填海区复杂地层双盾构隧道地表沉降研究

周长永，韩美勇，袁 竟

（中铁十四局集团隧道工程有限公司 济南250013）

0 引言

地铁施工是为了解决城市的交通问题，但盾构机施工过程中，难免会对周围土体产生影响，从而引起地表隆起或者沉降，据此，国内外的大量学者都对此做了大量的研究，刘洪洲等人[1]、丛恩伟等人[2]、王敏强等人[3]以北京地铁工程为例，分析了盾构施工对地表沉降的影响，得到了地表沉降量和引起地表沉降因素之间的关系，其主要表现有以下几方面：⑴盾构法施工会对地表造成扰动，地表在一定的扰动范围内会发生横向和纵向的位移；⑵在相同的施工条件下，地层强度越弱，盾构施工引起的地层扰动范围和程度越大，在级配较差的砂性土层中施工引起的地表沉降量要大于粘性土和粉土中的沉降量；⑶同步注浆能够抑制地表变形，当注浆量达到一定程度时，地表沉降会趋于稳定，不再变化。刘招伟等人[4]、张子新等人[5]对广州地铁隧道施工过程进行了现场监测，根据监测数据总结出了地表沉降变化规律，并分析了地铁隧道开挖对软弱地层造成的二次扰动。高俊强等人[6]、孙统立等人[7]通过对上海某盾构隧道进行实时监测，得出了隧道开挖方向和竖直方向上的土体沉降变化规律。周文波[8]认为盾构机施工过程中会造成土体扰动，引起地层运动，从而产生地表沉降，而盾构法施工引起地表沉降因素主要与地层损失以及土体的固结沉降有关。Peck[9]在对大量隧道开挖地表沉降的实测数据进行分析的基础上，系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法和相应的计算公式，其计算结果表明隧道开挖所引起的地表沉降曲线大致遵循正态分布。王丁杰等人[10]结合广州某综合管廊的工程实例，从盾构法应对复杂地质的技术难点、地面沉降的控制等方面阐述了盾构法在综合管廊建设中的可行性和适用性。冯健璋[11]以广州轨道交通某区间下穿城市公路及桥梁工程为背景，通过现场监测数据和数值模拟手段，对注浆加固前后地层的沉降情况进行研究，结果表明盾构施工引起的路基最大沉降发生在开挖隧道上方且略滞后于开挖面。

综上所述，目前对盾构法施工引起的地表沉降的研究相对较为成熟，目前，对盾构法施工引起的地表沉降的分析方法主要包括：经验公式法、解析法、理论分析法、数值分析法、现场实测法、和模型试验法[12]等。但是对于填海区复杂地层情况下盾构法施工引起的地表沉降，目前并没有进行系统的研究，不少研究成果都无法应用到填海地区的工程实际中。因此，本文以深圳国际会展中心配套市政项目区间盾构施工为背景，通过软件模拟盾构施工过程，结合监测数据对比分析，试给出填海地区复杂地层下土压平衡盾构机施工引起的地表沉降规律，为本工程的施工和相似工程提供依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

深圳国际会展中心配套市政项目区间线路位于空港新城内，区间工程沿线主要为待开发用地，在重庆路站东侧现状主要为厂房，该段线路主要沿规划路展览大道敷设，道路红线宽50 m。线路自机重区间中间风井开始，出中间风井向西北穿越填海空地，然后穿过虾山涌、灶下涌、坳劲涌三个河涌后，穿越福州大道，到达重庆路后，在重庆路与福园二路路交叉口西侧设重庆路站（见图1）。本区段场地地势平坦，地面高程多在3.0～7.0 m，隧道轨面埋深为16～28.5 m。中间风井-重庆路站右线起讫里程：YDK43+434.126～YDK45+201.690（长1 767.564 m）；中间风井-重庆路站左线起讫里程：ZDK43+432.917～ZDK45+200.522（长1 767.605 m）。区间工程采用盾构法施工，隧道管片外径为6.7 m，线间距12.0～17.5 m。盾构由中间风井双线双向始发，分别在重庆路站和吊出井位置接收。

图1 区间隧道布置图Fig.1 Arrangement of Running Tunnel

1.2 本工程复杂地层的特点

本工程区间隧道处于填海地区，盾构隧道需穿多种复杂地层，所穿越的区域受雨水影响，地下水量丰盛，施工难度大。本工程复杂地层的特点主要表现在以下四个方面：

⑴多样性：地下土层和岩层种类众多，区间隧道穿越的地层主要为：①可塑状砂质粘性土、②硬塑状砂质粘性土、③粉质粘土、④3-3粉细砂、⑤土状强风化混合花岗岩、⑥块状强风化混合花岗岩。

