曲线平行双隧道施工引起的地表沉降规律分析

2019-03-26璩继立

上海理工大学学报 2019年1期

张雁，冯浩，璩继立

（1.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；2.同济大学土木工程学院，上海 200092）

隧道开挖时，开挖面附近土体受到扰动，围岩应力发生变化，使得围岩松动并向开挖面移动，引起地表沉降。盾构地铁区间隧道大多采用双孔平行形式，上下行隧道平行近距离先后开挖。在近距离情况下，两次开挖使周围土体扰动相互影响，可能造成比单隧道开挖更大的地表沉降。受城市规划、地表已有建筑等限制，曲线盾构隧道越来越多出现在城市地铁隧道中。为保护地表建筑和设施，预测和控制地表变形一直是工程界关注的重点。曲线盾构隧道由于施工时需要不断地超挖纠偏，引起的地表沉降不同于直线盾构隧道情况。因此，合理预测曲线盾构隧道引起的地表沉降显得尤为重要。

1969年，Peck[1]提出正态分布曲线模型，用以估算单线隧道引起的地表沉降规律。大量的工程案例表明Peck公式预测结果比较符合实测数据。对于近距离平行隧道施工，由于先、后行隧道前后施工的相互扰动影响，使得对地表沉降的预测更为复杂。目前一般认为双线隧道地表沉降槽与平行隧道的水平间距、埋深有关[2-12]。魏纲等[2]认为当双线隧道间距大于0.79隧道轴线覆土厚度时，横向地表沉降槽呈W形状；当双线隧道间距小于0.66倍隧道轴线覆土厚度时，两条隧道为近距离隧道，地表沉降槽符合正态分布。蒙晓莲[9]通过ANSYS软件模拟了不同曲线半径时单线隧道施工引起的地表沉降，发现开挖面的横向地表沉降槽关于隧道轴线明显不对称，曲线半径越小，地表最大沉降值越大。

目前，关于平行双隧道引起的地表沉降研究多为针对直线段隧道施工的情况，鲜有对曲线段施工工况下的研究。本文基于马来西亚MRT一期工程的实测数据，对不同曲线半径处的地表沉降槽进行研究，分析其地表沉降的特征。本文的研究成果可作为有益经验指导类似的工程建设。

1 工程概况

如图1所示，吉隆坡MRT项目一期北段工程为三马丹北港经吉隆坡中心站至市场中心站区间隧道，工程总长2 716 m。南北双线平行隧道采用土压平衡盾构施工，北线施工盾构为TBM1，南线施工盾构为TBM2。双线隧道中心轴距为13 m，平均覆土厚度约为13 m。隧道管片内径为5.8 m，管片厚度为275 mm，管片长度为1.4 m，采用5+2+1的单层钢纤维混凝土管片错缝拼装。转弯段采用楔形衬砌环与直线衬砌环的组合方式，即左转弯、右转弯楔形衬砌环和直线衬砌环。盾构机壳体长度为9.89 m，5.39 m处设铰接装置。刀盘直径6 670 mm，盾构外径6 630 mm、内径 6 490 mm。盾构机平均掘进速度为每天8环，北线较南线先行30 d始发。

图1 总平面图Fig.1 Site plan plot

根据地质钻孔资料（见图2），该施工段隧道主要处于风化的肯尼山残积土层之中。被风化的肯尼山构造复杂，地层多样化，软硬相间，大段地层包含着土石夹层或者岩土相间的地层。隧道掘进范围存在高度风化的石英岩、千枚岩、泥岩等岩体，岩石等级基本为4级，岩层节理裂隙发育，岩体强度大部分在30 MPa以内。风化的肯尼山残积土大致分为A，B，C这3类，土体力学性质见表1。表1中：N为标准贯入度值；γ为土体容重；E为土体弹性模量；c'为土体有效黏聚力；φ'为土体有效内摩擦角。本文研究的断面CH1+448，CH1+518和CH2+400，隧道主要穿越砂质粉土和砾质粉土，为A类土体；断面CH1+960，隧道主要穿越稍微断裂的石英岩，为C类土体。地下水位位于地面以下1～3 m，地层渗透系数为1.0×10–6～5.0×10–5m/s。

