盾构施工对堤顶沉降的预测及控制研究

郑 烨 樊建苗

(浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州 310016)

1 概述

盾构法隧道施工具有地面影响小、机械化程度高、进度快等优点，逐渐成为隧道等地下结构的首选施工工艺。然而在盾构过程中不可避免地会对周围土体产生扰动，从而引起地面沉降。盾构施工引起的地面沉降的范围和沉降值是国内外学者普遍关注的问题。本文依托秦山核电厂盾构排水隧道工程，分别采用Peck经验公式和PLAXIS有限元对盾构施工过程中堤顶沉降进行了预测，并提出了沉降控制措施，为海堤的保护和排水隧道工程的顺利实施提供了依据。

2 工程概况

秦山核电厂扩建项目的排水隧道工程位于厂区的东北部，采用土压平衡盾构法施工，排水隧道穿越秦山一期海堤后延伸入钱塘江，工程由高位虹吸井、排水隧道、顶升管及喷口等组成。

隧道穿堤处地质概况为:①堤身填土层，主要为粘性土、开山块石、碎石及岩粉和岩屑组成;③-1粉土层，灰色～灰黄色，局部含少量粉砂，干强度中等，韧性中等;④淤泥质粘土层，浅灰色～灰色，干强度高，韧性高，软塑～流塑;⑤粉质粘土层，褐黄色、灰黄～灰绿色，干强度高，韧性高，可塑;⑥粘土层:灰～浅灰色，干强度高，韧性高，可塑～硬塑;⑦粉质粘土层:灰色、灰黄色～灰绿色，干强度高，韧性高，硬塑～坚硬。具体物理力学指标见表1。

表1 排水隧道穿堤处土层的物理力学指标

3 地表沉降的预测与分析

3.1 经验公式法预测地表沉降

Peck［1］在大量实测地表沉降数据的基础上，提出了地表沉降槽呈现正态分布曲线，沉降槽的体积等于地层损失的体积，并提出隧道施工产生的地表沉降横向分布的经验公式:

其中，S(x)为距离隧道中心线x处的地表沉降，m;Smax为隧道中心线处最大地面沉降，m;x为距隧道中心线的距离，m;i为沉降槽宽度系数，m;Vs为隧道单位长度土体损失量，m3/m。

关于隧道单位长度土体损失量，其大小不仅与工程地质、水文地质条件等有关，还与施工方法、施工技术和管理水平等因素有关。目前，隧道单位长度土体损失量的计算方法主要有:1)经验方法:根据类似工程施工经验，选择一个合适的土体损失百分率Vl，则Vs=VlπR2，其中，R为隧道外半径，对于粘性土Vl通常为0.5%～2.0%［2，3］;2)采用Lee K.M.等［4］提出的等效土体损失参数g进行计算:

其中，g为等效土体损失参数，具体参见文献［4］。

沉降槽宽度系数i决定了盾构施工对周围土体的影响范围。国外学者［5，6］通过理论分析和实测资料，对沉降槽宽度系数给出了不同的经验公式。国内学者璩继立等［7］通过对实测数据进行拟合，指出:沉降槽宽度系数与隧道轴线埋深的八次幂成线性关系;刘建航等［8］提出以下公式来计算沉降槽宽度系数:

其中，z为地面至隧道轴线深度;φ为各土层有效内摩擦角。

秦山核电厂穿堤排水隧道外半径为4.05 m，土的内摩擦角17.2°，隧道顶部覆土厚27.45 m，采用Peck法计算不同土体损失率下，堤顶各处沉降值，见图1。

图1 不同地层损失率下堤顶沉降曲线图（Peck公式）

如图1所示，隧道盾构后，土层沉降对称分布，最大沉降出现在隧道中心轴线处。土体损失量为0.5%～0.8%时，沉降最大值分别为:6.9 mm，8.3 mm，9.7 mm和11.1 mm。

3.2 有限元数值模拟法预测地表沉降

有限元数值模拟采用PLAXIS程序。PLAXIS程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件，能够计算岩土工程中变形、稳定以及渗流等问题。下文对有限元模型的前处理、材料本构模型的选择及参数取值做简单的介绍和讨论。

3.2.1 有限元模型的建立及网格的划分

穿堤排水隧道可简化为二维平面问题:隧道及衬砌结构采用板单元模拟，土体采用三角形15节点实体单元模拟。通过试算确定对堤顶变形无明显影响时的模型边界取值范围，左、右侧边界自隧道中心线起均取50 m，下侧边界自堤顶取50 m。左右边界的约束情况为水平约束，底面边界约束情况为固定约束，有限元模型的网格划分见图2。

图2 排水隧道有限元模型网格划分图

3.2.2 穿堤排水隧道有限元模型材料参数

穿堤排水隧道有限元模型中包含了土体、隧道衬砌等结构。其中土体采用Mohr-Coulomb本构模型;隧道衬砌采用线弹性模型;土—结构接触面采用界面单元模拟，隧道衬砌结构与土体在材料性质有较大的差异，为了满足有限元理论位移协调原则，需要在两种材料之间加设界面单元。通过加设界面单元的方式可以有效模拟衬砌与土体之间的相对位移。隧道衬砌与土体的接触表面是介于完全光滑和完全粗糙之间的，其界面的粗糙程度用一个适当的因子来衡量，在PLAXIS中设定了界面强度折减因子Rinter。该因子将界面强度指标和土体强度指标相互联系在一起。其关系式为:

