盾构双线隧道不同步施工对地表沉降的影响效应研究

宋方方

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 引言

运用盾构法在富水砂卵石地层中进行施工时，难免会引起一定的地表沉降。地表沉降值一旦超限，会对地面道路和地上建筑物造成影响，也会增加地表修复的难度[1-3]。因此，预测地表沉降规律，研究其影响因素，对地表沉降控制至关重要。

目前，地铁隧道普遍采用双孔平行的形式，针对双孔平行隧道的地表沉降预测及其影响因素有一定的研究。王伟[4]和邱明明[5]等人以某城市地铁平行盾构推进为工程背景，运用数据实测结合仿真分析的方法，对双线隧道不同横向间距对隧道的影响做了具体分析，并给出合理的隧道间距建议值。陈春来等[6]基于Peck经验公式，对双线水平平行盾构隧道施工中土体损失引起的三维沉降计算方法进行研究；林志等[7]建立双线盾构隧道施工过程数值模型，并总结出在近间距隧道的施工中，后建隧道对先建隧道的影响规律，以及后建隧道自身相对于单条隧道时的变化规律。

上述双线隧道地表沉降的研究一般集中于同步开挖情形，基于更常见的盾构不同步施工的地表沉降影响的研究较少，关于盾构不同步施工阶段地表沉降预测的数学模型还有待提出。

本文以成都6号线3标尚锦路站～红高路站区间双线平行盾构隧道不同步开挖为背景，对地表沉降规律及引起沉降的影响因素进行分析，研究了轴向距离La对沉降曲线造成影响效应，为类似不同步双线盾构隧道施工工程提供一定的参考。

2 工程背景

2.1 工程概况

尚锦路站～红高路站区间(尚红区间)沿西区大道下方敷设，区间沿道路走向，长度为1 281.30 m。双孔圆形盾构隧道直径为6 m，左右线间距为13.00～15.20 m，底板埋深为16.00～24.50 m，顶板埋深为10.00～18.50 m。线路最小曲线半径为750 m，最大坡度为25.0‰。本文主要以该区间施工中某段范围为研究对象，施工线路布置如图1所示。

图1 施工线路布置示意

2.2 地质条件

根据成都区域水文地质资料及地下水的赋存条件，地下水主要有二种类型:一是赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂卵石层孔隙潜水，区间抗浮水位高程如表1所示。

表1 区间抗浮水位高程

根据地勘报告显示，区间地层由上至下分别为:<1-1>杂填土层、<1-2>素填土层、<2-2>粉质黏土层、<2-3-1>粘质粉土层、<2-9-1>松散卵石层、<2-9-2>稍密卵石层、<2-9-3>中密卵石层、<2-9-4>密实卵石层。区间隧道主要穿越的地层为<2-9-3>中密卵石层。

掘进施工时，由于卵石层中含大量漂石难以破碎，使得刀盘扭矩增大。同时，地层富含地下水会稀释改良剂，降低渣土流塑性，造成刀盘转动困难，发生刀盘卡停现象。另一方面，细颗粒流失，导致地层结构疏松，在盾构施工扰动影响下容易发生坍塌，形成空洞，经过发展最终导致地表沉降。

3 双线隧道地表沉降影响因子分析

3.1 双线Peck公式参数确定及沉降槽曲线计算

刘波等[8]基于单孔Peck预测公式，考虑地表所发生的最终变形，假设叠加原理仍然适用，得到在同一埋深双孔平行隧道条件下的修正Peck预测公式，如下所示:

式中，S(X)为平行双隧道的横断面上与双隧道轴中心线距离为X处的地面点沉降量；Smax为单隧道开挖引起地表沉降量最大值；V1为施工引起的隧道单位长度地层损失；L为双孔隧道之间的中心距；i为沉降槽宽度系数。

尚红区间左右线盾构不同步施工相互作用，会对地表沉降变化规律产生一定的影响。所产生的叠加沉降效应，使用针对常规单线盾构施工的Peck公式进行预测，并不完全适用，需进行分析评估同时做适当的修正，才能满足此类采用双孔盾构平行的施工模式[9]。根据计算分析，取得相关施工参数，如表2所示。

表2 尚红区间相关施工参数

3.2 影响因素分析及适应性评估

(1)隧道间距的影响及适应性评估

设隧道直径为D，取隧道横向轮廓间距分别为1D、2D、3D、4D，得出不同隧道间距下的沉降曲线，如图2所示。

图2 不同隧道间距下的沉降曲线

由图4可知，随着双线隧道间距的增加:地表沉降槽曲线由“单峰”向“双峰”转变，峰值由中心向隧道轴线转变；地表最大沉降量也逐步减小；最大沉降位置由两隧道轴线中心向两轴线转变；沉降槽的宽度由小变大；地表最大沉降量与盾构间距之间的关系并不是线性关系，当隧道间距增加到一定量时，最大沉降量的减小量将会变得很小，逐步趋向稳定。