图2 地质剖面图Fig.2 Geological profile

表1 土体物理力学参数Tab.1 Physic-mechanical parameters of soils

2 观测面选取

隧道区间施工段含有多个曲线段，为监测隧道施工引起的地表沉降，沿隧道纵向布置了多个沉降观测面，沿沉降观测面布置了若干沉降观测点。为研究双线隧道施工引起的地表沉降与曲线半径的关系，本文选取4个位于不同半径曲线段的观测面作为研究对象。曲线段观测面里程及相应的曲线半径分别为 CH1+448（R=500 m）、CH1+518（R=400 m）、CH1+960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）。如图 3所示，以观测面CH1+518为例建立坐标系，x轴表示与南线隧道轴线的距离，则北线隧道轴线坐标为x=–13 m，z轴表示观测面的地表沉降量，地表隆起为正，沉降为负。垂直于双线隧道的绿色直线表示布置的观测面CH1+518，GSM1521～1528为布置在观测面上的地表沉降观测点。

3 盾构施工参数

盾构机的施工参数密切影响地表沉降，其中千斤顶速度、土仓压力和注浆量是主要影响地表沉降的因素。本文选取北线隧道盾构机TBM1和南线隧道盾构机TBM2，分别对通过各观测面时的施工参数进行了统计分析。其中，盾构机TBM1通过断面CH1+448的盾构施工参数数据缺失，另有少数环号部分盾构施工数据缺失，由于整体数据充分，这并不影响分析效果。

3.1 千斤顶速度

盾构机TBM1和TBM2通过各观测面时，千斤顶顶推速度如图4所示。由图4可知，盾构机TBM2 通过观测面 CH1+448（R=500 m）时，千斤顶平均速度为35 mm/min。盾构机TBM1通过观测面 CH1+518（R=400 m）时，千斤顶平均速度为35 mm/min；盾构机TBM2通过时速度较慢，从16 mm/min 逐渐加速，平均速度为 25 mm/min。盾构机 TBM1和 TBM2通过观测面 CH1+1 960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）时，千斤顶速度比较稳定，平均速度分别为 37 mm/min 和 33 mm/min，40 mm/min 和 31 mm/min。

图4 盾构机通过各观测面的千斤顶速度Fig.4 Variation of the advancing speed of jacks at monitoring sections

3.2 土仓压力值

盾构机TBM1和TBM2通过各观测面时，土仓压力如图5所示。由图5可知，盾构机TBM2通过 CH1+448（R=500 m）时，土仓压力平均值为108 kPa。盾构机 TBM1 通过 CH1+518（R=400 m）时，土仓压力由100 kPa提高到160 kPa，平均为109 kPa；而盾构机TBM2通过该观测面时，土仓压力值比较稳定，基本维持在100 kPa，比盾构机TBM1低了 60 kPa。盾构机 TBM1和 TBM2通过观测面 CH1+1 960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）时，平均土仓压力分别为 155，165，178，205 kPa。

3.3 注浆量

同步注浆采用双液浆，由4个注浆孔注入。盾构机TBM1和TBM2通过各观测面时，注浆量如图6所示。由图6可知，盾构机TBM2通过断面 CH1+448（R=500 m）时，注浆量平均值为 4.7 m3。

盾构机TBM1和TBM2分别通过断面CH1+518（R=400 m）时，注浆量平均为 5.0 m3和 5.3 m3。盾构机 TBM1和 TBM2通过观测面 CH1+1 960（R=700 m）和 CH2+400（R=300 m）时，平均注浆量分别为5.4 m3和4.6 m3，5.4 m3和4.7 m3，5.3 m3和5.5 m3。

图6 盾构机通过各观测面的注浆量Fig.6 Variation of the grouting volume at monitoring sections

4 地表沉降

4.1 先行线盾构引起的地表沉降规律

北线盾构机TBM1通过观测面5 d后地表沉降趋于稳定，通过观测面20 d后的地表沉降已经稳定，如图7所示。由图7可知，曲线盾构施工引起地表沉降槽与高斯拟合曲线有差异，图7（a），（b）有不对称现象，图 7（c），（d）基本与高斯曲线吻合。盾构直线推进时，千斤顶力均匀分布，沉降槽为对称的高斯分布。当盾构曲线推进时，曲线外侧的顶力大于内侧顶力，外侧顶力的侧向分量使得曲线外侧土体有隆起趋势，曲线内侧的土体比曲线外侧的土体沉降大。盾构通过后，曲线外侧隆起的土体逐渐下沉，但是曲线内侧土体沉降仍然大于曲线外侧土体，造成地表沉降槽不对称。曲线两侧的顶力差越大，地表沉降槽不对称现象越明显。如图7（a）所示，位于北线隧道内侧3.5 m 处（x=–9.5 m）沉降值为–3.4 mm，大于位于曲线外侧 3.5 m 处（x=–16.5 m）的沉降值–2.04 mm。

