软土地层小净距隧道盾构施工地表沉降规律分析

余莉,牛晓燕，何计彬,郭伟

(1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)



软土地层小净距隧道盾构施工地表沉降规律分析

余莉1,牛晓燕1，何计彬2,郭伟2

(1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

在软土地层中，针对小净距盾构隧道施工的地表沉降规律分析，对保证安全施工与控制地表沉降具有重要的意义.以苏州地铁4号线软土地层为例，根据现场条件，设计监测断面，对比单洞与双洞施工的地表沉降的变化规律，并进行分析，得出了以下结论：后行洞施工对先行洞的影响是一个挤压、剪切与拉伸的过程,地表沉降量也随之增减；随着后行洞掌子面向前推进，先行洞地表土体纵、横向沉降量先增大和后减小；先行洞施工后形成的扰动圈，使得后行洞的地表沉降量始终大于先行洞的沉降量.

软土地层；小净距隧道；盾构施工；地表沉降；

随着城市化建设的不断深化，为解决城市交通拥挤的现象，对地下空间的开发和利用也成为当今城市发展需求.城市地铁隧道不是城市一诞生就有所规划，而是随着城市的逐渐发展而随之产生的，地铁规划和建设不仅要保证地面建筑物的安全，还要保证施工时不能破坏地下管线等已有地下设施.因此，在地铁选线时，一般都是沿着城市地表道路，一方面是为了乘客乘车的方便，另一方面是为了避开高层建筑物的桩基、地下室与地下管线等.按照规范[1]对小净距隧道的定义(在软岩地段隧道净距小于4B为小净距隧道，B表示隧道宽度)，那么城市地铁大部分都是小净距隧道，但机械盾构施工与山岭隧道的新奥法施工不可同日而语，且土体与岩体性质也有较大差异.小净距盾构隧道在修建的过程中必然存在着复杂的力学关系与交互影响，对它们的研究对保证隧道自身支护结构安全与稳定具有重要意义.

国内外学者对双孔小净距盾构隧道施工的地表沉降规律也进行了较多研究.朱才辉等[2]通过对西安地铁2号线试验段地表沉降实测资料进行反演，提出来的间隙参数计算方法及修正等代层模型能较为真实地反映施工工艺水平，能够为盾构施工地面沉降控制提供一定的参考；徐俊杰[3]以广州地铁3号线客村站至大塘站区间隧道盾构工程为背景，利用ANSYS对施工过程进行了三维有限元动态施工模拟，研究了地表沉降规律；丛恩伟[4]结合北京地铁5号线盾构试验段施工项目，对北京地区特有地质条件下盾构隧道施工引起的地表沉降进行研究；张飞进[5]针对北京地铁10号线芍药居至北土城东站区间隧道下穿既有城铁13号线芍药居车站结构这一实际工程，通过大量的现场监测资料分析，研究了盾构掘进过程中对横向地表沉降和纵向地表沉降的影响过程；郑淑芬[6]运用有限元软件MIDAS分析了产生地表沉降的机理和影响地表沉降的因素以及地表沉降的大致规律；刘昌[7]利用ANSYS有限元软件生死单元和连续时步的功能，对引起地表沉降的各种因素进行了比较分析，得出了地层纵向沉降和横向沉降以及水平位移的规律；李曙光[8]对南京地铁1号线玄武门站至许府巷站及许府巷站至南京站区间，土压平衡盾构法隧道施工引起的土体变形特性进行了分析，研究了地表沉降过程及其分布规律.上述研究为地表沉降规律的研究奠定了基础，但是在总结盾构近距离施工的纵、横向地表沉降中还不够完善.本文根据现场实测数据，总结和归纳双孔小净距盾构隧道施工的地表沉降规律.

1 工程背景

苏州市轨道交通4号线安元西路站至春申湖路站区间范围为测设里程右CK2+530.801～右CK3+989.163，全长1 458.362 m，为双向隧道，隧道中心距离4～11.00 m，采用土压平衡盾构法施工，轨面标高-18.65～11.40 m，隧道结构底板标高-20.093～12.843 m，区间设联络通道及泵房二处分别位于右CK3+076.250及右CK3+500.000.盾构隧道施工的支护体系与开挖基本是同步的，主要采用管片和二次注浆进行支护.

根据苏州软土地层地铁修建区域的埋深为5～16 m，在此埋深下地铁施工影响的土层主要为杂填土层、黏土层、粉土层、粉质黏土(湖湘沉积层，软土).

