苏通GIL综合管廊盾构法地面变形特征及预测研究

2022-06-06王庶懋何乃福陆武萍

电力勘测设计 2022年5期

王庶懋，何乃福，王虎，吴建，陆武萍

(1. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063；2. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098；3. 河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098)

0 引言

盾构法施工已经被广泛应用于隧道工程建设中，盾构掘进引起的地层移动是施工控制的重点问题，一直备受关注。隧道施工区域地质条件复杂多变、地下管线和桩基础等都会影响盾构施工的地表变形，需要通过现场监测掌握其变化规律，从而指导现场施工。

目前隧道盾构引起的地表变形计算方法主要分为：经验法、解析法、数值法，其中实际工程中仍以经验法作为变形预测手段。经验法最早由Peck[1]根据大量现场监测数据资料进行分析总结提出，认为浅埋隧道开挖引起的地表沉降符合高斯正态分布曲线，从而建立了经验公式。但是，该经验公式使用具有一定的局限性，不同地质条件下需要对相应的参数进行修正，从而出现了一些修正后的Peck经验公式[2-9]。因此，在实际工程中使用经验法时需要结合现场监测数据确定相应的参数，才能用于后续的变形预测中。韩煊[10]等结合国内8个地区30多组监测数据进行深入分析，给出了不同地区的经验公式参数建议值。朱才辉和李宁[11]也基于大量文献资料对国内20多个地区监测数据进行了地表沉降槽特性参数取值分析，揭示了参数取值对预测结果的影响规律。此外还有很多专家学者结合各地区监测结果(如北京[12]、西藏[13]、广州[14]、合肥[15]、长春[16]等)，对Peck经验公式进行修正，使其可以推广适用于该地区盾构隧道施工控制中。本文以苏通GIL电力综合管廊建设中的越江盾构隧道为依托工程，通过对地表移动进行现场监测，掌握盾构掘进引起的地表移动模式和规律，基于经验法开展不同计算方法的适用性研究。

1 Peck经验法简介

Peck法假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度上是均匀分布的，地面沉降的横向分布类似正态分布曲线，如图1所示。Peck公式的形式如式(1)和式(2)所示。

图1 Peck提出的地表横向沉降曲线模型

式中：Smax为沉降曲线对称点处(隧道中心线对应的地表位置)的沉降，m；x为隧道中心线对应的地面点到计算点处的水平距离，m；Vs为隧道单位长度的地层损失，m2，根据Vs=πR2Vl计算，Vl为地层损失率，对于采用闭胸开挖方法隧道，砂土地层中的Vl一般小于5%，黏性土地层的Vl一般为2%～3%，R为隧道半径；i为隧道中心线至沉降曲线反弯点处的水平距离，称为“沉降槽宽度”。

变量i和Vs是Peck公式中最重要的2个参数，对沉降预测结果有决定性作用，很多学者进行了大量研究，提出了不同的经验公式，现将其中部分研究成果归纳，见表1所列。

表1 基于Peck经验公式的有关研究

续表

从表1中可以看出，对于不同的地层条件、盾构尺寸及埋深、掘进方式，经验法参数的选取形式有很大差异，本文旨在根据盾构掘进过程中的实测数据，对盾构掘进引起的地面变形特征及预测方法进行研究。

2 苏通GIL综合管廊工程地质条件及地面变形监测概况

苏通GIL综合管廊隧道外径约11.6 m，最大设计水压0.80 MPa，盾构段总长度5 468.5 m，采用泥水平衡盾构掘进，本工程盾构穿越的地层主要有淤泥质粉质黏土、粉质黏土、中密的粉土、密实的细砂以及中粗砂等。

在盾构掘进的过程中对管廊的陆域段进行了地面变形监测。如图2所示为监测断面平面布置示意图，共布置4条监测断面，均正交于盾构轴线。断面上的测点间距为3～5 m，其中G1和G2布置在苏通大桥展览馆附近，G4和G5布置在长江大堤下及堤顶，如图3所示为监测段的地层投影剖面图。当盾构切口距离某一监测断面达100 m时，即对该断面进行初始读数。当切口距离监测断面小于50 m时，每天测读1次；当盾尾离开断面100 m后，监测频率相应降低，至盾尾离开2个月之后停止。

