深厚淤泥地层盾构隧道地表沉降规律初探

熊 燕

（广州轨道交通建设监理有限公司 广州510010）

0 引言

盾构法隧道施工过程中难以避免对周围土体产生扰动，从而引起地表变形。大量的工程实测资料表明，正态分布曲线能够较好地拟合实测横断面地面沉降曲线［1］，Peck公式［2］属于此类，且应用广泛。下述为Peck公式，曲线如图1所示。其中，Sx为地表沉降；Smax为地表最大沉降；i 为沉降槽宽度系数；Vs为盾构隧道单位长度地层损失量；VL为地层损失率；R为刀盘外直径。

图1 地表沉降槽断面形状Fig.1 Sectional Shape of Surface Settlement Groove

近年来，广州市城市化进程飞速发展，但广州地层的复杂多样性直接影响着轨道交通的建设。广州市南沙区地处北江、西江下游滨海河网区，濒临珠江口伶仃洋，为珠江三角洲冲积平原的前沿地带，长期的河流冲积和海潮的进退作用使该地区沉积了深厚的海陆交互相软土［3］。尽管南沙地区是深厚淤泥地层，但隧道所处的淤泥类地层厚度较薄，隧道与硬土、岩层垂直距离短，盾构施工影响范围内的土层软硬结合。探讨盾构隧道在南沙深厚淤泥地层中引起的地表沉降规律，对加快轨道交通建设具有重要的意义。

1 工程概况

广州地铁4号线南延段某区间位于广州市南沙区西南部，采用土压平衡盾构机施工。该区间左右线隧道中心线间距14 m；先施工左线，后施工右线，同时施工左右线前后相距约500 m；管片外半径3 m，宽1.5 m，厚0.3 m，隧道底板埋深16.24～23.46 m。

隧道左线地表沉降监测点沿隧道全长布置，在隧道轴线上沿纵向间距普遍10 m 设1 个测点，间距在联络通道附近加密至3～1 m；每30 m 设置横向监测断面，测点个数3～6个，测点间距3～6 m。

该区间左线隧道部分主要穿过地层为淤泥质土层、冲～洪积砂层以及可、硬塑黏性土层，隧道上覆土层主要为填土层和淤泥类软土层，区间左线部分地质剖面如图2所示。

图2 区间部分地质剖面Fig.2 Sectionpartial Geological Profile

2 横向沉降槽规律

2.1 沉降槽特征值与最大沉降值分析

根据监测数据的完整性和隧道断面地层条件来选取监测断面（见图3），所选断面地表沉降曲线及高斯公式拟合曲线如图4（共10 个监测断面）所示，对应的监测数据为盾尾脱出监测断面后2d～3d内沉降值［4］。

图3 各监测断面土层条件Fig.3 Soil Conditions of Each Monitoring Section

关联高斯公式与Peck公式对应的参数，监测断面地表沉降槽特征值及隧道、淤泥层埋深如表1所示。

图4 实测地表沉降曲线以及拟合曲线Fig.4 The Soil Conditions and the Measured Surface Settlement and Fitting Curve of Each Monitoring Section

图5 各监测断面Smax分别与Z0和H的关系Fig.5 The Relationship between Smax and Z0 and H of Each Monitoring Section

依据表1，最大沉降值Smax（取实测值为代表）、沉降槽宽度系数i 以及地层损失率与隧道轴线埋深Z0、淤泥层埋深H之间的关系如图5、图6所示。

图6 各断面i和VL分别与Z0和H的关系Fig.6 The Relationship between i and VL and Z0 and H of Each Monitoring Section

由图5 可知，Smax随Z0增大呈现降低趋势，原因是在沉降槽体积一定的前提下，隧道埋深越大，隧道施工产生的应力往地表扩散的幅度（范围）越大，引起沉降值越小（即Smax越小）；Smax随H 的增大呈现增大趋势，原因是在同种施工条件及应力条件下，淤泥层埋深越大，断面土层平均压缩模量越低，造成地表沉降量越大。

