盾构隧道施工引起的土层分层沉降规律实测研究

韩 煊， 王 法， 雷崇红， 尹宏磊

(1. 北京市勘察设计研究院有限公司， 北京 100038； 2. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100068)



盾构隧道施工引起的土层分层沉降规律实测研究

韩 煊1， 王 法1， 雷崇红2， 尹宏磊1

(1. 北京市勘察设计研究院有限公司， 北京 100038； 2. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100068)

为了获得北京地区盾构隧道施工引起地层位移的实测资料，并分析不同布置下双线盾构隧道引起的沉降特征，以北京地铁8号线二期工程为依托，分别在双线盾构区间隧道的平行段和交叠段设置分层沉降监测断面，研究盾构施工引起的不同深度处地层沉降规律。分析表明： 北京典型地层不同深度的沉降槽曲线可用高斯分布来描述，沉降槽宽度随深度的增加不断减小； 不同深度处，盾构到达监测断面前、超过监测断面1倍埋深距离、后期沉降这3部分大致各占总沉降的1/3； 对于双线交叠盾构隧道，当先开挖下面的隧道再掘进上面的隧道时，沉降槽整体变深； 北京典型地层条件下(地下水位以上)，不同深度处沉降槽对应的地层损失率基本不变； 施工中，盾构停机会使地层损失率和沉降量明显增大。

地铁； 盾构； 交叠隧道； 沉降槽； 分层沉降； 沉降预测

0 引言

盾构隧道施工引起的地层位移不仅影响着道路和地表建筑物，还会影响甚至损坏地面以下的各种结构[1-3]，因此，对地层位移的研究具有非常重要的理论意义和实践价值。国内外关于盾构隧道施工引起地表位移的研究成果有很多[1-5]，但对地表以下地层的位移规律研究较少，特别是实测资料很少见，其主要原因是实测工作难度大且需要较高的资金投入，而目前的成果以理论推导为主[6-8]。

英国学者R. J. Mair等[5]根据在黏土中的一些实测资料(包括部分采用软黏土进行的离心机试验成果)，在地表位移预测的Peck公式基础上考虑了沉降槽宽度随深度的变化，由此得出预估地表以下地层竖向位移的方法；韩煊等[9]在Mair公式的基础上提出了修正计算公式，不仅可以考虑地表沉降槽宽度参数变化范围较大的情况，还适用于砂类土地层。但是，当时的研究工作主要基于国外的数据，缺乏国内第一手实测资料，成果在国内的适用性未得到验证；研究主要基于单线隧道或平行隧道的成果，没有考虑隧道不同布置形式对地层深层沉降规律的影响等。

本文以北京地铁8号线二期南段工程为依托，分别在双线盾构区间隧道的平行段和交叠段设置分层沉降监测断面，监测盾构推进过程中不同深度处的土体沉降情况，以获得系统完整的监测资料。通过对监测结果的分析，研究了双线盾构隧道布置形式(平行或交叠)对地层分层位移规律的影响，得到盾构推进不同阶段引起的沉降量，从而形成了对盾构施工引起的不同深度处地层沉降规律的较为完整的认识。这些成果对城市地铁施工中地下管线、地下既有建筑、既有地铁影响的风险分析和控制具有重要的意义。

1 盾构施工引起的分层沉降理论

R. J. Mair等[5]认为，地表下不同深度沉降槽曲线能够用高斯分布(即Peck公式)来描述，如图1所示，即：

(1)

式中:S为地层中某一深度处任一点的沉降值；Smax为该深度处沉降槽的最大值，位于沉降曲线的对称中心上(对应于隧道轴线位置)；x为从沉降曲线中心到所计算点的距离；i为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离，一般称为沉降槽宽度。

图1 地表和地表以下沉降槽的形态[5]

定义地层损失率(volume loss)Vl为单位长度的地表沉降槽的体积占隧道开挖的名义面积的百分比。对于不排水条件，地层损失率Vl与最大位移之间的关系可以通过对式(1)进行积分得到，即：