一般来说，地表沉降量越小，其控制方案越合理。但尚红区间位于成都市区，想要不断增大隧道间距来控制地表沉降量是不合理的，还会导致盾构工作井布置困难。

笔者认为尚红区间隧道间距的取值范围在2D到3D之间较为合理。

(2)地层损失率对沉降槽的影响及适应性评估

地层损失率是地表沉降的一个重要影响因素[10]。基于公式(1)及公式(2)，分别取地层损失率为0.5%、0.7%、0.9%，得到在不同地层损失率下的地表沉降曲线，如图3所示。

图3 不同地层损失率下的沉降曲线

由图3可知，地表损失率的变化几乎不会改变地表沉降的影响范围。随着地层损失率每增加0.2%，地表最大沉降量增加4 mm。当尚红区间地层损失率为0.7%时，其地表最大沉降量达到15 mm，距该段最大沉降临界值30 mm仍具有较大的余量。

通过改善相关施工工艺能进一步减少地层损失率，如合理控制注浆压力、减小盾构开挖扰动均能降低地层损失率，但会增加施工难度[11]。

(3)沉降槽宽度系数的影响及适应性评估

尚红区间的沉降槽宽度系数取值约为6，如表2所示。基于公式(1)及公式(2)，分别引入四组沉降槽宽度系数值作为对比分析依据，得到五种情形下的沉降槽曲线，计算结果如图4所示。

图4 不同沉降槽宽度系数下的沉降曲线

由图4可知，随着沉降槽系数取值的增大，会导致沉降范围增大，即两隧道之间的影响会有所增加。当沉降槽系数取值较小时，单条隧道的地表沉降量较大，但沉降影响范围较小，趋向于“双峰”曲线发展；当沉降槽系数取值较大时，单条隧道的沉降量较小，但沉降影响范围较大；当沉降槽系数取值为9时，两隧道轴线中心因叠加作用导致地表沉降量最大。

由上述分析可知，表2中的沉降槽系数取值较为合理，保证了地表沉降的影响范围，沉降量也得到有效的控制。

4 双线隧道沉降左右不同步的影响效应

4.1 尚～红区间地表沉降实测数据

选取尚红区间里程ZDK9＋317附近的4个断面为主要考察断面，得到盾构施工引起的地表沉降量的监测数据，如图5所示。

图5 考察断面横向沉降数据曲线

由图5可知，该段区间四个监测点的最大沉降量均小于12 mm，其沉降量控制较好，沉降控制取得较好的效果，其控制技术可为类似工程提供一定的参考。

区间沉降曲线形状呈现为“双峰”，与理论双线修正Peck公式计算的曲线类似，证明该修正公式较为适合该地层沉降规律的预测。但是，从图中可以看出，右线地表沉降量整体上要大于左线。基于施工经验，造成此种情况的原因是右线在尚红区间先于左线施工，且在很多工程上也有此种情况发生。可见，左右线不同步施工也是影响地表沉降曲线的一个重要因素。

4.2 左右线开挖不同步的数值计算

(1)数值模型参数的确定

以主要考察断面附近地层为研究对象，运用Flac3D软件建立了有限差分计算模型。

盾构隧道外径为6.0 m，管片厚度为0.3 m，隧道埋深为18 m。管片参数:容重为25 kN/m3；泊松比为0.17；弹性模量E为30 GPa。数值模型计算区域为70 m×54 m×42 m，共划分网格单元数为65 232个，节点数为68 709个。

地层物理力学参数如表3所示。

表3 地层物理力学参数

(2)左右不同步地表沉降结果分析

为了研究左右线不同步施工对沉降曲线造成何种影响，采用两种不同方案[12]来对其沉降曲线进行对比，分别为:①左右盾构同步进行开挖；②右线领先左线一定的开挖距离。

此次模拟取得领先开挖距离分别为6 m、12 m、18 m、24 m、30 m和36 m。通过上述的7次仿真模拟，得出不同步开挖对沉降曲线的影响规律，结果如图6所示。

