于地層損失率的位移控制有限元法，分析了淺覆土大直徑盾構隧道開挖對河堤的影響。郭彩霞等[8]通過顆粒流數值模擬分析，得到了水下盾構隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度臨界值的判定依據和條件。

相對黏性土地層，砂卵石地層具有顆粒間空隙大，沒有黏聚力，在無水狀態下顆粒之間點對點傳力等特點[9]，若施工控制不當，很容易破壞地層的穩定狀態而發生突然的坍塌。目前對淺覆土盾構施工的研究主要集中在黏性土地層下的盾構施工方法、沉降機理、地表沉降規律等方面且以6 m左右直徑的盾構為主。現以北京地鐵新機場線9 m直徑盾構工程為背景，對大直徑盾構在砂卵石地層施工過程中不同覆土厚度情況下地表沉降規律進行總結，研究結論可供類似工程借鑒和參考。

1 工程背景

北京新機場線2號風井～3號風井區間全長3 847 m，覆土厚度9.3～15.3 m，采用開挖直徑9.15 m的土壓平衡式盾構機施工。隧道管片用C50混凝土，外徑8.8 m，內徑7.9 m，厚度450 mm，環寬1.6 m。盾構從2號風井始發，在3號風井接收，先施工右線再施工左線。隧道自始發端開始覆土厚度不斷增加，選取4個覆土厚度(10、12、13、15 m)的地表沉降監測斷面，對右線盾構施工造成的地表沉降進行分析。

工程隧道穿越地層從上到下依次為粉質黏土④、粉細砂④3、粉土④2、卵石圓礫⑤、卵石圓礫⑦，如圖1所示，各土層主要物理力學指標如表1所示。本區間主要地下水類型為層間水，水位覆土厚度22.88 m左右，隧道上方地層屬于無水層。

圖1 隧道地質情況Fig.1 Geological condition of tunnel

表1 土層主要物理力學指標Table 1 Parameters of soil

2 淺覆土定義

《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)[10]中關于盾構法隧道覆土厚度的規定為：盾構法施工的區間隧道覆土厚度一般不小于1.0D，D為盾構開挖直徑。

《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2016)[11]中，根據隧道覆土厚度不同，將隧道分為深埋隧道和淺埋隧道，判定原則是隧道拱頂以上覆蓋層厚度能否形成“自然拱”。隧道覆蓋厚度滿足式(1)要求時應按淺埋隧道設計。

H<2.5ha

(1)

ha=0.45×2s-1?

(2)

?=1+j(B-5)

(3)

式中：H為隧道拱頂以上覆蓋層厚度，m；ha為深埋隧道垂直荷載計算高度，m；s為圍巖級別；?為寬度影響系數；B為坑道寬度，m；j為B每增減1 m時的圍巖壓力增減率，當B<5 m時，取j=0.2，B>5 m時，取j=0.1。

根據《鐵路隧道設計規范》，本工程中深埋、淺埋隧道分界深度為12.7 m。第1(10 m)、第2(12 m)監測斷面為淺埋，地層不能形成“自然拱”；第3(13 m)、第4(15 m)監測斷面為深埋，地層可以形成“自然拱”。

3 實測數據分析

3.1 施工參數控制

區間右線施工過程中，上土壓力按靜止土壓力控制，同步注漿注入率控制值為160%(漿液注入率=實際注漿量/理論注漿量，理論注漿量每環7.89 m3)，漿液結石率實測為92%。盾構通過各監測斷面時的參數控制情況如表2所示。

表2 各斷面掘進參數Table 2 Parameters of the every section

3.2 覆土厚度10 m斷面沉降分析

第1監測斷面(覆土厚度10 m)位于右線25環處。隧道覆土主要為粉土、粉質黏土、黏土。測點布設及斷面前后地質剖面情況如圖2所示對右線盾構通過斷面后的地表沉降進行分析。右線隧道正上方測點DB15-8在盾構掘進過程中的時間歷程曲線如圖3(a)所示(橫坐標第0天表示刀盤到達測點下方，下同)。盾構刀盤到達測點下方時，DB15-8測點沉降約-3.10 mm；刀盤通過后，經過約5 d測點沉降穩定。由圖3(b)可知，右線盾構通過后，監測斷面上方地表最大沉降為-31.88 mm。

