上軟下硬地層中小凈距盾構隧道施工引起的地層沉降研究

王懷東 WANG Huai-dong；王洋 WANG Yang；崔廣宇 CUI Guang-yu；宋帥 SONG Shuai；王歡 WANG Huan

（①中鐵九局集團有限公司，沈陽 110051；②中鐵九局集團第四工程有限公司，沈陽 110032）

0 引言

隨著近年來我國城市化進程快速推進，地面交通問題日益嚴重。為此，以地鐵為主的地下交通成為了我國許多城市基礎建設的重要一環。在城市地鐵的建設中，盾構法是最常見的方法，其具有安全、經濟、快速和對地表影響較小的等多方面的優點，然而，在盾構隧道的施工過程中，盾構機對地層產生擾動，容易引起地表隆起或沉降、地下管線損壞等[1]。

針對盾構法隧道施工而引起地表變形的問題，許多學者開展了豐富的理論與實踐研究。韓煊等[2]基于Peck公式對地鐵隧道開挖引起的地表沉降進行了預測分析。劉建航[3]基于監測數據的統計分析，提出了利用地層損失來估算盾構隧道前后隆起變形曲線在豎直方向上的公式；孫長軍等[4]結合數值模擬和現場監測對大直徑盾構下穿民房建筑群的沉降規律進行了研究，并給出了相應的控制措施；孫宇坤等[5]對盾構下穿建筑物引起的建筑物底部和屋頂沉降進行了監測和分析，研究了盾構隧道對地表砌體建筑沉降的影響規律；張自光等[6]基于有限元軟件和監測數據開展隧道上覆巖厚度對隧道圍巖自穩性的影響研究；王旭東等[7]通過有限元軟件研究地鐵車站覆跨比與地表位移的關系，分析了不同覆跨比下的開挖穩定性；劉重慶等[8]通過現場監測和數值模擬研究了在上軟下硬地層過渡區掘進對地表沉降的規律，研究表明硬層比對地表沉降影響顯著。

本文以深圳地鐵14號線寶寶區間小凈距掘進為研究背景，對上軟下硬復合地層土壓盾構掘進關鍵技術進行研究，結合現場監測數據分析沉降規律，總結類似地層盾構施工經驗，以期為類似工程提供指導建議。

1 工程概況與測點布置

1.1 工程概況

深圳地鐵14號線寶荷站~寶龍站采用盾構法施工，盾構掘進過程中需穿越一段上軟下硬復合地層，掘進段的地層主要為粉質黏土、中風化花崗巖、強風化石英巖和強風化石灰巖。其中，上軟下硬復合地層中，上覆較軟土層為粉質黏土，下部硬巖層為強風化石灰巖（塊狀）。為了避開小凈距盾構隧道施工的互相影響，盾構左線先行掘進施工，右線后行掘進，兩線盾構平行掘進，最小距離僅為3.9m。

1.2 測點布置

根據寶寶區間的周邊環境及建筑物分布情況，盾構區間的地表沉降按縱、橫向監測，縱向監測實施時，地表沉降測點布設在隧道軸線上方，測點間距為10m，每隔20m布設一個沉降觀測斷面，每個沉降監測斷面雙線布設7個沉降監測點?，F場監測斷面橫向布置示意圖如圖1所示。

圖1 現場監測測點布置圖

2 監測結果分析

深圳市軌道交通工程14號線寶荷站~寶龍站區間小凈距段隧道埋深和上覆地層特性基本相同，掘進斷面內硬層與軟層的比例有所不同?？紤]研究需要，特定義“硬層比”α為：盾構法隧道掘進施工時，上軟下硬地層中掌子面內硬層厚度（H）與盾構隧道直徑（D）的比值，即

由于寶~寶區間盾構隧道埋深基本一致，上覆地層各種參數也基本相同，但盾構隧道穿越的地層并非完全不變，掌子面硬層比隨著基巖面的起伏而變化。為了研究硬層比與對應地面沉隆變形的關系，在隧道區間選取5個典型監測斷面，根據現場實際探測調研和相應的地質勘察圖，計算得出其硬層比分別為0%，25%，50%，75%和100%。在盾構掘進控制措施相同的條件下通過對典型監測斷面的實際監測數據統計分析，能夠得到不同硬層比隧道區段地表橫向曲線。

實測結果表明，盾構法隧道掘進時，橫向監測斷面為垂直于隧道軸線，實際監測得到的地表最大沉降均位于隧道軸線正上方的位置，隨著垂直隧道軸線兩側距離增加，地表沉降逐漸減小，且越遠離隧道軸線，地表沉降變化速率越慢?？傮w上橫向地表沉降曲線基本呈“V”字型沉降槽分布；地表橫向沉降值受硬層比的影響較為明顯，隨著硬層比的增大，地表沉降量整體上均減小。其中隧道軸線上方測點及其附近的測點的沉降量受硬層比影響更大，尤其是硬層比從25%向50%變化時，右線隧道軸線處沉降量下降30%。隨著離隧道軸線距離的增加，監測點處沉降量受硬層比的影響較小。

