結構性軟土地層中后掘進隧道引起地表沉降計算分析與研究

高坤，柯宅邦，童智能，谷鈺，王飛，陶俊，陳小川

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 2300031；3.江西科技師范大學建筑工程學院，江西 南昌 330013）

1 引言

盾構法隧道是當前隧道行業較為先進的地鐵隧道施工方法，已廣泛應用于城市地鐵隧道修建。盡管盾構施工對環境影響較小，但仍不可避免施工過程會擾動鄰近土體，從而影響到鄰近構筑物的安全使用。本課題組已提出了一種可以考慮先掘隧道影響的結構性地層后掘進隧道沉降預測方法。本文基于某城市地鐵工程項目地鐵站區間的雙線地鐵隧道工況，采用實測與擬合對比分析的方法，驗證了上述預測方法的可行性，且基本可以反映盾構后掘進隧道在結構性地層中的地表沉降規律，可為城市地鐵隧道工程建設提供一定的借鑒作用。

2 工程概況

某城市地鐵工程項目地鐵站區間為雙線地鐵隧道，采用土壓平衡盾構法施工，區間總長約為702.6 m，盾構直徑6.34 m，隧道外徑為6.2 m，采用高強度鋼筋混凝土管片錯縫拼裝，管片長度為1.2 m，厚度為0.35 m，管片間采用高強度螺栓連接。隧道軸線埋深為13.13 m～18.4 m，主要穿越②2-2灰色淤泥質黏土～③2灰色粉質黏土夾粉砂層。兩線隧道軸線間距為12m～13 m。區間剖面如圖1所示。各層地基土物理力學參數見表1。在圖1中，鉆孔揭示，場地范圍內分布地基土為強度低、滲透性差、液性指數大、壓縮性大、孔隙比大、靈敏度較高的濱海沉積軟土，也是沿海城市地區典型的地層分布。

地基土物理力學參數表 表1

圖1 隧道區間地質剖面圖

3 實測結果分析

為獲得地基土的不排水抗剪強度及靈敏度參數，在盾構施工范圍內進行一系列十字板剪切試驗。典型的十字板剪切試驗結果如圖2所示。在圖2中，C為不排水抗剪強度峰值，C′為殘余強度值，兩者之比定義為靈敏度參數S。由圖2可見，地基土不排數抗剪峰值強度C在17 kPa～38 kPa之間，土體強度低，地基土靈敏度參數S在4.5～6.5范圍內，為靈敏性土。場地基本為高靈敏土。在前后盾構掘進鄰近土體經受雙重擾動施工，土體強度將下降，地表沉降加劇。

圖2 典型地層十字板剪切試驗

梁榮柱等指出在盾構通過后7 d可以認為地表不排水沉降與固結沉降的界限。后掘進隧道通過后7 d地表沉降變形規律如圖3所示。由圖3可見，后掘進隧道引起的地表位移沉降多為不對稱，存在“兩沉降槽”。這與杭州粉土地層盾構隧道、臺北卵石地層隧道、曼谷硬粘土盾構隧道、西安黃土地層盾構隧道和武漢第三系黏土地層盾構隧道地表沉降模式截然不同。這種現象的根本原因為兩隧道中間土體經受兩次強烈擾動，結構性軟土地層強度下降，地表位移急劇發展，導致先掘隧道一側地表位移發展大于后掘隧道上沉降量。沉降槽寬度系數k的取值對地表沉降影響范圍有重要影響。在已經擾動的地層中引起的地表沉降槽，其寬度較正常掘進的窄，在本工程中假定后掘進隧道中沉降槽系數 k=0.3，沉降槽寬度 i=k×z。并假定虛擬隧道引起的沉降槽寬度為后掘進的一半，即 k=k/2。

圖3 實測與擬合結果

4 數值擬合對比分析

根據課題組前期推導出的后掘進隧道引起的地表沉降計算公式（1）對五個斷面實測結果進行擬合。擬合結果如圖3所示。相關參數如表2所示。

擬合結果 表2

式中：S為地表位移，S原始地層中盾構引起的地表位移，S受擾動結構性地層中額外的地表沉降，V與V分別為正常掘進與虛擬隧道掘進引起的土體損失率，i與i分別為正常掘進與虛擬掘進隧道地表沉降槽寬度，B為兩隧道的間距，z為隧道埋深。

由圖3可見，本文提出的考慮先行隧道擾動的地表沉降方法，基本可以反映在結構性地層中后掘進隧道地表“雙沉降槽”沉降特點。實測及擬合結果顯示，先行隧道施工對后掘進隧道的地表沉降曲線有顯著的影響：

①地表沉降曲線出現兩個沉降槽，且兩峰值點分別位于先后掘進隧道軸線的正上方；

②除了斷面（4）外，其余斷面先行隧道上方的最大沉降值超過后掘進隧道。表2擬合結果顯示，除了斷面（4）外，正常掘進與虛擬隧道土體損失率基本相等，沉降槽寬度前者為后者的兩倍。

對比擬合結果與實測值，盡管本文方法得到的計算沉降槽寬度略小于實測值，但是總體上，本文方法基本可以反映盾構后掘進隧道在結構性地層中的地表沉降規律，可為地鐵隧道建設提供一定的借鑒作用。

5 結論

本文基于某城市地鐵工程項目地鐵站區間的雙線地鐵隧道工況，采用實測與擬合對比分析的方法，驗證了課題組提出的考慮先掘進隧道擾動影響的結構性軟土地層中的后掘進隧道地表沉降預測方法，并且發現本文方法與實測吻合較好，可以反映了后掘進隧道引起“雙沉降槽”的沉降特點，對類似工程具有一定的借鑒意義。