富水地层大直径盾构施工引起的沉降规律分析

李伟

摘要：为了研究富水软土地层大直径盾构施工引起的沉降情况，选取杭州地铁8号线一期工程为研究背景，基于有限差分软件建立三维数值模型，分析了盾构隧道施工引起的沉降规律。大直径泥水盾构施工使得地表横向沉降量不断增加，且越靠近隧道中心区域地表沉降越严重。施工阶段的增加也造成了地表纵向沉降的增大，距离施工起始点越远，沉降变化量越小。地表至拱顶之间的区域，整体沉降量不断增加，而距离地表越远、越靠近拱顶区域盾构施工引起的地表沉降变化幅值越大。研究结果表明：大直径泥水盾构施工会造成施工区域整体富水软土地层出现不同程度沉降，其中隧道中心、施工起始点和拱顶区域施工引起的地表沉降影响最严重。

关键词：富水地层；盾构隧道；有限差分；地表沉降

0   引言

近年来，城市地下空间作为城市空间结构的重要组成部分，朝着“网络化、立体化、集约化、深层化、综合化”方向发展趋势更加明显，人民群众对城市公共地下空间安全性、舒适性等品质化需求也日益提高[1-2]。

地铁作为城市轨道交通中最常见的一种形式，通常采用盾构法施工[3]。盾构法施工在一些特殊地质环境建设工程中，尤其在富水软土地层可达到较好施工效果。但采用盾构机进行施工，所有施工行为都在岩土体内部完成，难免会引起隧道周围土体的变形与沉降[4]，一旦沉降情况超过安全警戒线，便会给带来不可估量的经济损失，并可导致人身安全受到威胁。

近年来，相关领域学者针对地表沉降变化进行了大量研究。Peck对隧道开挖引起的地表沉降规律进行了总结，并假定地表沉降曲线符合正态分布，提出了著名的Peck公式。O'Reilly等[5]根据大量工程经验，认为i和隧道埋深H之间存在简单的线性关系，即i=kH。文献[6-7]采用统一土体移动模型，分析隧道施工引起的不同方向的土体变形情况，再结合土体水平位移计算公式，得出施工引起的具体沉降变化值。但是该研究结果不够精准。

王睿[8]针对目标盾构隧道施工区域，布置多个监测点，分别获取现场沉降监测数据。结合隧道尺寸、地质条件等多方面影响因素，获取未来地表沉降预测结果。但该方法的沉降研究时间成本较高。

魏纲[9-10]采用太沙基一维固结理论，得到地面工后固结沉降的理论计算公式。但当隧道埋深较大时，可能产生土拱效应。胡达、马乾瑛等[11-12]在分析盾构施工引起的土拱效应的前提下，明确施工进程与地表沉降量之间的关联性。再结合隧道收敛面积、隧道埋深等施工参数，得出地表沉浸计算值。该方法基于弹性假设，简化了复杂土层的应力应变关系，但未考虑地下水等因素的影响，因此应用存在较大局限性。

基于上述分析，本文以富水软土地层为研究重点，针对杭州市单洞双线盾构地铁隧道施工工程，运用数值模拟分析软件，模拟大直径泥水盾构施工过程，研究施工引起的地表沉降变化情况。

1   Peck公式修正系数

Peck经验公式作为预测地表沉降最常用的公式在实际工程中被广泛运用。然而，该公式是基于早期有限的盾构隧道实测数据而得到的经验公式，特别是对于复杂地质条件和不同施工方案等因素引起的盾构施工地表沉降，直接用来预测沉降值会存在一定的误差。

截止目前，大量学者结合不同地區的盾构隧道施工对其适用性进行了修正，即引入地表最大沉降量的修正系数α和沉降槽宽度修正系数β来定义地表沉降曲线的形状。修正后的Peck公式如下：

式中：x为离隧道中心线的水平距离；Smax为隧道上方沉降最大值；Vloss为施工引起的地层损失；i为沉降槽宽度。

部分学者对这两个修正系数，通常采用大量工程实测数据进行归纳分析，并通过将修正Peck公式取对数函数的方法，将分散点进行线性拟合找到α和β之间的关系，以此得到修正系数区间的大小，随后取合适值来预测地表沉降值。