圖2 第1監測斷面測點布設及地質情況Fig.2 Monitoring points and geological condition of the 1st section

圖3 第1斷面測點沉降Fig.3 Deformation of the 1st section

3.3 覆土厚度12 m斷面沉降分析

第2監測斷面(覆土厚度12 m)位于右線720環，隧道覆土主要為雜填土、黏土、粉土、粉細砂、粉質黏土。測點布設及斷面前后地質剖面圖如圖4所示。

圖4 第2監測斷面測點布設及地質情況Fig.4 Monitoring points and geological condition of the 2nd section

對右線盾構通過斷面后的地表沉降進行分析。右線隧道正上方測點DB57-8在盾構掘進過程中的時間歷程曲線如圖5(a)所示。盾構刀盤到達測點下方時，DB57-8沉降為-3.22 mm；刀盤通過約4 d后測點沉降穩定。由圖5(b)可知，右線盾構通過后，監測斷面上方地表沉降最大值為-23.35 mm。

圖5 第2斷面測點沉降Fig.5 Deformation of the2nd section

3.4 覆土厚度13 m斷面地表沉降分析

第3監測斷面(覆土厚度13 m)位于右線2 070環，隧道覆土主要為雜填土、黏土、粉土、粉質黏土。測點布設及斷面前后地質剖面如圖6所示。

圖6 第3監測斷面測點布設及地質情況Fig.6 Monitoring points and geological condition of the 3rd section

對右線盾構通過斷面后的地表沉降進行分析。將右線隧道正上方測點DB133-8在盾構掘進過程中的沉降變化繪制曲線，如圖7(a)所示。右線盾構刀盤到達監測斷面時測點DB133-8沉降為-0.32 mm；刀盤通過越2 d后測點沉降穩定。由圖7(b)可知，盾構通過后，右線上方的地表沉降為-15.54 mm。

圖7 第3斷面測點沉降Fig.7 Deformation of the 3rd section

3.5 覆土厚度15 m斷面地表沉降分析

第4監測斷面(覆土厚度15 m)位于右線1 080環，隧道覆土主要為素填土、黏土、粉細砂、粉土。測點布設及斷面前后地質剖面圖如圖8所示。

圖8 第4監測斷面測點布設及地質情況Fig.8 Monitoring points and geological condition of the 4th section

對右線盾構通過斷面后的地表沉降進行分析。取右線隧道正上方測點DB77-8，將盾構掘進過程中的沉降變化繪制曲線，如圖9(a)所示。右線盾構刀盤到達測點下方時測點DB77-8沉降為-2.87 mm；刀盤通過約2 d后測點沉降穩定。由圖9(b)可知，盾構通過后，監測斷面右線上方地表最大沉降為-9.97 mm。

圖9 第4斷面測點沉降Fig.9 Deformation of the 4th section

3.6 不同斷面對比分析

影響地表沉降的主要盾構施工參數為土倉壓力、同步注漿量[12]。根據各斷面施工過程中參數記錄可知，施工過程中實際土壓力與靜止土壓力之差分別為-0.04～0.16 bar、-0.06～0.14 bar、-0.06～0.14 bar、-0.06～0.14 bar(1 bar=0.1 MPa)，無明顯差異。同步注漿量與漿液結實率也相同，分別為160%、92%。對比各斷面右線隧道上方地表沉降(表3)，在施工參數基本相同的情況下，隨著覆土厚度增加，隧道軸線上方最大沉降逐漸減小；實測數據顯示隧道施工影響范圍約為隧道軸線兩側15 m，地層損失率隨覆土厚度增大而減小。從測點穩定時間看，深埋隧道測點沉降穩定時間較短，約為2 d，淺埋隧道時間較長，約為4 d。

表3 實測沉降槽參數Table 3 Parameters of settlement trough (monitoring value)