(2)

式中D为隧道直径。

地层损失率Vl主要与工程地质情况、水文地质情况、隧道施工方法、施工技术水平以及工程管理经验等因素有关[1]，因此,这个参数的取值依赖于地区经验。

韩煊等[10]基于部分国内外实测资料[11-12]所反映的规律，提出不论是砂类土还是黏性土，沉降槽宽度i和相对埋深(z/z0)的关系基本符合以下规律：

i=K(z)·(z0-az);

(3)

K(z)=ηdK;

(4)

(5)

式(3)—(5)中：K为沉降槽宽度参数(trough width parameter)，主要取决于土性；ηd为归一化的沉降槽宽度修正系数；a为考虑地层土质情况的参数，取0～1,对于黏性土，当没有地区经验时可取0.65，对砂类土可取0.50。

2 分层沉降监测方案

北京城区为典型的冲洪积扇平原。其中各大河流冲洪积扇顶部及上部以厚层砂土和卵、砾石地层为主；冲洪积扇中部的地层过渡为黏性土、粉土与砂土、卵砾石土互层；冲洪积扇中下部以及冲积平原区以厚层黏性土、粉土为主，层中分布有砂土层。

北京地铁8号线二期南段工程是一条基本沿北京旧城南北向中轴线布置的一条穿越北京老旧核心城区的地铁工程，沿线为典型的冲洪积扇中部粗、细颗粒土互层的地层，同时周围环境非常复杂。其中，土的分层沉降监测点布置于鼓楼—什刹海区间(以下简称鼓什区间)、什刹海—南锣鼓巷区间(以下简称什南区间)。为保证监测精度，采用分层沉降标进行分层沉降监测工作。两区间隧道直径6.30 m，均采用日本小松公司生产的面板式盾构施工，刀盘直径6.27 m，盾尾直径6.24 m，主机长9.05 m。

2.1 分层沉降监测点位设计

鼓什区间双线隧道为平行布置，左线隧道先行施工，拱顶埋深约15.7 m；右线隧道后施工，拱顶埋深约16.7 m。掌子面地层情况为⑤8卵石层、⑥粉质黏土层和⑧4细砂层。鼓什区间分层沉降标设3组，分别布置于右线隧道中心线正上方及距右线隧道外轮廓西侧1 m和5 m的位置，见图2。每组分层沉降标监测3个不同深度处的土层沉降，对应埋深约为6、10、13 m，见图3。

什南区间监测断面处隧道为双线隧道竖向交叠布置。隧道开挖方向均为自西向东开挖，开挖顺序为先施工较深的右线隧道，后施工较浅的左线隧道。交叠段范围内，区间左线隧道拱顶埋深11.6～14.8 m，右线隧道拱顶埋深20.0～22.8 m，双线隧道竖向净距2.0～2.7 m。

图2 鼓什区间分层沉降标平面布置方案

Fig. 2 Plan of layout of layered monitoring of ground settlement of Gulou-Shichahai Section

图3 鼓什区间分层沉降标与隧道相对位置关系

Fig. 3 Relationships between layered monitoring of ground settlement and shield tunnel on Gulou-Shichahai Section

什南区间分层沉降标设3组，分别布置于交叠隧道中心线正上方及隧道外轮廓南侧1 m和5 m的位置，见图4和图5。监测断面处右线隧道(即埋深较深的隧道)拱顶埋深约22.8 m，左线隧道拱顶埋深约14.6 m。每组分层沉降标监测3个不同深度处的土层沉降，对应埋深约为4、8、12 m。

图4 什南区间分层沉降标平面布置方案

Fig. 4 Plan of layout of layered monitoring of ground settlement of Shichahai-Nanluoguxiang Section

图5 什南区间分层沉降标与隧道相对位置关系

Fig. 5 Relationships between layered monitoring of ground settlement and shield tunnel on Shichahai-Nanluoguxiang Section