据区域水文资料，苏州市历年最高潜水位标高2.63 m，最低潜水位标高为0.21 m.

2 小净距双孔平行隧道施工相关理论

2.1 纵断面位移

图1 盾构引起地面沉降过程Fig.1 Process of ground subsidence caused by shield

2.2 双孔平行隧道横断面位移相关理论

根据赵明[9]的研究可知：建立了不同净距的隧道，认为2个隧道之间的相互影响关系随着净距的增大而减小，随着净距的减小而增大，当2个隧道之间的净距增大到一定范围就没有影响了.相邻隧道之间的相互影响是有一定范围的，隧道施工时产生的重分布应力决定了相互影响关系的大小.随着2隧道的净距减小，隧道周围的重分布应力区就叠加的越多，且越来越恶化.应力恶化会使得地表沉降范围增大.

严长征[10]运用位移叠加法研究盾构近距离施工引起的位移变化规律.盾构施工过程中产生的附加应力，造成了地表变形从而引起地表位移主要包括盾构正面应力、侧壁摩阻力与土层损失.这3个力造成的位移，分别用(u1，v1，w1)、(u2，v2，w2)及(v3，w3)表示，并按照一定的公式计算，其中(v3，w3)不同于按照三维解析计算获得的(u1，v1，w1)、(u2，v2，w2)从平面应变的角度计算的结果.通过分析平面应变的假设可知，较常见的原型隧道，地层损失引起的地层位移以环向收敛为主，忽略平行于轴向的地层位移，即u3=0，因而土体损失引起的三向地层位移为(0，v3，w3).它的计算均基于弹性小变形假定，具有可叠加性，因而盾构施工引起的地层总量位移分别计算由盾构正面压力、侧壁摩阻力以及土体损失三者引起地层变形后直接叠加求得.

刘波[11]等人利用修正的Peck法预测了双孔平行隧道施工的地表沉降趋势，得到在同一埋深双孔平行隧道修正Peck公式为

(1)

(2)

式中,S(X)为平行双隧道的横断面上与双隧道轴中心线距离为X处地面点的沉降量；L为双线隧道之间的中心距；Smax为单隧道开挖引起的地表沉降量最大值；Vi为施工引起的隧道单位长度的地层损失；i为沉降槽宽度系数,即地表沉降曲线反弯点与原点的距离，i值由下式计算，

(3)

式中，H为覆土厚度，φ为土体内摩擦角加权平均值.

3 现场地表沉降测试

采用苏州地铁4号线安园西路站至春申湖路站的实际监测断面进行实例分析.为了对比模拟数据的可靠性，在现场也采集了先行右洞隧道纵向断面和横断面沉降值，左、右洞之间的净距为4.2～4.5 m，埋深为15 m，分别对比先行隧道和后行隧道施工的交互影响地表沉降值.

3.1 监测方法

沉降监测仪器采用DS05高精度水准仪.在监测过程中，每次从工作基准点起算，采用精密几何水准测量方法按国家二等水准测量要求测定各监测点的高程，初始值测量必须观测3次取平均值.

3.2 测点布置

施工中主要设定了8个监测断面来分析地表位移，其布置形式见图2，其中3个监测断面按图进行布置(CK2+610、CK2+640、CK2+670)，共有7个监测点，而另外5个断面受场地限制，只有5个监测点；同时，在分析过程中，选取典型的CK2+640进行分析，其他点的数据受施工的各种条件影响，不具代表性.纵向监测见图2的Z1，对其监测也分为6步，先行右洞施工到达C6断面时、到达C7与到达C8共采集数据3次，后行左洞施工到达C6断面时、到达C7与到达C8共采集数据3次.

土体地表横向沉降监测点的布置见图3，在2隧道中心线布置的监测点较近，随着离中心线越远，监测点的布置也加大，采用精密水准仪进行监测，数据的采集在先行隧道施工时采集3次，包括盾构机C6断面时、到达C7与到达C8.盾构机对后行隧道施工时采集3次，包括盾构机C6断面时、到达C7与到达C8.共采集6次数据.

图2 断面布置示意Fig.2 Layout of section

图3 横向断面测点布置Fig.3 Layout of horizontal section

4 沉降规律分析

4.1 纵向沉降监测值对比分析

1)从图4可知，先行洞施工对后行洞产生了较大影响，使得后行左洞地表横向沉降量增加.对比先行洞和后行洞分别到达C6断面监测点Z12(即图中监测点4)的沉降量可知，后行洞的沉降量增加了-6.5 mm.