覆土厚度與最大沉降的關系如圖10所示。由圖10可知，最大沉降和地層損失率隨覆土厚度的增大而減小，且成拱覆土厚度(12.7 m)附近存在變化速率的改變。覆土厚度小于12.7 m時，隨著覆土厚度增加，地表最大沉降量的減小速率相對較大；覆土厚度大于12.7 m后，隨著覆土厚度增加，地表最大沉降的減小速率明顯減小。

圖10 覆土厚度與最大沉降和地層損失率關系曲線Fig.10 Relation between the buried depth of tunnel and the maximum settlement and formation loss rate

*注：此處地層損失率=沉降槽面積/盾構開挖面積，盾構開挖面積為65.76 m2。

4 基于Peck公式的沉降槽分析

4.1 Peck公式

Peck[13]認為，盾構推進時引起的地層損失導致地表產生沉降。假設施工過程中地層不發生排水，則地表沉降槽的體積應等于損失土體的體積，地層損失體積可以根據沉降槽體積反算[14]。大量工程實測數據表明，隧道地表橫向沉降曲線接近于正態分布曲線，Peck對地表橫向沉降曲線進行擬合得到Peck經驗公式。

(4)

(5)

式中：Sx為到隧道中線距離x處的地面沉降量，m；Smax為隧道中線的地面沉降量，m；x為距離隧道中線的距離，m；Vs為開挖單位長度隧道引起的地層損失量，m2；i為沉降槽的寬度系數，為隧道中線到沉降槽曲線反彎點之間的距離，m。

4.2 沉降槽分析

基于Peck公式，取右線盾構通過監測斷面后的監測數據進行擬合(圖11)。

圖11 各監測斷面沉降槽Fig.11 Settlement trough of monitoring section(Gaussian fitting)

地層損失率是地層損失與設計開挖面積的比值[15]。采用MATLAB對擬合得到的4個監測斷面沉降槽進行分析，計算地層損失率、沉降槽寬度系數，結果如表4所示。

表4 沉降槽參數計算結果Table 4 Parameters of settlement trough

由表4可知，不同監測斷面的沉降槽寬度系數范圍為5.9～7.0 m，與隧道覆土厚度相關性不明顯；相同盾構施工參數下，通過地表沉降槽反算的地層損失率隨著覆土厚度增加呈現減小趨勢，擬合的結果與實測結果相同。

分析4個監測斷面地層條件，隧道開挖范圍地層均為上部粉質黏土、粉細砂，下部卵石圓礫；4個斷面上覆土層均為雜填土、粉土、粉質黏土。盾構經過4個監測斷面時參數控制基本相同，說明施工過程中由隧道開挖引起的地層損失量基本相同。從上文分析可知隨覆土厚度增大，地表最大沉降和地層損失率減小。發生這種現象的原因主要為盾構開挖所引起的地層損失量并未完全向上發展至地表，而是由于地層中的“成拱”效應造成沉降向地表發展的程度不同。

5 結論

以新機場線9 m直徑土壓平衡盾構施工引起的不同覆土厚度斷面(10～15 m)地表沉降監測數據為基礎，研究了覆土厚度對地表沉降的影響，得出以下結論。

(1)實測數據顯示，相同盾構施工參數下隧道上方測點最大沉降和地層損失率隨覆土厚度增大而減小，在成拱覆土厚度(12.7 m)存在變化速率改變。覆土厚度小于12.7 m時，隨著覆土厚度的增加，地表最大沉降的減小速率相對較大，覆土厚度大于12.7 m后，隨著覆土厚度的增加，地表最大沉降量的減小速率明顯減小。

(2)沉降發生的主要階段為盾尾脫出后，深埋隧道(覆土厚度超過12.7 m)和淺埋隧道(覆土厚度小于12.7 m)測點沉降穩定時間有顯著的差異。深埋隧道測點沉降穩定時間較短，約為2 d，淺埋隧道時間較長，約為4 d。

(3)實測數據顯示，盾構施工影響范圍約為1.5倍盾構直徑(15 m)，影響范圍與覆土厚度相關性不明顯，利用Peck公式對實測數據進行擬合也得出了相同的結論。

(4)在相同土壓力及同步注漿量的條件下，隨著隧道覆土厚度的增加，通過地表沉降槽反算的地層損失率表現出減小的趨勢。