由表1可知，各断面拟合曲线得到的i 普遍为8～9 m，而断面ZDK58050 和ZDK58080 所对应的i 较小，沉降槽呈现深且窄的形状，与卵石地层的沉降形状相似［5］，但由于监测频率过低，未能结合施工参数对该现象进行分析。Attewell 等人［6］提出i 与Z0关系：i=KZ0，由表1 可知沉降槽宽度参数K的取值在0.3～0.6范围内，综合各断面得到K的平均值为0.42。

在不考虑盾尾注浆的情况下，理论地层损失率VL理论=8.72%。在现有的施工工艺条件下，盾尾同步注浆后区间盾构施工引起的地层损失率VL范围主要在0.25%～1.00% 之 间［5］，在 黏 性 土 地 区 是0.20%～2.02%［4］。表1 中所示各断面VL虽低于理论值，但普遍大于2.02%。VL偏大的原因主要是监测不能及时进行且难以准确界定土体“不排水”与“排水”阶段［4］，测得的“盾尾脱出后”沉降值包含了土体部分固结沉降，而Peck公式不考虑土体固结沉降。同时，考虑施工中注浆阶段引起的沉降占主要［7］，注浆量参数尤其重要，直接影响地表沉降。各监测断面前后两环和四环注浆量平均值如表2 所示，考虑注浆充填率为150%～200%，理论注浆量为6.08～8.10 m3。总体来看，注浆量越大，地层损失率越小。注浆量在相对较软弱的断面ZDK58050～ZDK58430 偏低，且差异不大，可知注浆量参数选取欠合理，造成VL增大。

由图6 可知，i 随Z0增大呈现增大趋势，VL随Z0增大呈现降低趋势；i 随H 增大呈现降低趋势，VL随H 增加呈现增大趋势（即土质条件越差，VL越大）。造成上述趋势的原因分别与Smax随Z0和H变化的原因相同（趋势原因的分析仅限于单一因素分析，而地表变形是多因素共同作用的结果，因此趋势分析缺乏全面性）。

表1 各监测断面地表沉降拟合沉降槽特征值及其它参数汇总Tab.1 Each Monitoring Section Surface Fitting Subsidence Trough Characteristic Value and Other Parameters of the Summary

2.2 施工引起横断面影响范围

按照本工程盾构施工设计要求，地表施工沉降值要控制在-10～30 mm（报警值为24 mm，控制值为30 mm）。采用沉降槽宽度系数i作为判断基础，对于地表沉降控制在30 mm附近及以内的盾构施工工程，施工横断面主要影响范围一般认为是±i，次要影响范围是±i～±，如文献［7］所示。由表1可知断面ZDK58750～ZDK59020的最大沉降值在30 mm 附近。结合表3 和图4，可以认为：当盾构隧道断面土层主要为黏土层（相对其它断面强度较高）、上覆土层厚度较大且淤泥层埋深较小时，施工横断面主要影响范围约为距离隧道轴线0～9 m（即0～1.5d，d 为隧道外径.d=6 m；9 m 是据表3 取平均值所得，实际为9.33 m，本节后述取值同理），次要影响范围约为9～15 m（即1.5d～2.5d）。

对于断面ZDK58050～ZDK58430来说，在曲线i处沉降值普遍超过控制值30 mm，甚至断面ZDK58080的沉降值为111.33 mm。对于沉降值偏大的断面，需要预先设定沉降值，然后确定拟合曲线上产生该特定沉降值的点位置，最后计算该点与隧道轴线最远距离。

参考断面ZDK58750～ZDK59020 影响范围对应的沉降值取值，认为沉降值≥15 mm 的区域为主要影响范围，15 mm＞沉降值≥5 mm的区域为次要影响范围，建立表4。对于断面ZDK58050～ZDK58430 来说，结合表4 和图4，可以认为：当盾构隧道断面土层主要为淤泥软土层（相对其它断面强度较低）、上覆土层厚度较小且淤泥层埋深较大时，施工横断面主要影响范围约为距离隧道轴线0～15 m（即0～2.5d）；次要影响范围约为15～18 m（即2.5d～3d）。