2.2 分层沉降监测频率及现场监测工况

鼓什区间分层监测从2012年7月3日11：00开始进行首次监测，此时盾构掌子面距离监测断面15.6 m，由于施工速度很快，当天22：00即距离监测断面仅1.2 m；从7月4日开始，盾构掌子面通过监测断面仅2～3环位置，即因故停机，直至7月6日恢复，随后又以较快的速度掘进，直至贯通。鼓什区间分层沉降监测工况见表1。

表1 分层沉降监测工况(鼓什区间)(2012年)

Table 1 Ground settlement layered monitoring of Gulou-Shichahai Section (in 2012)

监测日期监测时间掌子面距监测断面距离/m7月3日11:00—12:00-15.67月3日22:00—23:00-1.27月4日02:00—03:00 1.27月4日12:00—13:00 2.47月4日14:00—15:00 3.6(停机)7月5日02:00—03:00 3.6(停机)7月5日09:00—10:00 3.6(停机)7月6日11:00—12:00 4.8(恢复)7月7日 —39.67月9日11:00—12:0082.8

什南区间右线隧道于2012年7月2日实现洞通；左线隧道于2012年8月13日开始掘进，于11月8日开始监测，此时距离监测断面有近300 m，然后以每天10 m以上的速度掘进，12月12日到达监测断面，12月13日通过断面3.6 m，但于12月14日开始停机，此时通过监测断面6 m，直至12月22日才恢复掘进，24日实现洞通。什南区间左线分层沉降监测工况见表2。

表2 分层沉降监测工况(什南区间左线)(2012年)

Table 2 Ground settlement layered monitoring of Shichahai-Nanluoguxiang Section (in 2012)

监测日期掌子面距监测断面距离/m12月9日-19.212月10日-18.012月11日-4.812月12日(第1次)012月12日(第2次)3.612月13日3.612月14—22日6.0(停机)12月24日 隧道贯通

3 平行布置双线盾构施工引起的分层沉降规律

3.1 盾构施工引起不同深度地层沉降

依据8号线二期南段工程施工进度，分别对鼓什区间各个监测断面实测的分层沉降规律进行分析。图6为其中2012年7月6日测得的盾构施工引起鼓什区间监测断面的分层沉降情况。为了研究其内在规律，图6中同时给出了采用式(1)对监测数据的拟合曲线。从图6可以看到： 总体上各个深度地层位移均能够与Peck公式很好地拟合，即表明不同深度的地层沉降均满足正态分布曲线的基本规律；随着深度的增加，沉降槽逐步加深(最大沉降加大)、变窄(影响范围变小)；其他各个时间(施工进度)段的数据具有同样的规律。

图6 盾构施工引起不同深度地层沉降(鼓什区间)(2012年)

Fig. 6 Ground settlement in different depths induced by shield tunneling in Gulou-Shichahai Section (in 2012)

分析认为： 由于盾构掘进的影响形成了地层损失，拱顶上方土层向下位移，这种位移逐步向上传递，最终到达地面；由于土的剪切刚度的作用，在向上传递的过程中变形影响范围不断向两侧扩展，在地层损失率基本不变的情况下，中心点的最大沉降随深度的减小而逐渐减小。

3.2 不同深度地层沉降随盾构掘进的演变规律

图7—10为某一深度随开挖(时间)过程的实测沉降和采用式(1)拟合的结果，可以看到某一深度地层沉降随着盾构施工掘进的演变过程。从2012年7月3日开始监测，直至盾构洞通，各个深度地层位移基本都处于不断增大的状态，但在盾构停机时，由于盾构土压力的维持和调整以及背后注浆的影响，靠近隧道拱顶的较深层(埋深10 m和13 m处)的沉降会出现“先减小、再增大”的微小变化过程。

图7 地层沉降随开挖施工的变化(鼓什区间，地表)(2012年)

Fig. 7 Relationships between vertical ground surface settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section and in 2012)