⑵差异性：各类地层风化程度和单轴抗压强度相差甚远，从基本无强度的第四系全新统海相沉积（Q4m）淤泥（质）土到强度很高的燕山期微风化花岗岩和石英均有分布。

⑶不均匀性：隧道部分地区需穿越上软下硬地层，且地层中存在少量微风化花岗岩孤石。

⑷富水性：盾构穿越地区受潮汐及河涌影响，地下水丰富，水量较大。

2 地表沉降影响因素分析

盾构施工过程中引起的地表沉降与诸多因素有关，国内外大量学者通过对大量的盾构施工过程以及现场实测数据进行研究和分析，总结归纳出了影响地表沉降的主要因素包括：土体剪切破坏引起土体重塑固结、盾构施工对周围地层扰动引起地层应力释放、土体水压力的变化引起孔隙水再平衡、盾构机与地铁管片之间的间隙等[13-16]。本文拟从地层损失、地层扰动以及固结沉降三个主要因素作具体分析：

⑴地层损失。在开挖土体之前，土体存在原始应力，在隧道衬砌脱出盾尾时，需要同步压浆，如果向隧道外的空隙压浆不及时，或者压浆量不足，就会对扰动周围土体，引起地层损失从而引起沉降。

⑵地层扰动。在盾构机推进过程中，盾构机推进时其外壳与地层之间产生的摩擦力，土体在摩擦力作用下会形成一个滑动面。靠近滑动面的土体会产生剪切力，从而引起土体的变形和破坏，这种扰动使土产生沉降或滑移，造成地面沉降。

⑶固结沉降。由于盾构机推进中的挤压作用和盾尾的压浆作用等，使得周围土层形成超空隙水压力，施工后注浆消散复原。土层因空隙水压力变化而引起的地面沉降（主固结沉降），同时土体被扰动后，土体骨架还会随着时间的推移发生持续的压缩变形从而引起地面沉降（次固结沉降）。

归纳来看，地层损失以及地层扰动所引起的地表沉降，是由于盾构机外壳和土体之间的相互作用从而导致土体位移场和应力状态发生了改变，这种情形下引起的地表沉降大都会在盾构施工时呈现出来。而固结引起的地表沉降，其主要发生在盾构施工之后，一般来说，固结在不同的土体中发生的时间不同，在砂性土中固结呈现较快，但在粘性土中则需要较长时间。因此，数值计算的重点应针对盾构掘进期间的力学行为，通过全过程数值模拟，直接得到因地层损失和隧道开挖应力释放引起的地表沉降。

3 数值分析

3.1 有限元模型的基本假定

为了能够合理模拟盾构机施工过程，在进行数值计算时，作出如下假定：

⑴ 假设隧道所处的土体均为弹塑性，同一层土体为各向同性材料，土体的本构模型符合摩尔-库仑准则，且地表面以及各土层呈匀质水平层状分布；

⑵假设地铁隧道管片为线弹性材料、管片之间螺栓连接简化为为刚性连接；

⑶假设盾构施工过程中每次进尺长度均等于管片宽度（1.5 m）；

⑷假设初始地应力计算不考虑岩体的构造应力，只考虑岩体的自重应力；

⑸计算中忽略地下水的渗透作用和土体的固结和蠕变作用，假定土体的变形不随时间的变化而变化。

3.2 模型计算边界及网格划分

本工程区间段ZDK43+570～ZDK43+630隧道处地层较为复杂，且受周围建筑物影响小，故选该里程段作为施工模拟对象，建模时模型沿隧道掘进方向取90 m，计算宽度取60 m，隧道埋深取22 m，计算深度方向取54 m，地层情况根据本段地址勘察资料取值。根据工程实际，盾构机外径6.98 m，管片外径取6.7 m，即盾尾空隙14 cm，管片每环长1.5 m，厚35 cm，混凝土管片采用线弹性模型，考虑管片接头对管片结构刚度的影响，把管片结构刚度折减0.3，故管片结构的弹性模量取为26.8 MPa。对模型约束时选取位移边界条件，设定模型上表面为自由边界，限制模型的两侧面的水平移动，模型底部设定为固定边界。对有限元模型进行网格划分后如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model

3.3 模型计算采用的地层和材料参数

本模型采用的地层和材料参数如表1所示。

3.4 有限元计算过程

本文利用有限元方法的基本原理，借助有限元软件Midas-GT/NX的施工阶段助手来模拟盾构掘进过程。在进行模拟盾构隧道的计算时，隧道沿掘进方向进尺，按以下施工步骤进行模拟施工：

第一步，假设左线隧道先行施工，钝化左线隧道第一环以模拟其开挖。

第二步，模拟右线隧道第1环的开挖时，激活左线隧道第一环管片，向盾体周围的土体施加的径向应力，其值等于注浆压力。

表1 建模采用的地层及材料参数Tab.1 Strata and Material Parameters Used for Modeling

第三步，模拟左线隧道第2环的开挖时，钝化左线隧道第1环。同时激活右线隧道第1环管片，并向盾体周围的土体施加与注浆压力相等的径向应力。

……

按照以上步骤往复循环，即开挖下一段隧道的同时对上一步已开挖的隧道段模拟添加管片和注浆压力。如此反复循环直至开挖完成右线隧道最后一环，并对最后一段隧道模拟施加管片和注浆压力，整个盾构隧道推进的模拟过程不断循环进行，直到隧道最后一环施工完成。此时，地层的应力将由隧道的管片承受，整个模拟过程中，岩土体和同步注浆本构模型采取摩尔一库伦模型，盾构机外壳采取平面板单元线弹性模型，隧道管片采取板单元、弹性模型。