结合表4，整体上来看，可以认为：本区间左线盾构隧道施工横断面主要影响范围约为距离隧道轴线0～12 m（即0～2d）；次要影响范围约为距离隧道轴线12～18 m（即2d～3d）。

表2 各监测断面前后两环和四环注浆量平均值Tab.2 Before and After Each Monitoring Section Two Ring and Average Sihuan Grouting Quantity（m3）

表3 各监测断面拟合曲线沉降值汇总Tab.3 Summary of Settlement Values of Fitted Curves of Each Monitoring Section

表4 各断面在拟合曲线上特定沉降值所对应位置与隧道轴线的距离汇总Tab.4 Summary of the Distance between the Location Corresponding to the Specific Settlement Value of Each Section on the Fitting Curve and the Tunnel Axis（m）

3 施工引起纵向影响范围

3.1 监测数据的选取及处理

土体发生扰动，地表会发生不同程度的变形，或者深层土体发生变形而在地表不显现。针对本工程采取的实际监测方案与数据结果，通过地表沉降实测数据来分析盾构掘进过程中刀盘前方纵向地表沉降的影响范围。当测点发生隆沉，即该点处地表发生变形，利用测点与盾构刀盘的空间相对位置计算影响距离，如图7所示，统计多个影响距离就可以得出影响范围，所得影响范围比实际范围偏小。

图7 监测数据计算施工影响距离示意图Fig.7 Monitoring Data to Calculate the Impact Distance of Construction Diagram

定义“变形值增量”：在盾构推进过程中，同一监测点相邻两次监测结果相减得到的值。本节采用第二次监测值减去第一次监测值（增量值为正代表发生沉降，为负代表发生隆起）。所有测点根据相同监测时段得到的变形值增量的集合为一组数据。如图7 所示，从4月7号掘进到4月8号，计算得到各测点变形值增量，为一组数据。根据数据组的定义，会出现一个最远测点，而影响距离有2种，分别为盾构掘进前和掘进后计算得到的影响距离值，简称为“前”和“后”。

根据测点的布置情况和监测时间，确定地表监测点选取的标准：①测点必须位于隧道轴线上方；②同一测点相邻2 天（最短监测时间）的监测数据需完整；③测点监测数据的变化是在盾构推进过程中产生的，并非在盾构停止过程中；④所选测点的空间位置在区间中段附近，避免在区间两端，防止盾构出洞时掘进参数调试的干扰以及进洞前测点布置的不充分。

3.2 筛选条件的确定

按照上述标准，选取70 个符合要求的数据组合，按图8 定义方式计算出70 组“前”和“后”影响距离，但未对变形值增量进行合理性的筛选。把这些变形值增量以及距离值统称为“原始”。

图8 数据组定义及“前”、“后”距离示意图Fig.8 Data Group Definition and‘Before’‘After’Distance Diagram

一般来说，土体越靠近刀盘，受扰动而引起地表变形量越大，其地表变形量随着土体与刀盘距离增加而减小。①因此当最远监测点的变形值增量大于其它刀盘前监测点增量的时候，认为该最远测点变形值增量主要由非施工因素而不是盾构施工引起，该增量值应当忽略，但暂不考虑隆起值。考虑本工程盾构停止掘进时也采取沉降监测，按照合适标选取4 个数据组（停止掘进时），不考虑上述①条件（因为各测点的变形值增量差别不大），将刀盘前方各测点变形值增量分别按沉降和隆起计算平均值，得到0.60 mm（沉降）和-0.34 mm（隆起）。②从最远监测点往刀盘方向筛选，认为测点的沉降变形增量值小于0.60 mm 时或隆起变形值增量小于0.34 mm 时，该测点受盾构施工影响的可能性较低，应当忽略对应变形值增量。