图8 地层沉降随开挖施工的变化(鼓什区间，6 m深处)(2012年)

Fig. 8 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section, buried depth of 6 m and in 2012)

图9 地层沉降随开挖施工的变化(鼓什区间，10 m深处)(2012年)

Fig. 9 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section, buried depth of 10 m and in 2012)

图10 地层沉降随开挖施工的变化(鼓什区间，13 m深处)(2012年)

Fig. 10 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section, buried depth of 13 m and in 2012)

图11是隧道中心线正上方不同深度沉降(即沉降曲线中心点最大值)随盾构掌子面推进的变化过程。可见： 随着盾构靠近监测断面，各测点的沉降均迅速增大，特别是在通过掌子面前后5～10 m，沉降增加较快，随后沉降速度放缓；后期进一步产生的沉降是不容忽视的。

图11 各测点沉降随盾构施工进度的变化过程(鼓什区间)

Fig. 11 Relationships between ground settlements with different depths and distances between working face and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section)

结合具体监测数据，对于北京地区上述典型地层条件，盾构到达监测断面、超过监测断面1倍埋深距离、后期沉降这3部分沉降大致各占总沉降的1/3。

3.3 盾构施工引起不同深度地层沉降槽拟合规律

如前所述，各个深度地层沉降符合式(1)所描述的分布规律(正态分布规律)，表3为数据拟合得到的参数(参见式(1)—(5))，可以进一步分析不同深度沉降槽宽度和地层损失率的变化规律(为节省篇幅，仅给出一部分数据)。

图12为沉降槽宽度参数ηd随深度的变化规律，可见各种工况下，ηd都随深度的增加而增大，且基本符合式(5)，其中参数a=0.5。

关于不同深度地层沉降槽的地层损失率，有学者曾经分析过各种可能的变化，即随深度地层损失可能增加、减小或不变，这主要和地层的土性(黏性土或无黏性土)、密实程度(密实或松散)、地下水条件(是否存在固结)等有关。由表1可知，对于本工程的地层条件，在各个工况下，不同深度沉降槽地层损失率基本相同，可认为是常数。

表3 分层沉降监测数据分析结果(鼓什区间)(2012年)

图12 沉降槽宽度参数ηd随深度的变化规律(鼓什区间)(2012年)

Fig. 12 Relationships between width of settlement grooveηdand ground depths (Gulou-Shichahai Section and in 2012)

图13为沉降槽地层损失率(取各个深度的平均值)随盾构施工掘进的变化规律。可以看出，随着盾构的掘进，地层损失率不断增大。特别需要注意的是，在盾构停机期间，地层损失率在不断增大，由停机前的0.24%增大至0.30%左右，增加了约25%。由此可见，盾构停机对地层沉降的控制是很不利的。

4 交叠盾构施工引起的分层沉降规律

什南区间盾构为交叠布置，这里主要分析右线洞通后，左线施工期间监测到的分层沉降规律。其中深度为8 m的监测点仅取到1个测点值，难以分析沉降槽规律，因此主要分析深度为4 m和12 m时的沉降规律。由于交叠隧道的影响，什南区间的分层沉降规律呈现出与前文中平行布置的隧道既类似又有不同的特征。

图13 地层损失率随盾构施工掘进的变化规律(鼓什区间)

Fig. 13 Relationships between ground losses and distances between working face and monitoring cross-section (Gulou-Shichahai Section)

4.1 盾构施工引起不同深度地层沉降

图14为2012年12月25日测得的分层沉降情况(为节省篇幅，仅给出了其中部分数据)，同样采用Peck公式对监测数据进行拟合。总体来看，各个深度地层位移均与Peck公式能够很好地拟合，即表明不同深度的地层沉降均满足正态分布曲线的基本规律；同时，随着深度的增加，沉降槽逐步加深(最大沉降加大)、变窄(影响范围变小)。上述规律与鼓什区间监测断面反映的沉降特征基本相同，但是本监测断面较深层的监测点形成的沉降槽明显要窄而深得多(可以与鼓什区间进行对比)，这主要和左线隧道下已施工完毕的右线隧道产生的后期沉降叠加有直接关系。