位于不同曲线半径处的观测面，实测最大沉降位置都位于北线隧道中线处，即x=–13 m处。根据高斯拟合曲线，各观测面最大沉降位置也位于北线隧道中线附近，往曲线内侧略有偏移。

盾构机TBM1通过观测面CH1+960（R=700 m）时，最大地表沉降量为–6.43 mm；通过观测面CH1+518（R=400 m）时，最大地表沉降量为–10.83 mm；通过观测面CH2+400（R=300 m）时，最大地表沉降量增加到–13.91 mm。可见，地表沉降最大值有随曲线半径减小而增大的趋势。相比直线段隧道，曲线隧道的曲线半径越小，超挖量越大，盾尾间隙越大，在其他施工条件相同时引起的地表沉降量越大。

图7 TBM1通过后观测面地表沉降槽Fig.7 Surface settlement profiles after TBM1 passing through

TBM1 通过观测面 CH1+960（R=700 m）后注浆量约为 5.6 m3，最大地表沉降为–6.43 mm；通过观测面 CH2+400（R=300 m）后注浆量偏少，约为5.0 m3，最大地表沉降为–13.91 mm。盾构在小半径曲线掘进时会产生超挖，此时应适度增加注浆量以减少地表沉降。

4.2 后行盾构引起的地表沉降规律

南线盾构机TBM2通过观测面时引起地表再次发生沉降，约20 d后地面变形基本稳定，如图8所示。由图8可知，对于覆土厚度H为13 m、轴线距离L为 13 m的曲线双隧道，在南线盾构机TBM2通过后，不同半径曲线处的观测面地表沉降槽，与直线双隧道引起的地表沉降类似，均为对称的高斯分布，呈“V”形。由4.1可知，当先行线通过观测面后引起的最大沉降在该隧道轴线上方，而曲线内侧的后行隧道施工将主要引起先行线内侧地表继续发生沉降。两条隧道轴线中间区域土体在前、后行隧道施工主要影响范围交叠处受到的扰动最大。近距离平行双隧道的施工条件比较类似，使得先、后两次扰动产生的地表最大沉降基本位于两隧道轴线的中线位置。

除观测面CH1+518（R=400 m）最大沉降值位于南线隧道轴线上方外，即x=0 m处，其他观测面的最大沉降值都位于南、北双线的中线位置，即x=–6.5 m处。由于盾构机TBM2通过断面CH1+518时土仓压力为 89 kPa，比 TBM1 通过时的 157 kPa 小 68 kPa。土仓压力设置过小导致盾构到达观测面前，南线轴线上方土体沉降突然增大7 mm，盾构通过时土体继续急剧沉降到–23.28 mm。可见，若在正常施工情况下，观测面CH1+518（R=500 m）的最大地表沉降值也应为双线中线位置。实际上，土仓压力设置也不应过大，当盾构机TBM1到达观测面CH2+400（R=300 m）时，土仓压力为 183 kPa，引起南线轴线上方土体隆起1.74 mm；当盾构机TBM2再次到达时，土仓压力为205 kPa，引起南线轴线上方土体先隆起1.3 mm，通过后再发生6 mm沉降。

图8 TBM2通过后的观测面地表沉降槽Fig.8 Surface settlement profiles after TBM2 passing through

对比图8（b）和图 7（d）可知，当盾构机 TBM2通过观测面CH1+518（R=500 m）时，千斤顶速度约为 30 mm/min，引起的地表最大沉降为–29.92 mm；而当盾构机TBM1通过观测面CH2+400（R=300 m）时，千斤顶速度约为40 mm/min，引起的地表最大沉降为–13.91 mm。可见，对于本工程中的小半径曲线隧道，降低千斤顶速度对减小地表沉降影响不大。图 8（c）观测面 CH1+960（R=700 m）最大沉降值为–11.83 mm，图 8（b）观测面 CH1+518（R=400 m）处，最大沉降值为–30.84 mm；图 8（d）观测面CH2+400（R=300 m）处，最大沉降值为–27.5 mm。由此可知，随着曲线半径减小，曲线双隧道引起的最大沉降值随之增大。