土壓平衡盾構隧道地表沉降特性分析

摘要：以某土壓平衡盾構隧道施工為研究對象，對盾構隧道施工過程中地表沉降進行監測，獲得了施工過程中地表沉降規律。研究表明，施工過程中，盾構隧道施工對前方3D～5D范圍內土體有擾動影響;盾構機刀盤處于觀測點正下方，開始發生地表沉降;盾構機盾尾穿過觀測點3～5天內，地表沉降迅速增大，隨后逐漸趨于平緩。盾構施工主要引起占比為65%的地層損失沉降和占比為32%的固結沉降。本工程中，盾構機盾尾穿過觀測點后的地表沉降可用改進的雙曲線公式預測。地層損失率和沉降槽寬度隨著盾構機的施工持續變大，固結沉降的寬度也隨著土體的固結而持續變大。

關鍵詞：土壓平衡盾構;現場監測;地表沉降;Peck公式

0" "引言

隨著我國城市化進程的加速發展，大型基礎設施建設如火如荼，其中地鐵隧道被各大城市廣泛應用。土壓平衡盾構隧道施工因其特有的優勢，得到了空前發展。同時針對土壓平衡盾構隧道施工問題的研究越來越豐富。周佳媚等[1]以某盾構施工穿越泥炭質地層工程為研究對象，利用有限元軟件建立三維數值模型，分析了盾構隧道施工引起的地表沉降，進一步研究了盾構掘進對周邊建筑物的影響。蒙國往等[2]通過對某軟土地區盾構隧道工程進行現場監測，獲得了隧道施工過程中軟土地層沉降規律。基于此，評估了隧道施工過程的安全性。魏新江等[3]基于某采用盾構施工隧道工程，通過ABAQUS有限元軟件建立三維數值模型，分析了盾構施工引起的土體初始超孔隙水壓力分布規律。韓煊等[4]以某盾構隧道工程為研究對象，同時基于雙曲線模型和Peck沉降理論，對隧道盾構施工不均勻收斂引起地層位移進行預測。張宇亭等[5]通過數值模擬手段，對軟黏土地層隧道盾構施工全過程進行模擬，獲得了因盾構施工擾動引起的地層位移及工后沉降。本文以某土壓平衡盾構隧道施工為研究對象，對盾構隧道施工過程中地表沉降進行監測，獲得了施工過程中地表沉降規律。

1" "工程工況

萬頃沙站至新增盾構井區間位于興隆路至同安東圍路之間，線路呈南北走向布置，區間左線起終點里程為ZDK1+429.817～ZDK3+225.627，左線長1796.183m（長鏈0.373m），右線起終點里程為YDK1+429.817～YDK3+226.000，右線長1796.183m，區間從南向北依次下穿六涌、珠江街建筑物群、五涌、興隆路。采用2臺盾構機在萬頃沙站大里程端始發，在新增盾構井小里程端吊出。萬頃沙站至新增盾構井區間穿越的不良地質，主要為淤泥及淤泥質土的軟弱地層，其結構骨架在動力作用下極易被破壞，使土體強度驟然降低，易造成開挖面失穩，造成地面及建筑物沉降。

2" "監測方案

本工程的盾構隧道施工引起的地表沉降監測，包括縱向沉降和橫向沉降兩個方面，地表沉降限值為30mm，地表隆起限值為10mm。觀測點的布置原則：縱向觀測點沿隧道中心線每隔6m（5個環）布置。

橫向觀測點布置于盾構始發起100m區域內，每隔12m（10個環）設一監測橫斷面，其余區域每隔72m（60個環）設一監測橫斷面。以隧道中心線為軸，每隔一段距離布置一個觀測點。

3" "監測結果分析

YDC111-YDC131為右線隧道中心線地表沉降觀測點，選擇其中5個觀測點的觀測結果，繪制觀測點地表沉降和沉降速率隨施工時間曲線（YDC111、YDC116、YDC121、YDC126、YDC131），曲線圖見圖1至圖5。圖1至圖5中的環號表示盾構機掘進的位置。刀盤通過表示盾構刀盤剛通過觀測點，盾尾通過表示盾構機尾部剛通過觀測點。

