软土灰岩复合地层盾构隧道施工地表沉降规律研究

孙成伟 范 雨 姚旭朋

1.广州地铁集团有限公司 广东 广州 510330； 2.同济大学 上海 200092

随着我国城市建设的快速发展和城市交通系统的完善，地铁建设成为了城市地下空间开发的重要部分。在地铁盾构隧道建设过程中，由于工程地质和掘进过程控制的影响，隧道施工将会对周围的岩土体造成一定扰动，使得隧道周围的岩土体场产生变形。当盾构施工扰动过大时会导致过大的地表沉降，危及隧道周边建筑物和道路安全，引起一系列的工程环境问题[1-2]。系统分析盾构法隧道施工造成的地面沉降规律，对有效预测与控制地层扰动对地面及周边建筑物的影响具有重要的指导作用。

目前，针对隧道施工过程中的地表和建筑物沉降规律研究成果较多，主要方法为经验公式法、理论分析法、数值模拟以及模型试验法。垂直于隧道轴线的横向沉降经验公式有Peck[3]基于大量监测数据提出的Peck公式；国内陈春来等[4]、韩煊等[5]和姚爱军等[6]根据我国不同地层条件的监测数据对Peck公式进行了修正，提出Peck公式的修正系数，提高了Peck公式的运用范围。在理论分析法中，Sagaseta[7]、魏纲等[8]和刘建航等[9]基于流动法则的弹性半空间解，利用镜像法建立了地表沉降的预测模型。对于复杂施工环境下隧道开挖引发沉降的分析，数值模拟法较为有效，孙钧等[10]、陶龙光等[11]和郭乐[12]采用数值模拟对多个隧道工程实例进行了地表沉降和影响因素分析。在模型试验中，刘纪峰等[13]利用大型三维模型试验对水土耦合的地基地表沉降进行了研究，孙兵等[14]利用离心机对双孔隧道地表位移进行了定量分析

本文的研究对象所处的广州地区分布有大范围的上软下硬地层，地铁8号线盾构隧道穿越的土层有较软的砂土、黏土层，较硬的灰岩层以及软硬复合式土层。隧道施工影响范围的地层性质及分布较为特殊，有必要对该类地层中盾构隧道施工引发的地表沉降进行研究。

本文依托广州地铁8号线石井站—亭岗站区间盾构隧道周边地表实测数据，对盾构施工时地层的主要影响范围、地表沉降随盾构掘进的发展规律及其影响因素进行分析，并把盾构隧道在穿越复杂地形条件下的横向和纵向沉降发展的实测数据与相应的沉降预测理论进行比较与评价分析，以期对类似穿越地层的盾构施工沉降预测和施工控制提供参考和依据。

1 隧道穿越地层分布

广州地铁8号线石井站—亭岗站区间（下称“石—亭区间”）沿线地层条件多变，隧道将依次穿越软土地层、砂层、上软下硬复合层及全断面岩层和溶洞区域，如图1所示。盾构在富水地层中掘进同时将下穿河涌地段，盾尾易出现漏水、漏砂等情况，造成地面较大沉降，严重影响道路和建筑物安全。隧道外径6.0 m，开挖直径6.3 m，隧道中心埋深为12.5～18.5 m。该区间隧道为双线隧道，两隧道中心距为9.0～14.2 m。

图1 石井站—亭岗站区间地质剖面

本文沿石—亭区间隧道轴向选取4个典型断面DB3、DB21、DB60、DB62进行沉降分析。

盾构隧道施工影响范围内的地层从地表至深处主要分布有填土、粉细砂、中粗砂、砾砂、淤泥质黏土、粉质黏土、灰岩层，但该区间地层分布差异性较大，不同断面的地层组合存在显著差别。根据DB3、DB21、DB60、DB62断面所在的地层分布、隧道中心埋深及两隧道中心的距离可知，DB3断面隧道穿越淤泥与砾砂层，DB21断面隧道穿越层主要为砾砂层，DB60与DB62断面隧道穿越层均为灰岩层。