上述①、②认为是初筛选条件，目的是筛除非施工因素引起的变形值增量。把“原始”变形值增量经初筛选条件后所得到的70 组“前”和“后”影响距离值及相应变形值增量统称为“初筛选”。

理论上，初筛选条件能够有效地将非施工因素剔除，并把影响距离划分得更为准确。但实际上，地表沉降影响因素相互混杂、交叉干扰，仅据于监测数据难以精准确定用于筛除非施工因素的筛选条件，因此需要根据刀盘前方变形值增量分布情况来进一步制定筛选条件。

考虑刀盘前10 m 范围内测点直接受盾构施工影响比重大，不把其作为确定新筛选条件的对象。将刀盘前方所有测点（除了在0～10 m 范围内测点）变形值增量按照沉降和隆起进行统计集合，考虑变形值增量数值较小的偏多，利用平均值作为筛选条件不太合适，选择四分位数作为筛选条件：从最远监测点往刀盘方向筛选，认为在距离刀盘较远处，当沉降变形值增量≤a 或隆起变形值增量≤b 时，难以判断该测点的隆沉是否由盾构施工引起。因此确定变形值增量控制值a和b，如表5所示。

表5 变形值增量控制值a和b取值Tab.5 Deformation Value Increment Control Value a and Value b

刀盘前方10 m内主要发生沉降，变形值增量平均值为19.37 mm，表5 中设定较为合理。经过初筛选条件前提下，70个变形值增量组分别进行情况A 至情况C条件的筛选，得到对应的“前”和“后”距离值，分别统称为情况A至情况C。

3.3 纵向影响范围的确定

分别把“前”与“后”距离值导入origin 软件进行分析，结果显示不能满足正态分布的判定。使用大量数据进行影响距离值的区间估计：由中心极限定理可知，当样本数n 充分大（通常要求n≥30）时，总体均值的分布近似服从正态分布［8］。采用70 组“前”和70 组“后”合并成140 组的方法计算置信区间，得出纵向地表沉降影响范围，如表6所示。

表6 盾构施工刀盘前方纵向地表沉降影响范围汇总（95%置信度）Tab.6 Knife Plate in Front of the Longitudinal Surface Settlement of Shield Construction Influence Scope of Summary（95% Confidence Level）

理论上简化来算，考虑本工程刀盘前方普遍发生沉降，认为土体向土仓内运动，土体滑裂面与水平面呈45°+φ/2（φ 为内摩擦角），纵向地表影响范围为2.0D～3.5D。由表6可知，“初筛选”对应的影响范围为4.5D～5.5D，采用四分位数进行下一步筛选的“情况C”所对应的影响范围为1.5D～2.5D，比理论值偏小，但一定程度上能够说明上述方法的可行性。

4 结论

⑴受隧道埋深和淤泥层埋深影响，最大沉降值、沉降槽宽度系数和地层损失率分别呈现增大或降低的变化趋势，这主要是由于隧道施工应力往地表扩散范围随隧道埋深变化，以及地表沉降随土层压缩模量变化二者作用的原因。

⑵盾构施工横断面地表沉降影响范围受土层条件和隧道埋深影响，断面土体强度越高、隧道埋深越大，影响范围越小；依托本工程，认为广州南沙地区盾构隧道施工横断面主要影响范围约为距离隧道轴线0～2d，次要影响范围约为2d～3d（d为隧道外径，d=6 m）。

⑶监测点变形值增量的筛分条件越严格，刀盘前方地表沉降纵向影响范围越小；当实测变形值增量经过初筛选条件，并且设定沉降变形值增量控制值为1.5 mm 或隆起控制值为0.9 mm 时，纵向影响范围为1.5D～2.5D（D 为刀盘外径，D=6.28 m）。这影响范围能够为在广州南沙地区盾构隧道纵向地表沉降监测范围提供参考，减少监测工作量，并且提前做好相关地表沉降控制措施（如重要建筑物的保护措施等）。