瘦西湖超大直径盾构隧道施工对周边环境影响分析

戴洪伟

(中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014)

0 引言

城市地下空间的开发成为21世纪城市的发展趋势，地下工程施工技术及施工引起的周边建筑物与环境的变化成为业内关注的焦点。盾构作为一种新型的地下工程施工方法，随着其施工技术的不断完善，在地下工程施工中得到了广泛的应用。

在盾构施工过程中，不可避免地对周边土体造成扰动，国内外学者通过数值模拟和现场实测的方式，已经对盾构隧道施工造成的受力与变形问题做了大量研究。

Peck［1］在1969年通过研究提出了隧道施工中地表沉降的变化规律，并提出了沉降经验计算公式;杨洪杰等［2］在软土、砂土和砂砾土层中进行盾构模型的掘进试验，研究了试验模型周围土压力变化和刀盘开口率变化对密封舱内外土压力的影响，提出土压平衡盾构土舱与开挖面间存在压力差;张社荣等［3］通过三维数值模拟，研究软土盾构施工对环境的影响;黄润秋等［4］、卢瑾［5］、张云等［6］研究了地铁盾构隧道施工对周边环境的影响，提出地表沉降的主要原因是扰动和降水。

现场实测方面:J.Wongsaroj等［7－8］通过现场实测的方式，研究了伦敦地铁施工中土体长期变形规律;R.Standing等［9］通过对伦敦软土地区盾构施工引起的地表变形进行现场实测，总结地表沉降在隧道纵向和横断面2个方向的变化规律;徐永福等［10］对上海外滩观光隧道进行现场监测，分析了地表沉降情况和土体应力变化状态，并提出应力扰动度的概念;敖日汗等［11］对盾构区间隧道施工诱发的周围土体孔隙水压力重分布情况进行了研究，并进一步分析了由此诱发的固结沉降情况;袁大军等［12］对φ14.93 m泥水盾构施工的隧道进行现场监测，研究了盾构施工对土体的扰动机制、规律和范围。

综上所述，国内外学者对盾构施工对土体的扰动机制和规律已经进行了大量研究，但是对于小曲率曲线盾构隧道施工对土体的扰动和变形机制研究报道较少。本文通过采用现场实测和数值模拟的方法，研究曲线盾构隧道施工造成的土体变形机制，对比分析隧道2层土体受力与变形的差异性。

1 工程背景

1.1 工程概况

扬州瘦西湖隧道工程下穿扬州市重要风景区和多个文物保护建筑，该项目的建成对瘦西湖东西两侧的交通带来便利，同时可以成为联系西区与东部新城的东西向重要通道之一。该隧道西自维扬路与杨柳青路的交叉口，东至漕河西路与史可法路的交叉口，含瘦西湖隧道及瘦西湖东西两侧的地面接线道路配套工程，包括主体隧道工程、附属工程、机电设备工程、匝道工程及地面接线道路工程。工程全长5 352.55 m，其中主线隧道全长约2.64 km，盾构段全长1 275 m，单管双层设计，设计时速为60 km/h，采用一台直径为14.93 m的泥水盾构掘进施工。其中盾构段在距湖西工作接收井约48.52 m时，进入曲线盾构区段，圆弧曲率半径约为700 m。瘦西湖隧道工程位置示意如图1所示。曲线盾构隧道平面图如图2所示。

隧道内部结构采用单管双层方式，隧道管片内径为13.3 m，隧道内部结构分上下2层，上层为由东向西行车路面，下层为由西向东行车路面，结构下层采用预制箱涵π型件，上层采用立柱+纵梁+现浇混凝土车道板结构，上下行车道宽度均为7 m。针对洞内结构特点本工法采用下层预制π型件，上层采用移动台车现浇行车道板。