图14 盾构施工引起不同深度地层沉降(什南区间)(2012年)

Fig. 14 Ground settlement in different depths induced by shield tunneling in Shichahai-Nantongluoxiang Section (in 2012)

4.2 不同深度地层沉降随盾构掘进的演变规律

图15和图16分别是深度为4 m和12 m处的沉降槽随开挖(时间)过程的实测沉降和Peck公式模拟结果。同样，从2012年12月12日开始，直至盾构出井，各个深度地层位移基本都处于不断增大的状态。

图15 地层沉降随开挖施工的变化(什南区间，4 m深处)(2012年)

Fig. 15 Relationships between vertical ground surface settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section and in 2012)

图16 地层沉降随开挖施工的变化(什南区间，12 m深处)(2012年)

Fig. 16 Relationships between vertical ground settlement and distance between shield and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section, buried depth of 12 m and in 2012)

对比图15和图16可以看出，深度4 m处和12 m处的沉降槽有较大的不同，即4 m处沉降槽基本上是缓慢的发展演化过程(2012年12月12日最大沉降为13.50 mm，12月13日为14.28 mm)，而对于12 m处沉降槽，12月12日监测到的最大沉降为16.75 mm，12月13日则骤然增加到40.92 mm，这是十分反常的。根据施工记录可知，12月12—13日盾构处于停机状态。很有可能由于交叠双线隧道净距较小，且后建左线隧道处于卵石、圆砾土层中，土质松散，稳定性较差，在隧道拱顶产生砂土或卵石局部陷落，造成其上部土体沉降的骤然增大。

由图16可知，12 m深度处2012年12月13日最大沉降为40.92 mm，随后几天内由于注浆的作用，沉降不断回落减小，12月17日控制到28.26 mm，然后逐渐趋于稳定(见图17)。

图17 不同深度最大沉降随盾构施工进度的变化过程(什南区间)

Fig. 17 Relationships between maximum ground settlements with different depths and distances between working face and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section)

4.3 盾构施工引起不同深度地层沉降槽拟合参数规律

对于交叠盾构隧道监测断面，各个深度地层沉降与Peck公式反映的沉降分布规律(正态分布规律)吻合(见图14)。表4为监测数据拟合得到的修正Miar公式的参数(见式(1)—(5))。

表4 分层沉降监测数据分析结果(什南区间)(2012年)

Table 4 Analytical results of monitoring data measured at Shichahai-Nantongluoxiang Section in 2012

日期工况深度z/mz/z0Smax/mmKηdVl/%12月12日000.00(0.38)1.0040.2313.960.491.290.73120.6816.010.721.890.5612月15日600.00(0.38)1.00—40.2315.830.411.080.79120.6832.680.571.500.9312月21日600.00(0.38)1.00—40.2316.50.431.130.86120.6830.240.591.550.8912月25日贯通00.00(0.38)1.00—40.2317.940.461.210.98120.6829.360.641.680.93

注： 括号中数值为经验估计值。

图18为沉降槽宽度参数ηd随深度的变化规律，其中同时给出了式(5)所定义的曲线，其中参数a=0.5。由图18可知，本监测断面沉降槽宽度参数ηd虽然符合随深度增大而增大的基本规律，但类似于线性增大，与式(5)的结果差别较大。这主要是由于在左线隧道施工前，其正下方的右线隧道已经施工完毕，并在左线隧道施工期间产生一定的后期沉降(根据前面对鼓什区间的研究，后期沉降占相当的比例)；因此，左线施工引起的沉降与右线后期沉降叠加，使沉降槽整体变深，且深度越大，沉降槽受此因素影响越大，使ηd随深度的变化与式(5)反映的规律有所偏离。