2 地表沉降规律分析

2.1 横向地表沉降

Peck最早提出了单隧道施工引发的地表横向沉降的实用计算公式，假定在不排水情况下地表沉降槽的体积等于隧道施工产生的地层损失体积，地表横向沉降槽近似正态分布曲线，沉降曲线预测公式如式（1）所示：

式中：S(x) ——距隧道中心轴线x处的地表沉降；

x ——距隧道中心轴线水平距离；

i ——地表沉降槽宽度系数；

R ——盾构计算半径；

η ——地层体积损失率；

H ——隧道中心埋深；

φ ——土体内摩擦角。

对于双线隧道，Peck认为后行隧道开挖导致地层损失量增大，沉降槽宽度随之增大，当横向沉降槽关于两隧道中轴线对称时，在式（1）中用R＋L/2代替R，可计算双线隧道的地表沉降槽曲线，其中，L为两隧道中心之间的水平距离。

地层体积损失率是盾构施工变形预测中的关键之一，其受土层性质、施工方法等诸多因素的影响，其中土层性质的影响较大。魏纲[15]对不同地区盾构隧道穿越不同岩土层引起的地层损失率进行了统计分析，因此，可确定本工程多个沉降监测断面地层体积损失率的基本范围。在此基础上，结合反分析，即根据实测沉降槽的最大沉降值，由式（1）进一步确定DB3、DB21、DB60、DB62断面地层体积损失率分别取为1.25、0.96、1.00、1.00。

图2为DB3、DB21、DB60、DB62断面横向地表沉降预测曲线与实测值对比图，预测误差均值分别为－2.6、－1.2、0.1、0.9 mm，预测沉降槽曲线与实测值基本吻合，从图中预测曲线与实测值看出，随着沉降点距离隧道轴线中心的距离增大，地表沉降量将逐渐减小。预测曲线最大沉降量由地层体积损失率控制。实测结果中DB3断面隧道穿越层分布有大范围淤泥层，沉降量值最大，最大值达到23 mm。由式（1），当x为± i2 时，为横向沉降曲线的拐点，因此预测曲线沉降较大区域为两隧道中心左右两侧各 i2 的范围，为沉降主要影响区，该区域宽度受隧道埋深与隧道穿越土层的内摩擦角控制。DB21断面隧道穿越层砾砂层的内摩擦角较大，沉降主要影响区宽度较大。对于双线隧道，沉降主要影响区还与两隧道间距密切相关。DB3、DB21断面的两隧道间距明显大于DB60、DB62断面，实测沉降中前两者的主要影响区宽度大于预测曲线，而后两者实测主要影响区宽度则小于预测曲线。双线隧道施工参数控制复杂，穿越灰岩层的DB60、DB62断面实测数据中两隧道中心线两侧的地表沉降呈现非对称性。

图2 横向地表沉降预测曲线与实测值对比

2.2 纵向地表沉降

在盾构隧道施工过程中，盾构掘进引起的地层扰动将导致地表沉降的产生。盾构隧道掘进方向的地表沉降随着隧道开挖面的推进不断变化，分析开挖面前后隧道轴线上方地表沉降，可获得施工过程的地表三维沉降变化规律。

Sagaseta假定土体为均质各向同性且不可压缩，推导了隧道施工地层损失导致的土体应变场与位移场解析解。土体弹性力学场坐标系原点位于隧道轴线上方地表，y轴为隧道轴线方向，x轴为垂直于隧道轴线的横向，z轴为竖向。在位移场解中令x=0、z=0，且假定任意y值对应的横断面地层损失率与最大沉降值之比不变，则可得到隧道轴线上方地表沿隧道轴向即掘进方向变化的地表沉降〔式（2）〕：