图1 瘦西湖隧道工程位置示意图Fig.1 Layout of Slender West Lake Crossing Tunnel

图2 曲线盾构隧道平面图Fig.2 Plan of curved shield-bored tunnel

1.2 地层概况

根据区域资料，扬州瘦西湖隧道及接线工程为同一地貌单元，主要为第四系全新统冲洪积砂土、黏性土，为本工程引道段和明挖段穿越地层。沿线第四系上更新统土层为本隧道工程主要穿越地层。本隧道下伏地层主要为白垩系浦口组泥质砂岩，埋深55 m左右。隧道工程地质剖面图如图3所示。扬州瘦西湖隧道地层土体参数如图4所示。

2 现场监控量测

2.1 测点布设

在盾构掘进时于隧道沿线布设监测点，进行现场监测。对土体的观测项目主要有地表沉降、土体分层沉降、土体水平位移等。测点断面图如图5所示。监测平面图(3#—6#断面)如图6所示。

2.2 监测数据分析

2.2.1 地表沉降

随着盾构掘进，隧道上方地表发生沉降位移，地表沉降变形曲线如图7所示。

由3#断面可以看出，隧道上方中线点DB3－0测点沉降量最大，达到－14.25 mm，而两侧的测点沉降量则小很多。但几乎所有测点都表现出了一种变化规律:在4月10日之前，沉降量都比较小，约为1 mm，10—13日沉降量增大，但速率较小，属于第1阶段，此阶段主要进行盾构掘进开挖;在13—16日，掘进开挖后方，沉降量突然增大，而且沉降速率也增大，属于第2阶段;在4月19日进行了二次补浆，在此之后曲线基本上呈现平缓的变化，地表沉降量趋于稳定，属于第3阶段。

图3 扬州瘦西湖隧道底层剖面图Fig.3 Profile showing geological conditions of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

图4 扬州瘦西湖隧道地层土体参数Fig.4 Parameters of ground of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

图53#横断面测点布设图(单位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points of No.3 cross-section(cm)

图6 监测平面图Fig.6 Plan of mornitoring points

图7 地表沉降历程曲线Fig.7 Curves of time-dependent ground surface settlement

从各阶段的划分可以看出，在隧道开挖盾构切口到达时，地表呈现缓慢隆沉，变形量较小，变形缓慢，这是因正面土体受挤压而向上隆起以及孔隙水压力增加引起的，此时总应力和孔隙水压力增加。随着盾构推进，盾构通过的过程中，地表开始快速沉降，沉降速率较大，沉降量也较大。盾构通过时的沉降，是由于土体扰动和盾构与土体之间的剪切带动引起的，为土体应力释放的过程。在盾尾脱出时，地表会继续发生沉降，沉降速率减小，沉降量减小，此时为盾尾空隙沉降，是土体脱离盾构支撑后应力释放引起的。

选取3个横断面地表沉降稳定后的数据进行处理，绘出地表沉降槽曲线图，如图8所示。从图8可以看出，盾构施工引起的地表沉降影响范围约为2倍隧道埋深，隧道中线位置附近沉降最大，最大沉降量略小于0.5%倍的隧道埋深。

2.2.2 土体分层沉降

盾构掘进时，隧道周边土体会因扰动产生沉降，就土体本身而言，每一层土体呈现不同的沉降规律。土体分层沉降如图9所示。

从图9可以看出，隧道周边土体呈现沉降和回弹2种不同的变形规律。在横断面上，越靠近隧道，土体分层沉降值越大，距隧道越远，分层沉降越小。产生分层沉降的主要原因是盾构在施工中，对土体产生扰动，盾构刀盘直径大于盾构机壳直径，掘进过程中刀盘后方产生土体损失造成的沉降。分层沉降最大值出现在距隧道最近的观测点的地表层，最大沉降约为0.03%倍隧道埋深。

图8 不同横断面地表沉降槽对比Fig.8 Comparison and contrast among ground surface settlement troughs at different cross-sections

图9 分层沉降曲线Fig.9 Curves of layered settlement

2.2.3 土体水平位移

2.2.3.1 纵向水平位移

为获取盾构顶进过程中盾构刀盘前方土体沿隧道方向变形的规律，选取3#断面，布设土体深层水平位移测点，盾构过程中获得数据如图10所示。

从图10可以看出，在盾构施工过程中，隧道前方土体随着盾构推进会沿着隧道方向产生向前的水平位移。其中，盾构刀盘位置水平位移较大，向地表逐渐减小。但由于盾构隧道埋深较浅，地表土体均会产生向前移动的位移。在同一横断面上，越靠近隧道中线，纵向水平位移越大。

