软土地层隧道盾构掘进对地表沉降的影响研究

2024-12-31张振张旭王萍施振跃孙迪

科技创新与应用 2024年36期

摘" 要：为保证隧道建设安全，以济南市某地铁隧道盾构工程为研究背景，应用理论分析结合现场监测，对软土地层隧道盾构掘进对地表沉降的影响及预控措施进行研究，结果表明，在隧道盾构掘进过程中，地表沉降整体随着时间推移逐渐增大，表明地表沉降变化量数值与盾构隧道推进时间和进度呈正相关；隧道盾构掘进过程中，同一截面地表沉降变化曲线整体沿盾构中线呈对称分布，最大沉降量靠近盾构中线；在隧道盾构掘进过程中，最大沉降量位于1-CD4附近达到了-27.96 mm；采取土层提前加固、选取合理的监测点适当加大监测频率、及时调整盾构施工参数等措施能对地表沉降进行预控。

关键词：软土地层；隧道盾构；地表沉降；安全施工；预控

中图分类号：U455" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）36-0110-04

Abstract： In this paper， the shield underground tunnel project in Jinan city is taken as the background for the study， and the effect of shield tunneling on surface subsidence in soft soil layer is investigated， and the results show that： In the process of shield tunneling， the surface subsidence generally increases gradually with time， indicating that the change of surface subsidence value is positively related to the tunneling time and the progress of shield tunneling. In shield tunneling， the subsidence curve of the surface with the same cross-section is symmetrically distributed along the centerline of the shield tunnel， and the maximum subsidence is near the centerline of the shield tunnel. In the shield tunnel excavation， the maximum subsidence reached -27.96 mm near 1-CD4.Adopting measures such as reinforcing the soil layer in advance， selecting reasonable monitoring points to appropriately increase the monitoring frequency， and timely adjusting the shield construction parameters can pre-control the surface settlement.

Keywords： soft ground; tunnel shield; surface settlement; safe construction；predictive control

随着我国城市化进程和城市地下轨道交通发展迅速，盾构隧道的建设需求和数量不断增加[1]。地铁隧道建设是城市轨道交通发展的重要一环，盾构法具有速度快、精度高等特点，被广泛应用至地铁隧道建设工程中，但盾构机在掘进过程中产生的推力会导致土体收缩，扰动原状土体，改变周围土体应力，使地表产生较大位移[2]。当软土地层地表沉降过大时，会严重影响隧道的安全稳定，威胁人民群众的生命财产安全。针对隧道盾构掘进过程中引发的地表沉降，诸多学者进行了深入研究。

郜新军等[3]依托洛阳某地铁隧道盾构工程，通过引入地表最大沉降修正系数、沉降槽宽度修正系数对Peck公式进行修正。连天等[4]依托某软土地区盾构过河工程，利用长短期记忆网络模型，给出了一种考虑施工时序性和施工过程参量的盾构过河沉降预测方法。管亚君等[5]以某新建隧道下穿公路为研究背景，建立数值模型预测了隧道下穿施工引起的公路沉降变形及变形发展规律。宋巍[6]以武汉某地铁隧道工程为背景，研究了黏聚力等对地表沉降的影响规律。丁智等[7]基于饱和土解，推导了适用于饱和黏土地层盾构曲线掘进引起地表变形的理论公式。吴波等[8]基于随机场理论框架，建立非侵入式盾构双线隧道地表变形分析有限差分模型，系统研究土体参数与双线隧道间距对地表变形的影响。张洋等[9]依托上海某工程，基于参数敏感性分析理论，得到了各地层参数对地表沉降的敏感度。管红兵等[10]应用FLAC3D软件，以某地铁双线隧道盾构推进过程为研究对象，得出双线隧道推进过程造成地表横向沉降的规律特征。潘勇等[11]以成都地铁盾构隧道工程为背景，采用FLAC3D和地表沉降监测数据，研究了在砂卵石地层中盾构隧道地表沉降值的分布规律。

综上，尽管诸多学者对隧道盾构施工过程中引发的地表沉降研究相当丰富，但研究主要集中在地表沉降的预测等方面，对软土地层隧道盾构掘进对周边地表沉降影响的直接研究相对缺乏。另外，实际施工场景较为复杂，除了隧道盾构掘进本身对土体的扰动外，还可能存在公路上方车辆荷载等对周边地表沉降的影响，因此结合理论分析与现场监测数据对软土地层隧道盾构掘进引起的地表沉降规律展开研究具有重要意义，本文得出的结论也可为其他软土地层隧道盾构掘进提供经验。

1" 工程背景

济南市某地铁隧道盾构工程位于黄河冲积平原，地势平坦，地面标高23.33～24.21 m。采用盾构法施工，沿纵三路敷设，先后下穿横二路、规划道路、现状箱涵，最后至纵三路与横三路交叉口，道路两侧主要为绿化带、林地、水塘及荒地。线路起止里程XK27+117.955～XK27+712.852，短链为0.004 m，总长594.893 m。线间距约16.2～17.2 m，最小曲线半径4 500 m。区间隧道覆土约12～14.12 m，最大纵坡4.017%。区间隧道主要穿越粉质黏土层，局部夹杂粉砂、粉土层，盾构区间主要土的物理力学参数见表1。工程区域地下水类型为第四系松散层孔隙水。工程周围环境与工程本身相互影响小，破坏后果轻微，周边环境风险等级为三级。