其中，ci和φi分别为界面的内聚力和摩擦角;csoil和φsoil分别为土层的内聚力和摩擦角。

对于有限元计算参数的取值:重度、摩擦角、粘聚力等直接取用地质勘查参数，泊松比根据土质参照工程地质手册取值［9］，土层的弹性模量根据贾堤等［10］提出的计算公式计算:

本文中α取值范围为3～5，PLAXIS中定义E为50%强度的割线模量，Es为土的压缩模量。

土层与隧道衬砌的材料参数见表2与表3。

表2 土体有限元计算参数取值表

表3 隧道衬砌有限元计算参数取值表

3.2.3 穿堤排水隧道有限元计算结果分析

由于土体损失量的大小直接影响到堤顶沉降，本文通过PLAXIS计算不同土体损失量下的堤顶沉降值，土体损失量为0.5%～0.8%时，堤顶各处沉降的横向分布图如图3所示。

如图3所示，隧道盾构后，土层沉降对称分布，最大沉降出现在隧道中心轴线处。土体损失量为0.5%～0.8%时，沉降最大值分别为:7.1 mm，8.2 mm，9.4 mm和10.5 mm。

4 地表沉降的控制措施

盾构施工导致的地面沉降的因素很多［11］，主要有:隧道覆土厚度、盾构外径、盾尾注浆的填充率等因素。对于某一特定的隧道工程，盾尾注浆的填充率则是影响地面沉降的关键因素。根据工程实践，土体的弹性模量、盾构推进时土仓压力以及地下水位均对地表沉降产生一定的影响。

图3 不同地层损失率下堤顶沉降曲线图（PLAXIS法）

由于排水隧道所穿海堤为临江一线海堤，保障着秦山核电厂的安全运行，需要采取有效的措施控制堤顶沉降值，通过分析类比类似工程，提出如下堤顶沉降控制措施:

1)采用土压平衡模式掘进，严格控制出土量，确保土仓压力工作面的稳定，控制堤顶沉降值;2)优化同步注浆和壁后注浆的工艺和参数，及时并极大极限充填空隙;3)采取盾构后对土体的复注浆加固，可以减小土体次固结量;4)加强堤顶沉降和隧道的变形监测，严格控制同步注浆的压力，一旦发现异常，及时调整掘进参数并采取加固措施，确保海堤和已建成隧道的安全。

5 结语

1)盾构施工引起的堤顶沉降受多种因素的影响，主要有隧道覆土厚度、隧道外径、开挖面压力、地层物理力学性质、施工条件等，其中盾尾注浆的填充率则是影响堤顶沉降的关键因素;2)盾构机通过后，隧道左右土体有靠近隧道的水平移动;土层沉降对称分布，最大沉降出现在隧道中心轴线处，隧道上方的地层沉降随深度增加而增加，在接近隧道顶端位置达到最大，在隧道下方土体出现向上的位移，在隧道底端达到最大;3)Peck经验公式和PLAXIS有限元计算结果基本吻合，得出了盾构过程中堤顶横向沉降的基本规律:地表沉降呈对称分布，隧道轴线正上方地表沉降最大，向左右沉降分别逐渐减小;4)盾构施工过程中应严格控制出土量，采取预先注浆加固隧道上方土体、同步注浆、壁后注浆和盾构后复注等措施来控制堤顶沉降。

［1］ Peck R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground［A］.Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.Mexico City.［s.n.］，1969：225-290.

［2］ 沈培良，张海波，殷宗泽.上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析［J］.河海大学学报(自然科学版)，2003，31(5)：556-559.

［3］ Attewell P B.Ground movements caused by tunnelling in soil［A］.Conference on Large Ground Movements and Structures［C］.Gardiff，London：Pentech Press，1978：812-848.

［4］ Lee K M，Rowe R K，Lo K Y.Subsidence owing to tunnellingⅠ：Estimating the gap parameter［J］.Canadian Geotechnical Journal，1992，29(6)：929-940.

［5］ O’Reilly M P，New B M.Settlements above tunnels in the United Kingdom-their magnitude and prediction［A］.Proceedings，Tunneling’82［C］.London：Institution of Mining and Metallurgy.［s.1.］：［s.n.］，1982：137-181.

［6］ Loganathan N，Poulos H G.Analytical prediction for tunnellinginduced ground movement in clays［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124(9)：846-856.

［7］ 璩继立，许英姿.盾构施工引起的地表横向沉降槽分析［J］.岩土力学，2006，27(11)：313-316，322.

［8］ 刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1991.

［9］ 《工程地质手册》编委会.工程地质手册［M］.第4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［10］ 贾 堤，石 峰，郑 刚，等.深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨［J］.岩土工程学报，2008(10)：156-158.

［11］ 张海波，殷宗泽，朱俊高.隧道盾构法施工地面沉降影响因素分析［J］.铁道建筑技术，2005(1)：32-35.