2)从图4可知，后行洞施工对先行洞产生了影响，后行洞施工使得先行洞的地表纵向沉降量增加.对比先行洞到达C7的监测点C84(图中监测点5)与后行洞到达C7时监测点C84的地表沉降量可知，后行洞的沉降量增加了4.4 mm.

3)由图4可知，对于先行洞到达C6，随着距离施工面由近到远，沉降量逐渐减小(对比监测点C64与监测点C84，其沉降量由-4.6 mm变为0)，说明当先行洞到达C6时，其沉降量是最大的.而当盾构机经过后，其沉降量有慢慢回弹的现象，见先行洞到达C7时，监测点C64(图中监测点1)，其沉降量由-4.6 mm变为-4.4 mm；对于后行洞，随着距离施工面由近到远，在先行洞的影响下，沉降量逐渐减小，对比后行洞到达C8的监测点C84与C64的沉降量可知，其沉降量为-9.8 mm与-6.9 mm，减小了2.9 mm.

4)从图4可以看出，先行洞到达C6后符合理论情况，随着施工步骤的增加，同一沉降曲线发生了较大变化(即沉降量不在同一水平面上).说明施工是一个动态过程，对比先行洞到达C6、C7、C8的监测点C64，沉降量分别为-4.6 mm、-4.4 mm和-4.3 mm，说明盾构施工对土体的影响不仅包括单纯的沉降，有沉降，也有回弹，而回弹的量小于沉降量.

5)从图5可知，后行左洞对先行洞施工的不同施工步的增值曲线基本一致.后行左洞第1步与先行右洞第3步施工的纵向沉降量做减法，得到Z1-3-1增值；后行左洞第2步与先行右洞第3步施工的纵向沉降量做减法，得到Z1-3-2增值；后行左洞第3步与先行右洞与第3步施工的纵向沉降量做减法，得到Z1-3-3'增值.对比3条增值曲线的起伏状态可知，其变化规律基本一致，且随着后行洞施工步的增加其增值减小.见Z1-3-3'增值曲线可知，沉降增值经历了先增大后减小的一个过程，最大增值与最小增值相差-0.9 mm.说明后行洞的施工对先行洞的影响是一个过程量，在施工经过时增值较大，说明此时左右洞之间的相互影响强烈，可能后行洞施工对先行洞造成了强烈的挤压、剪切和拉伸作用.当后行洞施工掌子面距离监测点越来越远时，影响量减小，且土体有回弹的现象，且回弹量小于沉降量，见Z1-3-1'增值曲线，施工最近点的沉降量增值为2.9 mm，而距离最远的监测点5为0.6 mm.

横坐标1-5分别表示监测点C64、Z11、C74、Z12、C84图4 Z1监测线数据对比分析Fig.4 Comparison and analysis of Z1 monitoring data

横坐标1-5分别表示监测点C64、Z11、C74、Z12、C84图5 Z1监测点沉降量增值对比Fig.5 Comparison of the value added ofZ1 monitoring points

4.2 交互影响的横向沉降监测值对比分析

1)从图6可知，先行洞施工对后行洞产生了较大影响，使得后行左洞地表横向沉降量增加.对比先行洞到达C6与后行洞到达C6的监测点C63(图中监测点3)的沉降量可知，由-4.1 mm变为了-7.9 mm，后行洞施工的地表沉降量增加了3.8 mm.

2)从图6可知，后行洞施工对先行洞产生了影响，后行洞施工使得地表横向沉降量增加.对比后行洞到达C7与先行洞到达C7的监测点C61可知，沉降量分别为-3.6 mm与-0.4 mm，增加了3.2 mm.

3)从图6可知，对于先行洞到达C6，随着距离施工面由近到远，沉降量逐渐减小，对比监测点C66与C61可知，沉降量减少了5.7 mm，说明当先行洞到达C6时(监测点C66)，其沉降量是最大的，而经过后，其沉降量有慢慢减小的现象；对于后行洞，随着距离施工面由近到远，在先行洞的影响下，沉降量逐渐减小.对比后行洞到达C8的监测点C63与C61的沉降量可知，其沉降量为-6.8 mm与-3.1 mm，减小了3.7 mm.

4)从图6可以看出，根据先行洞到达C6、C7、C8与后行洞到达C6、C7、C8的监测曲线的曲率半径可知，后行洞施工较先行洞施工后的影响范围增大，说明双洞施工比单洞施工对土体的扰动范围大.