3.5 计算结果分析

考虑到模型计算长度有限，为了能够更好地反映地表沉降随时间的变化规律，考虑到填海地区地层的复杂性和隧道的埋深情况，结合实际工程情况，本文选取ZDK43+570断面，通过计算，得出该断面在左线第一环开挖时、右线第一环开挖时以及左右线均开挖完成时的沉降量，分别如图3a、b、c所示。

利用Midas-GTS提取各开挖阶段的地表纵向位移值，绘制出ZDK43+570断面在不同开挖阶段的竖向位移曲线，如图4所示。

根据有限元计算结果可知，随着盾构的推进，地表发生了沉降，其中隧道拱顶处地表的沉降量最大，离隧道越远，地表的沉降量越小，同时，地表纵向沉降随着盾构的推进是逐步增大的。

4 现场监测方案

为了验证有限元分析的正确性，本文拟结合现场监测方案来进行验证，本工程沿线路长度方向每隔30 m设置一个横向监测断面，过既有建筑物时加密到每10 m一断面，横断面监测范围为隧道开挖影响范围之内，每断面根据隧道埋深的不同设置15～17个测点，测点平面布置图如图5所示。按照规范规定，隧道施工引起的地表位移均应控制在允许的范围内，一般情况下，隆起值及沉降量宜控制在+10～-30 mm。

图3 位移及应力云图Fig.3 Cloud Charts of Displacement and Stress

图4 ZDK43+570断面地表沉降曲线拟合图Fig.4 Curve-fitting of Ground Surface Settlement in the Section of ZDK43+570

图5 地表沉降监测点布置图Fig.5 Monitoring Points Arrangement for Ground Surface Settlement

监测点采用徕卡DNA03电子水准仪进行监测，按照二等闭合水准线路观测，测点安装时将根据实际条件及监测方便，在道路两旁先用冲击钻在地表钻孔，然后放入沉降测点，测点采用φ18以上的螺纹钢筋，长800～1 000 mm半圆头钢筋制成。考虑到路面结构层会对监测效果造成影响，所有沉降观测点均埋设在土层内800 mm，并保持钢筋居中，周边填入细砂，顶部离地面低5 cm左右并做好标示及测点编号，再加盖保护，如图6所示。

根据工程的特性，选择与有限元模型对应的区间作为研究对象，共选取4个断面，此段隧道埋深基本相同，其里程分别为ZDK43+570、ZDK43+600、ZDK43+630、ZDK43+660。

图6 监测点埋设与保护方法示意Fig.6 A example for the Methods of Monitoring Points Embedding and Protection

为了便于研究，设定每个断面处的管片为第一环，结合现场实际施工情况，在每次量测后统计各测点本次沉降和累计沉降，并绘制地表沉降时程曲线，如图7所示。

对不同的断面在同等距离的监测沉降量进行比较，绘制地表沉降曲线，如图7e所示。

从图7a～图7c可知，在盾构机通过后，地表沉降量关于左右隧道中心线基本呈对称分布，并且，左右隧道的拱顶处沉降量最大，距离隧道越远，沉降量越小。随着盾构机继续向前推进，地表沉降曲线将继续增大，最后基本趋于稳定。由图7d可知，各监测断面的沉降曲线线型基本一致，各断面的沉降量在相同工况下的沉降量相差不大，因此监测结果具有一般规律，可认为在该地质条件和埋深情况下，盾构法施工时地表的沉降曲线仍然符合Peck公式。

将ZDK43+570断面有限元计算结果和监测结果进行对比，绘制出在不同开挖阶段的地表沉降曲线，如图7e所示。从图7f可以看出数值分析计算结果与现场实测数据相对比较相近，并且数值分析计算结果所反映的地表沉降随地面点位置的变化规律与现场实测数据基本吻合。结合实际工程施工，后期地表沉降监测表明，ZDK43+570～ZDK43+660断面后续的沉降量较小，基本趋于稳定，最大沉降量为27.3 mm，符合相关规范要求。

5 结论

⑴从数值分析结果可知，地表横向沉降最大值出现在两个隧道各自的中心线位置，并且数值分析的数值与实测值相差不大，这也表明本次数值模拟效果较好，结果较为准确，可以为后续工程的实施提供可靠的理论依据。

⑵在填海地区的复杂地层下，双线地铁隧道盾构施工引起的地表沉降分布曲线形态仍然符合经典Peck公式的计算结果：距离隧道中心线越远，盾构施工对土体扰动就越小，地表沉降表现就越不明显；反之，距离隧道中心线越近，则土体所受扰动越大，相应地，其地表沉降表现越明显。

图7 不同时刻沉降曲线Fig.7 Settlement Curve at Different Moments

⑶随着盾构机的推进，地表沉降量急剧增大，当盾构机的远离，其沉降量仍在逐渐增大，但沉降量的变化速率却逐渐变小，并且越接近拱顶这种规律越明显。