從圖1至圖7中可看出，觀測點地表沉降隨著盾構機掘進的變化包括4個主要階段：

當盾構機掘進到觀測點前方3D～5D范圍內，觀測點地表開始出現沉降，沉降（隆起）處于1～2mm，該階段地表沉降記為S1。

當盾構機刀盤處于觀測點正下方時，觀測點地表沉降較小，約為1.5mm，該階段地表沉降記為S2。

當盾構機盾尾處于觀測點正下方時，觀測點地表沉降迅速增大，該階段產生的地表沉降較大，且記為S3。

當盾構機繼續掘進一段距離，觀測點地表沉降增長速率變緩，并逐漸趨于穩定，該階段地表沉降記為S4。

分析上述4個階段的地表沉降可知：第一二階段發生地表沉降的原因，為盾構機掘進破壞土體應力平衡狀態;第三階段地表沉降的原因，為盾構機盾尾離開觀測點導致的建筑間隙。定義前三階段地表沉降為地層損失沉降期。第三階段地表沉降為固結沉降期，盾構機掘進過程中，土體與盾殼間的沉降、注漿等均會引起周邊土層擾動，進而引起超孔隙水壓力。隧道施工完畢后，孔隙水壓力消散，土體排水固結，進而發生固結沉降。

因軟土具有較大粘聚力，有一定程度的“時空效應”，施工一段時間后方可充滿建筑空隙，因此直到盾構機盾尾穿過一段時間后，地層損失沉降才結束。沉降速率轉折點發生在第四階段，盾構機盾尾穿過觀測點3～5d。因此，本工程可取該時間點作為兩種沉降的界限。

YDC111～YDC131的第三階段地表沉降范圍約為9.3～14.6mm，約占施工總沉降量的47%～83%，地表沉降平均占比值為66%。該階段時長3～5d，沉降速率平均值為2.65～3.2mm/d。現場觀測期內，第四階段固結沉降范圍約為3.0～10.7mm，約占施工總沉降量的14%～55%，地表沉降平均占比值為33%，沉降速率平均值為0.44～1.08mm/d。因固結時間較長還未完成，所以其占比會更大，實際沉降速率也會更小。

對于盾構施工導致的地表沉降的預測，林存剛等基于傳統雙曲線模型，提出改進的雙曲線模型，如下式：

S（t）=t/（a+bt）+c （1）

從公式（1）中可以看出，沉降由兩部分組成，t/（a+bt）部分為盾構機盾尾穿過觀測點 t時間的沉降值，c部分為盾構機盾尾穿過觀測點之前引起的沉降。其中，S（t）為某時刻的沉降值，t為盾構機盾尾穿過觀測點時間（d），a、b、c為常數，參數a單位為mm/d，參數b單位為mm^-1，參數c單位為mm。。

圖6為觀測點YDC121擬合曲線和觀測曲線對比，圖7為觀測點ZDC961擬合曲線和觀測曲線對比。表1為隧道施工引起的地表沉降擬合結果。

從上述結果可以看出，所得相關性系數都不小于0.95，擬合結果與實際觀測結果吻合較好，其中參數a為-0.15～-0.67mm/d，b為-0.029～-0.043mm^-1，c為-0.90～7.68mm。

4" "結論

本文以某土壓平衡盾構隧道施工為研究對象，對盾構隧道施工過程中地表沉降進行監測，獲得了施工過程中地表沉降規律。主要獲得以下結論：

施工過程中，盾構隧道施工對前方3D～5D范圍內土體有擾動影響，地表沉降（隆起）約1～2mm;盾構機刀盤處于觀測點正下方，開始發生地表沉降;盾構機盾尾穿過觀測點3～5天內，地表沉降迅速增大，隨后逐漸趨于平緩。盾構施工主要引起占比為65%的地層損失沉降和占比為32%的固結沉降。

本工程可盾構機盾尾穿過觀測點3～5天作為地層損失沉降和固結沉降的分界線。在此之前地表沉降主要為地層損失沉降，在此之后主要土體固結排水導致。本工程中，盾構機盾尾穿過觀測點后的地表沉降可用改進的雙曲線公式預測。

參考文獻

[1] 周佳媚，蒙國往，嚴啟，等.泥炭質地層盾構掘進地表及建筑物沉降研究[J].現代隧道技術，2015，52 （3）： 160-167.

[2] 蒙國往，周佳媚，高波，等.地鐵盾構掘進引起的軟弱地層沉降分析[J].現代隧道技術，2017，54 （6）：117-125.

[3] 魏新江，陳偉軍，魏綱，等.盾構隧道施工引起的土體初始超孔隙水壓力分布研究[J].巖土力學， 2012，33 （7）：2103-2109

[4] 韓煊，李寧.隧道開挖不均勻收斂引起地層位移的預測模型[J].巖土工程學報，2007，29（3）： 347-352.

[5] 張宇亭，寇曉強，左殿軍，等.軟黏土地層盾構開挖擾動及工后沉降數值模擬研究[J].巖土工程學報，2013，35（ S2）：753- 757.