5)从图7可知，后行洞对先行洞施工的不同施工步的增值曲线基本一致，见图中的3条曲线的起伏状况.后行左洞第1步与先行右洞第3步施工的横向沉降量做减法，得到C8-C6'增值；后行左洞第2步与先行右洞第3步施工的横向沉降量做减法，得到C8-C7'增值；后行左洞第3步与先行右洞第3步施工的横向沉降量做减法，得到C8-C8'增值.几条增值曲线的起伏变化规律较一致，且随着后行洞施工步的进行其增值也在减小(对比C8-C8'增值曲线与C8-C6'增值曲线的监测点C61可知，增值由-0.19 mm变为-0.31 mm，减小了0.12 mm)，说明后行左洞的施工对先行洞的影响是一个时间过程量，在施工经过时较大，说明此时左右洞之间的相互影响强烈，可能后行洞施工对先行洞造成了强烈的挤压、剪切和拉伸作用.当后行右洞施工距离隧道越来越远时，影响量减小，且土体有回弹的现象.

横坐标1-7分别表示C6断面的监测点C61、C62、C63、C64、C65、C66、C67图6 C6监测线数据对比分析Fig.6 Comparison and analysis of C6 monitoring data

横坐标1-7分别表示C6断面的监测点C61、C62、C63、C64、C65、C66、C67图7 C6监测点沉降量增值对比Fig.7 Comparison of the value added of C6 monitoring points

6)从图7中可以看出，在接近后行洞的沉降量增值的变化过程也是一个随着施工步骤增加而减小的过程.对比曲线C8-C8'增值与C8-C6'增值的监测点C64可知，沉降量增值分别为6.5 mm与7.6 mm，减小了1.1 mm.

5 结论

后行洞施工对先行洞的影响规律，主要表现在以下几方面：

1)后行洞施工对先行洞的影响是一个过程(未到达时、经过时与通过后)，表现在纵、横向沉降曲线上，就是先行洞沉降量的先增大后减小并趋于稳定，说明先行洞周围土体的受力也是一个过程量，即受到挤压、挤压与剪切并存、拉伸的过程，沉降量也随之而改变.

2)针对后行洞施工对先行洞的影响过程(未到达时、经过时与通过后)，对比纵、横向沉降量，先行洞地表土体沉降速度经历了先增大和后减小的过程，说明先行洞地表土体在盾构施工通过后有回弹的现象，且沉降量的回弹值始终小于沉降值.

3)先行洞施工后形成的扰动圈，使得一定净距内的软土土质发生了变化，使得先行洞与后行洞的地表沉降值不同，即先行洞的沉降值大于后行洞的沉降值.

[1] JTGD70/2—2014,公路隧道设计规范[S].2014.

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(责任编辑：王兰英)

Analysis of surface subsidence rule for small clear distance tunnel’s shield construction in the soft soil layer

YU Li1，NIU Xiaoyan1,HE Jibin2,GUO Wei2

(1.College of Architecture and Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China;2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology，China Geological Survey，Baoding 071051，China)

In the soft soil layer，the analysis of the ground surface settlement in tunnel’s shield construction，it was of great significance to ensure the safe construction and control of ground settlement.Taking the soft soil layer of Suzhou Metro Line 4 as an example，according to the field condition and the monitoring section design，compared with the single hole and double hole construction of surface subsidence’s change law，the following conclusions were drawn: the influence of the tunnel construction of the second hole on the first hole was a process of extrusion，shearing and stretching，and surface subsidence were also increased or reduced；along with the second tunnel’s construction，the first hole’s vertical and lateral settlement of the ground surface increased first and then decreased；after the first hole construction，it formed a disturbance ring，so that the surface settlement of the second tunnel was always greater than the amount of the first hole settlement.

soft soil layer；small clear distance tunnel；shield construction；the surface subsidence

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.002

2015-12-27

河北省教育厅青年基金资助项目(QN2016252)； 河北大学中西部提升综合实力专项资金资助项目；国家自然科学基金资助项目(11502065)

余莉(1985—)，女，四川安县人，河北大学讲师，博士，主要从事岩土工程、地下建筑工程方面的研究. E-mail：964630415@qq.com

牛晓燕(1979—)，女，河北沙河人，河北大学副教授，博士，主要从事弹性力学研究.E-mail:xiaoyan2002@163.com

U456

A

1000-1565(2016)05-0455-07