图6 不同右线领先长度的横向沉降结果

由图6可知:①右线领先时的仿真数据曲线与实测数据曲线变化规律类似，其仿真结果具有一定的可信度。②双线盾构隧道的不同步开挖会对地表沉降曲线造成影响。可见，不同步开挖也是沉降规律预测应该考虑的一个重要因素[13]，且该因素与两盾构施工的轴向距离有关，即与领先长度有关。③随着右线领先长度的增加，右边的沉降量会有所增加，同时左边的沉降量会有所减少。④随着领先长度越来越大，其影响沉降量越来越小(领先6 m与同步开挖之间的沉降差要明显大于领先36 m与领先30 m的沉降差)，说明随着领先长度的增加，其沉降量有所影响，但最终会趋于一个稳定值，领先长度对其影响会有所减弱。

4.3 不同步影响因子修正双线经验Peck公式

对于实际工程来说，两线不同步施工的情况时有发生，因此有必要对双线同步Peck公式做一定修正，考虑开挖不同步的影响，以便更好地适应于双线盾构不同步开挖的情况[14]。

基于公式(1)及公式(2)，设立两个“不同步系数”，分别设为C1(La)和C2(La)，C1和C2为隧道开挖面轴向距离La的函数，建立修正Peck公式数学模型，如下式所示:

式中，S(X)为平行双隧道的横断面上与双隧道轴中心线距离为X处地面点的沉降量；L为双孔隧道之间的中心距；Smax为单隧道开挖引起的地表沉降量最大值；i为沉降槽宽度系数；V1为地层损失量；C1(La)、C2(La)为不同步系数。

为了集中于研究C1(La)和C2(La)，先确定模型其他变量的值，先取La为0，那么C1(La)和C2(La)均为-1，通过曲线拟合来确定其他量，拟合曲线如图7所示。

图7 La＝0时的拟合曲线

通过分析图7的拟合结果，可知该拟合曲线与距中心线左右20 m内的数据具有较高的拟合度，20 m以外的数据由于公式的局限性，不能很好地拟合，但是对整体沉降的分析造成的影响很小，可将其忽略。

此处采用拟合确定的变量来代替数值模型主要出于两方面的考虑:(1)建立数值模型时，由于富水砂卵石地层相关参数局限性，很多参数仅只能参考相关经验取值；(2)由于其他情况仿真结果与La＝0时的仿真结果出于同一模型，对于模型造成的影响各种情况均涉及，对后续分析结果影响小[15]。因此针对该模型的Peck公式写为:

公式(5)主要是在原始双线Peck公式的基础上添加了隧道开挖面轴向距离对沉降影响的因子C1(La)和C2(La)。为了求取C1(La)和C2(La)，需要得到这两个系数与La的关系。因此，基于不同的La所仿真出的数据点，用公式(5)对这些数据点进行拟合，求得每个La对应的C1(La)和C2(La)，得出这两个系数与La的关系。图8为La＝6时拟合的结果。

图8 La＝6 m时的拟合曲线

分别对La做以上同样工作，得到C1和C2的值，其值如表4所示。

表4 C1和C2的拟合值

根据表4得到的数据，得出La与C1和C2拟合关系为:

公式(6)是基于尚～红区间地层仿真实验数据得出的，对尚红区间地表沉降的预测有一定的适应性。对于其中展示的规律以及方法同样适用于其他工程。下面为该公式运用于其他工程的方法:对于同等类型砂卵石地层的不同步盾构施工，得到的C与La之间的关系仍然适用。将公式(6)代入公式(3)可得到新的Peck沉降预测公式，该公式考虑了双线不同步施工对沉降曲线的影响。

对于其他地层的不同步盾构施工，此式得到C与La之间的关系并不完全适用。因此，需要依据本文的研究方法，根据实际工程区段为研究对象，通过数据拟合求得C与La之间的关系。通过分析不同工程可确定不同地层中C与La之间的关系，使得公式(3)具有更好的通用性。

5 结论与建议

本文通过结合理论分析、数值模拟及数据分析等方法，对双线并行盾构隧道的沉降规律进行研究，得出以下结论:尚红区间隧道轮廓间距的合理取值为2D～3D，实际间距控制在13～18 m范围内较为合理。地表沉降与地层损失率呈正比关系，地层损失率每增加0.2%，地表最大沉降量会增加4 mm左右；随着沉降槽宽度系数增加，沉降曲线逐渐平缓，沉降范围同时增大；最大沉降量减小速率随隧道间距增长而减小，且逐渐趋于平衡[16]。

双线不同步盾构开挖会对地表沉降曲线造成影响，该影响与隧道的轴向距离有关，即与领先长度有关，且其相关性呈现一定的规律。影响因子C1和C2与La之间的关系用两次多项式拟合具有很强的拟合度，可用La来代替C1和C2，将开挖面距离La的影响添加到经验公式当中，以便更准确预测。