3 地層沉降的數值計算與分析

3.1 計算模型及參數

本文采用有限元軟件MIDAS-GTS，對深圳地鐵14號線寶荷~寶龍區間盾構法隧道施工引起的地層沉降變形進行三維數值模擬，考慮到隧道埋深與上覆地層巖土特性基本相同，故此，本文主要分析研究盾構法隧道施工時，上軟下硬地層硬層比對地表沉降變形的影響。計算模型為橫向70m，隧道軸線方向長36m，垂直方向高40m。模擬的主要巖土地層和模型的結構的力學參數見表1。

表1 主要地層物理力學參數

數值模型采用位移邊界條件，上表面為地表，采用自由邊界，水平側分別限制X方向、Y方向位移，底部為固定邊界。地層和管片通過三維實體單元模擬；盾殼和注漿等代層通過二維板單元進行模擬。地層采用摩爾-庫倫本構模型，管片、盾殼和等代注漿層采用彈性本構模型。參考《混凝土結構設計規范》，C50混凝土管片的彈性模量為34.5GPa，考慮管片接頭的影響，在數值計算中，將管片的彈性模量乘以0.8的折減系數，取27.6GPa。盾構管片外徑為3.35m，內徑為3m，管片厚度為0.35m，考慮到實際施工過程中管片長度為1.5m，盾構隧道每掘進1環為1個工況，共有24個工況，管片的安裝和注漿等代層同步進行，滯后于開挖面6m處。在計算時采用厚度0.14m水泥土等效層等效代替注漿層。為模擬等代注漿層硬化的過程，將注漿壓力從初始壓力減小到零，注漿層強度由初凝強度的1/4逐漸增加到初凝強度，等盾構再向前開挖12m之后變為終凝強度。

3.2 施工過程模擬

由于盾構推進的距離較長、穿越土層情況較復雜，采取交替鈍化隧道土體單元和激活盾殼單元、管片單元、注漿層來模擬隧道開挖及注漿加固過程。盾殼、注漿等代層采用板單元模擬，同時添加注漿壓力，刀盤與土體間的切削作用通過在土體表面施加環向力模擬。開挖過程模擬主要包括盾構開挖，土倉壓力、扭矩、頂推力的施加以及注漿加固等過程，考慮注漿加固到形成強度承載需要一個過程，故通過注漿壓力和注漿層的施加來模擬，管片隨著盾構機的推進不斷施作。

3.3 計算結果分析

如圖2為不同硬層比下由盾構隧道施工引起的橫向地表沉降最大值現場監測的數據的對比圖。通過對比可看出，5種工況地表均出現不同程度的“V”型沉降槽，且由盾構開挖引起的最大沉降并不出現在隧道軸線上，這是由于平行盾構隧道距離較小，隧道埋深較淺。由于小凈距隧道的影響，隧道沉降槽向先行盾構隧道偏移。盾構引起的最大沉降量依次為-9.02mm、-8.59mm、-7.57mm、-4.82mm和-3.63mm。沿地表橫向寬度上的沉降槽分布基本一致。

圖2 隧道橫向地表最終沉降值與硬層比的關系

圖4模擬地表縱向沉降曲線

圖3 為盾構隧道施工引起的最大沉降值隨硬層比變化的數值模擬和現場監測結果對比圖。由圖3可知，數值計算結果與實測計算結果存在一定的差異，但數值變化的總趨勢是基本一致的，造成這種差異的原因可能是由于本段區間的地質條件十分復雜。上軟下硬地層掘進時，硬層比在0-20%和80-100%之間變化時，對地表沉降最終值影響相對較低，此時可將這種情況下的上軟下硬地層近似等效為全斷面軟巖或硬巖；當硬層比在20%-80%之間變化時，盾構隧道施工引起的最大沉降值受硬層比的影響較大。對此，對上軟下硬地層中小凈距盾構隧道地表變形的研究應著重考慮硬層比為20%-80%。

圖3 硬層比與地表最終沉降值的關系

盾構法隧道施工過程中，地層不同硬層比時的地表縱向沉降變形模擬結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著地層硬層比的增大，地表縱向沉降是逐漸減小的。當硬層比在0~20%變化時，盾構法隧道施工會對掌子面前方15m處以內的地表隆沉產生影響，至掌子面后方10m處沉降量能達到沉降總量的88%；當硬層比在80%~100%變化時，盾構法隧道施工會對掌子面前方約10m處以內的地表隆沉產生影響，至掌子面后方15m左右沉降量就達到總沉降量的88%。這表明上軟下硬地層中盾構法隧道施工的主要影響范圍在掌子面前方15m至掌子面后方10m范圍內。

4 結論

①上軟下硬地層地表橫向沉降受硬層比的影響比較明顯，基本上表現為隨硬層比增大沉降槽變淺且地表沉降量整體減小。其中受硬層比的影響，隧道軸線附件監測點的沉降量比遠離隧道軸線的監測點要大。

②上軟下硬地層中，硬層比主要影響著縱向沉降量及沉降開始、結束位置的變化上，盾構法掘進施工時伴隨著硬層比的變大，地表縱向沉降量及影響范圍都在明顯的減小。

③上軟下硬地層中小凈距盾構隧道施工引起的最大沉降量受小凈距影響，并不出現在隧道軸線的正上方。

④通過研究盾構隧道施工引起的地表最終沉降值與硬層比的關系，建議將硬層比為20%~80%作為上軟下硬地層地表變形研究的范圍。