虽然该种方法能够得到较为准确的预测模型，但在某些情况下缺少适合特定工程的以往实测数据。与此同时，O'Reilly等对沉降槽宽度的取值并没有考虑到隧道直径这一因素。为了简化修正系数的取值，本文通过直接建立沉降槽宽度修正系数β与埋深比之间的关系来确定其大小。计算关系式如下：

式中：n为埋深比系数，H为隧道埋深，D为隧道外径。由于盾尾注浆的影响，实际地层损失率难以精确计算，对于最大沉降量的修正系数α本文仍然取1。

为了得到n的大小，本文将3个工程案例的实测结果与修正Peck公式进行比对分析，案列一[13]、案列二[14]和案列三[15]的详情可参考具体文献，对比结果如图1所示。当n的取值区间为[0.70，0.80]时，实测结果与Peck修正公式拟合程度较高，因此本文推荐埋深比系数n取0.75较为合适。

2   工程概况

本文以杭州地铁8号线一期工程为研究对象，其施工区域跨越了下沙和大江东两个经济开发区，采用大直径泥水平衡盾构机进行施工，起始和终止里程分别为K2+196.000、K5+702.550，隧道全长为3466.1m，埋深9.5～36.5m，最大坡度26.73‰，最小曲线半径800m。区间段平面图如图2所示。

区间先后下穿钱塘江施工段和北岸海塘施工段，长度分别为2090m和50m，并下穿南岸海塘施工段，长度为30m。区间隧道盾构机开挖直径为11.7m，管片外径为11.3m，内径10.3m，壁厚500mm，每环宽2m。盾构机施工参数如表1所示。隧道断面地质状况如图3所示。

为保证富水软土地层大直径泥水盾构施工的顺利进行，需在施工区间中部建设一座水泵房，并从施工起点开始共布置14道防护门，相邻防护门之间的距离小于230m。本区间隧道下穿两段重点区域，分别是钱塘江北岸下沙段标准海塘、钱塘江南岸萧围西线海塘，起止里程分别为DK2+630～DK2+680、DK4+770～DK4+800，区间段各地层的土体参数如表2所示。

3   三维数值模型

3.1   模型参数

本文采用FLAC 3D有限差分软件，针对目标盾构施工段建立三维数值模型，如图4所示。模型长50m，宽32m，高45m，其中模型底部边界采用固定约束，侧面边界均采用水平法向约束。本文假定如下：土层水平且为各向同性，土体视为理想弹塑性体，服从Mohr-Coulomb屈服准则。管片采用弹性本构模型，管片材料为C55高性能混凝土，混凝土抗渗等级P12，管片视为均质圆环，不考虑横、纵向螺栓的影响。不考虑开挖面地下水渗流对沉降的影响。

该区段属于穿江盾构隧道，根据地勘报告取江面水位线高3.5m，各土层参数如表2所示，图5展示了隧道与地质剖面的关系。

针对大直径盾构隧道穿越富水软土地层，施工过程中需要着重考虑水压力的影响，水压力矢量如图6所示。开挖前地层在自重应力下达到平衡，初始地应力如图7所示。随后进行位移清零并准备开挖。

3.2   测点布置

距离起始开挖面16m处选定15个沉降特征点并进行对称分布，针对横向沉降进行监测，测点布置如图8所示。开挖前后通过A1、B1、C1、D1和E1等5个地表监测点，研究地表纵向沉降。拱顶监测点与之平行，均位于隧道中线平面内，其距初始开挖面的距离分别为4m、8m、16m、20和24m。

4   结果分析

4.1   横向沉降

地表横向沉降值的变化曲线如图9所示。从图9可知，隧道中心线处的沉降值最大，随着水平距离的增加，地表沉降值在不断减小，曲线基本呈正态分布。随着开挖面的不断推进，各测点沉降值递增，其中位于中心线的测点沉降值从6.9mm逐渐递增至11.5m。

本文计算结果与Peck经验公式相比较为接近，但随着水平距离的增加误差不断增大。原因是该经验公式是基于理想正态分布函数曲线而得到，与实际相比具有一定的误差。实测沉降对比如图10所示，从图10可以看出，修正Peck公式结果与现场实测值相比较为吻合。