图18 沉降槽宽度参数ηd随深度的变化规律(什南区间)(2012年)

Fig. 18 Relationships between width of settlement grooveηdand ground depths (Shichahai-Nantongluoxiang Section and in 2012)

图19进一步分析了深度为4 m和12 m的沉降槽地层损失率的变化规律。可以看出，由于交叠盾构的影响，同时由于监测断面距离盾构接收井很近，盾构即将出洞；因此，监测断面附近的盾构施工引起了较大的地层损失率(沉降)，最大接近1.2%，而鼓什区间最大仅0.4%左右，说明盾构出洞会造成较大的沉降。

图19 地层损失率随时间的变化规律(什南区间)(2012年)

Fig. 19 Relationships between ground losses and distances between working face and monitoring cross-section (Shichahai-Nantongluoxiang Section and in 2012)

同时，本监测断面不同深度地层损失率有较大的不同，特别是2012年12月12—17日盾构通过监测断面前后差异较大，这与鼓什区间的情况也存在不同。如前所述，12月13日12 m深度处沉降突然增大，随后逐渐回落减小。

5 结论与讨论

针对北京地铁盾构区间工程，开展了2个断面的分层沉降监测工作，分析了隧道平行布置、交叠布置2种情况下地层的分层沉降规律，可得到如下结论。

1)北京典型地层不同深度的沉降槽曲线可用高斯分布来描述，沉降槽宽度随深度的增加不断减小，沉降槽宽度参数随深度的增加不断增大。

2)对于北京地区上述典型地层条件，不同深度处，盾构到达监测断面、超过监测断面1倍埋深距离、后期沉降这3部分沉降大致各占总沉降的1/3。

3)单洞隧道或平行布置的隧道，沉降槽宽度修正系数符合韩煊等[10]提出的公式规律，但对于双线交叠盾构隧道，先开挖下面的隧道，再掘进上面的隧道时，沉降槽整体变深，且监测越靠近拱顶，沉降槽受此影响越大。

4)北京典型地层条件下(地下水位以上)，不同深度处沉降槽对应的地层损失率基本不变。盾构停机会引起地层损失率和沉降量的明显增大。

目前关于地表沉降规律的研究已相对成熟，但对于分层沉降规律还需要进一步开展深入的研究，特别是基于实测工作的沉降数据需要不断积累，才能在此基础上对隧道施工引起的周边建(构)筑物的影响进行合理的分析和评价。

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Study of Rules of Ground Layered Settlement Induced by Shield Tunneling

HAN Xuan1, WANG Fa1, LEI Chonghong2, YIN Honglei1
(1.BGIEngineeringConsultantsLtd.,Beijing100038,China; 2.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100068,China)

It is very important to learn the rules of ground settlement induced by shield tunneling in Beijing area. Ground settlement monitoring cross-sections are set on parallel section and overlapped section of double-line shield tunnel respectively, so as to study the rules of ground settlement induced by shield tunneling. The analytical results show that: 1) The curves of settlement groove in different depths of ground in Beijing area can be described by Gaussian distribution; the width of settlement groove decreases with the depth of ground increase. 2) The ground settlement before shield reaches monitoring cross-section,after shield reaches the point away from monitoring cross-section equals to tunnel buried depth and later ground settlement takes 1/3 of total settlement respectively. 3) For overlapped tunnel, the lower tunnel should be constructed firstly. 4) The relevant ground losses of settlement groove with different depths are almost the same. 5) Larger ground settlement would be induced by shield stop.

Metro; shield; overlapped tunnel; settlement groove; ground layered settlement; settlement prediction

2016-07-26;

2016-09-26

韩煊(1972—)，男，陕西西安人，1998年毕业于西安理工大学，岩土工程专业，博士，教授级高级工程师，主要从事岩土工程与地下工程的设计咨询与应用研究工作。E-mail： xuanhan2002@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.003

U 455.43

A

1672-741X(2017)04-0401-08