图2 地面变形监测断面平面布置示意图

图3 监测断面地层投影剖面图

3 盾构掘进引起地面变形特征分析

如图4所示为G1、G2、G4、G5四个断面上沿隧道轴线两侧监测点获得的地面变形随时间的变化曲线，其中横轴t表示开挖面相对于某一监测断面的时刻，t=0为开挖到监测断面的时刻，纵轴为地面变形，正值表示隆起，负值表示沉降。由图可以看出：①随盾构接近(t＜ 0)，开挖面前方地面微量沉降或隆起；②盾构穿越时(t=0～1d)，各断面的变形控制在较小程度；③一旦盾尾离开(t=2～10d)，沉降速率加大；④盾尾逐渐远离后(t＞ 10d)，沉降速率减小；⑤盾尾远离30～40d后，沉降趋于稳定。

图4 各监测点的位移量随时间变化

如图5所示为G1、G2、G4、G5四个监测断面地面变形随掘进过程的变化曲线，图例中St表示监测时间下盾构掘进面距离所监测断面的长度，负值表示掘进面未到监测断面、正值表示掘进面已穿过监测断面。由实测数据可知：当盾尾离开监测断面数天后，盾构掘进所引起的地面变形沿隧道中心线大致呈对称分布，最大沉降发生在隧道轴线上方，沉降曲线的形状与正态分布曲线相似，与Peck提出的沉降槽形式一致。地表沉降影响范围距隧道轴线30 m左右，盾构掘进主要影响区域在隧道轴线10 m范围内，各监测断面地表最大沉降量在10.00～28.00 mm范围，可以满足国内盾构隧道地表沉降控制中规定值30.00 mm的标准要求。

图5 监测断面地层移动分布规律

根据盾构与监测断面的相对位置，盾构掘进引起的地面变形可分为4个阶段：

1)盾构到达监测断面前的地面初始变形：当隧道开挖面尚未掘进到监测断面时，观测到的地面变形微小。

2)盾构通过监测断面时的地面变形：盾构推进穿过监测断面，引起监测断面影响范围内土体扰动，此时地表移动较小，且沉降曲线较无规则。但是开挖面切口压力设置较大，易引起地表隆起现象。

3)盾尾通过监测断面后的地面变形：盾尾脱离监测断面时，由于建筑空隙的产生，会引起较大的地层损失沉降，同步注浆会及时充分地填充建筑空隙，可有效地降低盾尾沉降。此后横向地面沉降开始呈现出隧道轴线位置沉降量最大，向两侧递减的规律。

4)后期地面变形：由于盾构通过时对地基土产生了扰动，以及以上各种变形的残余影响，土体将会继续发生固结及次固结沉降。

4 地面变形预测方法适用性研究

4.1 参数确定

依据表1计算沉降槽宽度i的计算公式，选取 Knothe[2]，Clough & Schmidt[3]，O’Reilly& New[4]，Sugiyama[5]4种方法来计算 G1、G2、G4和G5监测断面的i值大小。此外，将实测沉降值基于Peck经验公式拟合，得出相应的沉降槽宽度值。

将上述公式计算的四个监测断面沉降槽宽度与实测值沉降槽宽度进行对比，并绘制地面沉降预测结果对比如图6所示。由图6可知，不同的沉降槽宽度确定方法计算得出的i值差异较大，且与实测值拟合出的i值偏大。此外，由拟合出的沉降槽宽度i及式(1)计算各断面对应的地层损失率Vl，得出G1、G2、G4和G5断面地层损失率分别为0.28、0.28、0.18和0.65。G5断面地层损失率偏大，可能是由于该断面位于长江大堤，上附荷载影响所致。

图6 地面沉降预测结果对比

4.2 适用性分析

上述4种经验关系预测值通过与实测结果对比分析，可看出其适用性。根据上述不同的参数确定方法，考虑不同的地层损失率Vl=0.1%、0.3%、0.5%可以计算出隧道盾构引起的地表最大沉降值，见表2所列。地层损失率对经验法预测的地表沉降有显著影响，地表最大沉降量随着地层损失率增加而增大，因而地层损失率的确定是地表沉降预测的关键。通过与实测结果进行对比分析可以发现：除了G5断面，采用地层损失率Vl=0.3%预测的沉降量与实测结果基本一致，G5断面的地层损失率较大，需要考虑更大的Vl进行计算，如选取反算的Vl=0.65%。对于G5断面，由于长江大堤的附加荷载作用，致使地层损失率较大，从而引起较大的沉降量。采用基于实测结果拟合获得的地层损失率Vl，可以获得对应的地层移动预测值。与实测结果进行对比(如图6所示)可以发现，Clough & Schmidt[3]法预测的G1和G5断面结果与实测结果吻合性较好，而对于G2和G4断面，几种方法的预测结果与实测结果存在较大偏差，需要进一步改进。