式中：Smax(y)——隧道轴线上y坐标处横断面沉降槽的最大 沉降量，是随着y变化的函数；

Smax——隧道轴线上－∞处横断面沉降槽的最大沉降量。

实际施工时测得盾构开挖至该区间隧道里程ZDK28＋ 704 m、ZDK28＋784 m处时隧道轴线上方测点的地表沉降。图3为式（2）预测的隧道轴线上方地表纵向沉降曲线与实测值的对比。式（2）中的Smax为开挖面后60 m的横断面按照式（1）计算的最大沉降值，开挖面后60 m的纵向沉降已基本稳定。图中纵坐标表示沉降量，以地面初始位置为零点；横坐标表示地表测点相对于隧道开挖面沿隧道轴向的距离，负值表示开挖面之后，正值表示开挖面之前。

图3 地表纵向沉降预测曲线与实测值对比

从图3中可看出，地表纵向沉降预测曲线与实测值从开挖面前至后基本分为3个发展阶段：沉降缓慢发展区、沉降快速发展区、沉降趋于稳定区。预测曲线中沉降快速发展区范围大小为开挖面前 H2 /2至开挖面后 H2 ，受隧道中心埋深控制；而实测沉降中沉降快速发展区的大小还会受到由地层纵向不均匀性带来的施工过程中地层损失率变化的影响。开挖面后 H2 以远的范围沉降量值发展得最大，距开挖面越远沉降越趋于稳定。地表纵向沉降预测曲线与实测值基本吻合，其中盾构隧道开挖至ZDK28＋704 m里程时，地表纵向沉降发展规律预测与实测差异较小，差异均值为0.3 mm；盾构隧道开挖至ZDK28＋784 m里程时，地表纵向沉降发展规律预测与实测差异均值为0.6 mm。

3 结语

本文依托广州地铁8号线北延伸段石—亭区间盾构隧道的地表沉降实测数据，研究上部软土、下部灰岩复合地层地表横向沉降和隧道轴线上方地表纵向沉降随盾构开挖的变化规律，对比了横向与纵向沉降预测公式与实际监测值，分析了沉降量值与沉降范围的控制因素，得到以下结论：

1）地表横向沉降曲线中，随着沉降点与隧道轴线中心的距离的增大，地表沉降量将逐渐减小。最大沉降量由地层体积损失率控制，该参数受地层性质与施工控制共同影响。预测曲线沉降较大区域为两隧道中心左右两侧各 i2的范围，为沉降主要影响区，该区域宽度受隧道埋深与隧道穿越土层的内摩擦角控制。实际对于双线隧道，沉降主要影响区还与两隧道间距密切相关。

2）地表纵向沉降预测曲线与实测值从开挖面前至后基本分为3个发展阶段，沉降缓慢发展区、沉降快速发展区、沉降趋于稳定区。开挖面后 H2 以远的范围沉降量值发展得最大，距开挖面越远沉降趋于稳定，最大沉降值可由修正Peck公式令x=0预测；纵向沉降快速发展区范围大小为开挖面前 H2 /2至开挖面后 H2 ，受隧道中心埋深控制；而实测沉降中沉降快速发展区的大小还会受到由地层纵向不均匀性带来的施工过程中地层损失率变化的影响。

3）修正Peck公式预测的地表横向沉降槽曲线与实测值基本吻合，预测值与实测值之间的差异主要是预测公式未能系统考虑双线隧道对地层扰动的相互影响、叠加机制，以及2条隧道各自掘进时施工参数的差异的影响；Sagaseta公式预测的地表纵向沉降曲线与实测值基本吻合，预测值与实测值之间的差异其主要原因有地层的纵向不均匀性与施工控制因素等。

通过上述结论，本文得出广州软土灰岩复合地层盾构施工过程中地表三维沉降的初步规律，为该地区同类型盾构施工的沉降监测与沉降控制提供了原始依据，对盾构施工的环境影响和安全评价具有一定的参考意义。