2.2.3.2 横向水平位移

见图11。

图10 土体纵向水平位移Fig.10 Curves of horizontal displacement of ground in longitudinal direction

图11 横向水平位移Fig.11 Curves of horizontal displacement of ground in transverse direction

从图11可以看出，在盾构工作期间盾构外侧土体受挤压效应较为明显，离盾构越近的测点横向水平位移越大，挤压范围越集中，且集中在盾构附近区域。如测点CX04(离盾构外边缘1 m)土体受挤压区域位于深度－10～－28 m处。最大水平位移位于深度－18 m处，其值约为0.05%倍隧道埋深。测点CX05(离盾构外边缘约6 m)与CX06(离盾构外边缘约11 m)监测深度范围内土体均处于受挤压状态，最大水平位移分别位于深度－17 m和－18 m处，其值均小于0.01%。由此可知，随着离盾构越来越远，挤压范围在扩散，挤压效应在减弱。

3 有限元分析

现场实测的数据受埋设方法和现场工况的限制可能出现一定的误差，为更好地从理论上论证盾构施工引起的土体变形，利用三维有限元软件FLAC 3D，采用Mohr－Coulomb本构模型，对施工过程土体变形进行模拟分析。

3.1 模型建立

隧道采用泥水平衡盾构施工，隧道开挖直径为14.93 m，盾构机头长10 m，盾构刀盘外径比盾构机壳外径大2 cm，管片宽2 m，厚60 cm。地基土自上而下依次为杂填土(0 ～1.8m)、粉质黏土(1 ～2.1 m)、黏土(6 m以下)。隧道埋深15 m，分析区域竖向深50 m，宽200 m，沿隧道纵向长350 m，共77 487个单元，14 415个节点。曲线盾构隧道模型如图12所示。地层参数如表1所示。

图12 曲线盾构隧道模型Fig.12 Model of curved shield-bored tunnel

表1 模型中采用的地层参数表Table 1 Ground parameters used in the model

3.2计算结果分析

通过模拟提取监测数据，得到地表沉降和土体深层水平位移计算结果，绘制变形数据曲线，如图13和图14所示。

图13 地表沉降模拟结果与实测对比Fig.13 Comparison and contrast between simulated ground surface settlement and measured ground surface settlement

3.2.1 地表沉降

选取地表沉降稳定之后的数据，从图13可以看出，在隧道中线两侧，与实测数据相比，沉降槽左右不对称性比实测数据更加明显，但变形规律相似。

图14 土体水平位移模拟结果与实测对比Fig.14 Comparison and contrast between simulated ground horizontal settlement and measured ground horizontal settlement

3.2.2 深层水平位移

图14对比分析了隧道两侧土体在隧道掘进过程中的水平位移，模拟结果呈现与实测相似的变形规律，最大位移发生在地表以下－17 m左右的位置，模拟最大测斜稍小于实测值。

4 结论与建议

1)隧道正上方的地表沉降最大，随着隧道掘进，地表沉降在盾构的切口到达时缓慢隆沉、盾构通过时快速沉降、盾尾脱出时趋于稳定。盾构推进时，土体产生纵向和横向2个方向的水平位移，沿隧道方向，土体产生向掘进方向的位移。横断面上，土体水平位移在隧道掘进方向曲线内侧变形量小于外侧变形量。

2)在已发表的研究文献中，研究对象多为直线盾构隧道，本文对曲线盾构隧道的研究成果对相关工程具有一定指导作用。

3)研究过程中获得了大量实测数据，但对其他工程能起直接指导作用的参数间经验公式模型，尚未建立。下阶段将对曲线盾构施工造成的周边土体变形进行数学模型的构建进行研究。

4)针对曲线盾构施工造成的周边土体变形在隧道两侧的差异性，在工程中应采取不同的措施，以防对周边土体或构筑物造成损害。

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