4.2   纵向沉降

图11反映了地表沉降值随不同掘进长度的变化规律。从图11可以看出，在纵向中心线测点前后4m处的范围内掘进时，沉降值的增加速度最快，之后缓慢增加。分析认为，开挖面通过测点附近时，地层损失迅速增大，导致地表沉降值的增加，开挖面通过一定距离后对沉降影响较小。

由不同测点间的沉降值对比可知，相同掘进距离下，开挖面先通过的测点沉降值更大。其中，掘进长度大于10m后测点A1的沉降值偏小。这是由于开挖卸载及管片上浮等原因，导致沉降幅度削减。

不同掘进长度下拱顶沉降值的变化曲线如图12所示。与地表沉降曲线变化规律类似，拱顶沉降同样在开挖面通过时增长速度最大，在掘进完成后，最大拱顶沉降为15.1mm。相较于地表沉降，拱顶沉降更大，这是因为拱顶沉降直接受到盾尾间隙大小的影响。

5   结束语

本文针对富水软土地层大直径盾构隧道施工，基于有限差分软件建立三维数值模型，分析了隧道开挖引起的沉降变化规律，得到如下结论：

隧道埋深比是影响沉降槽宽度修正系数大小的重要因素，建议埋深比系数的取值为0.70～0.80之间。地表横向沉降槽基本呈正态分布形状，随着开挖面的推进，沉降值逐渐递增；隧道中线处沉降值最大，并随着水平距离的增加而不断减小，理论与实测结果较为吻合。地表纵向沉降随着掘进长度的增加不断增大，在开挖面通过前后4m的范围内沉降速度最快，之后沉降缓慢增加。拱顶纵向沉降规律与地表类似，但沉降值更大，最大拱顶沉降为15.1mm。距离开挖起始面越远，沉降值越低。

参考文献

[1] 陈湘生.我国城市轨道交通高质量可持续发展的思考[J].城市轨道交通，2023，.87（5）：28-31.

[2] 郭鸿.“平战结合”：人防建设与地下空间的开发与管理[D].南昌：南昌大学，2016.

[3] 申志军，夏勇.黄土隧道马蹄形盾构工法选择及应用[J].隧道建设（中英文），2017，37（12）：1518-1528.

[4] 王建秀，付慧仙，朱雁飞，等.基于地层损失的盾构沉降计算方法研究进展[J].地下空间与工程学报，2010，6（1）：112-119+150.

[5] O'reilly M P， New B M. Settlements above tunnels in the United Kingdom： their magnitude and prediction[C] // Proceedings of tunnelling 82. London： Institutionof Mining and Metallrugy， 1982： 17

[6] 魏纲.盾构法隧道统一土体移动模型的建立[J].岩土工程学报，2007，173（4）：554-559.

[7] 魏纲，刘加湾.盾构法隧道统一土体移动模型参数取值研究[J].铁道建筑，2009，420（2）：48-51.

[8] 王睿.探析地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降[J].工程机械与维修，2020，291（2）：81-83.

[9] 魏纲.盾构施工引起地面长期沉降的理论计算研究[J].岩石力学与工程学报，2008，206（S1）：2960-2966.

[10] 张海丰，马保松，周维.太沙基土拱理论计算隧道受力存在的问题[J].现代隧道技术，2017，54（2）：55-60.

[11] 胡达，肖超，梁小强，等.考虑土拱效应的盾构隧道施工地表沉降预测[J/OL].工程地质学报：1-12[2023-09-15].https：//doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2022-0561.

[12] 马乾瑛，业嘉超，蒋小慧.考虑土拱效应的盾构隧道施工地表沉降预测研究[J].现代隧道技術，2021，58（6）：148-154.

[13] 廖赵胜，相龙胜，高顺宇，等.粉细砂地层双线盾构施工实测地表沉降规律分析与预测[J]. 土木与环境工程学报（中英文）：1-11.

[14] 李宇健，黄戡，孙逸玮.盾构参数对复合地层损失率和地表沉降的影响[J].交通科学与工程，2022，38（1）：70-78.

[15] 陈亦轩，李筱艳，陈松.基于Peck公式的隧道盾构施工引起的地表沉降预测研究[J].安全与环境工程，2023，30（2）：79-83+91.