2" 理论分析

2.1" 隧道盾构掘进诱发地表沉降因素

隧道盾构掘进会引起周边地表沉降，影响工程安全[12]，其诱发地表沉降原因众多，综合有地质环境条件影响、水文环境条件影响，不同环境条件并不孤立而是相互影响、相互作用。

一般来说，隧道盾构掘进可能会面临富水地带、软土地带等岩体稳定性差、含水量高的多种地质条件，若处理不好严重时可能会诱发隧道发生塌方事故。此外，隧道盾构掘进遭遇膨胀岩，由于膨胀岩具有风化快、土块酥散大等特点，因为受到的应力发生变化，底部可能会发生隆起现象，随时间变化衬砌也会产生变形。隧道盾构掘进可能还会穿过危险系数较大的特殊地带，掘进时会破坏本身的平衡性。这些最终都可能会导致地表沉降。隧道盾构掘进不可避免地会造成岩石扰动，在岩石不产生扰动时，岩石与岩石间的摩擦力会保持一个平衡状态，一般来说此时岩土是稳定的，但在隧道盾构掘进中，会产生横向或纵向的应力，当这种力的大小超过临界值，使岩石间的作用力维持不了本身向下的重力时，就会产生破裂，周边地表就会产生相应的沉降或者隆起，影响隧道安全。

水文环境是隧道盾构掘进诱发地表沉降的重要原因。地下水是影响隧道施工最普遍的因素，由于普通的水具有腐蚀性、流动性、溶解性等特点，会对岩层的稳定造成破坏甚至会引起隧道的塌陷。隧道若是在断层破碎带等渗透性强的地段进行盾构掘进，地下水会随着岩层土壤持续渗入，导致盾构掘进地段岩层产生深裂缝，削弱岩层的抗压、抗剪能力，在隧道盾构掘进时使结构截面的剪切力受到破坏，因为暗流自身相当于一个封闭的空间，水的流动性与溶解性会导致其涌进隧道，造成隧道上部土层的下沉，会间接导致地面产生塌陷，造成地表沉降。大气降水也是隧道盾构掘进诱发地表沉降的重要原因，降水密集时可能会急剧改变地下水位的变化，对隧道安全产生严重影响。

2.2" 盾构隧道推进诱发地表沉降规律

为了解地表沉降规律，学者们总结并提出了多种关于地表沉降的规律方法，主要有经验公式法[13]、数值模拟法、试验分析法。

经验公式法基于统计学理论巧妙地结合运用了经验总结与理论分析，将施工经验量化并应用于实际施工项目中。以大量工程数据为基础，用数学逻辑归纳法对数据进行处理，归纳建立能够估算与数据来源工程类似工程的地表沉降的数学经验公式

式中：Ｓx为x处的横向地表沉降量（m）；Ｓmax为沉降槽横向地表最大沉降变形量（m），Ｓmax=■，？淄s为盾构隧道掘进导致的每米地层缺失量（m3/m）；x为与隧道中轴线的横向距离（m）；i为隧道盾构开完导致的地面沉降槽宽度系数。

数值模拟法是利用计算机技术，数值模拟法依据现场数据构建三维地质模型，并且随着硬件性能的增强和软件的不断更新，数值模拟在参数设置上更为全面，软件使用也更加便捷，导致现代地下隧道工程普遍采用数值模拟软件来创建工程模型，以此来判断地表沉降的变化情况，并为设计和施工提供科学支持。

实验分析法是通过现场工程地质条件和施工环境因素构造现实的物理模型，通过构造的物理模型，模拟盾构在施工过程中的地表沉降的科学研究方法，其更加还原模拟施工现场，从而得到更加与实际施工情况接近的结果。实验分析法主要包括以工程项目所在区域的地质条件为参考制作的物理模型，进行盾构施工模拟的相似材料模型试验法和通过模拟重力场模拟实际的工程地质条件，进行盾构施工模拟的离心模型实验法。

3" 监测数据分析及预控措施

3.1" 监测数据分析

根据工程特点，选取截面及监测点如图1所示。各截面监测点对应的数据如图2所示。监测点数据纵向对比如图3所示。

由图2可知，隧道盾构掘进过程中，同一截面地表沉降变化曲线整体沿盾构中线呈对称分布，最大沉降量靠近盾构中线，整体随着远离盾构中线沉降量减小，同一截面隧道上部沉降数据近似正态分布符合peak公式规律。

其中截面1最大沉降量达到了-27.96 mm，位于1-CD4附近；截面2最大沉降量达到了-24.28 mm，位于2-CD4附近；截面3最大沉降量达到了-21.49 mm，位于3-CD4附近；截面4最大沉降量达到了-15.56 mm，位于4-CD4附近。

截面1各点监测数据在60～80 d左右时经历了缓慢上升的阶段，分析原因为在20-50 d左右时地表沉降数据急剧增加，现场施工人员在50 d左右时采取了注浆等方式抑制了地表沉降的增加进而导致地表上升最终达到稳定状态。

4个截面各监测点数据整体呈现先平稳后减小最终再次平稳的状态，分析原因主要为开始时监测断面距掌子面较远，隧道开挖扰动对监测断面影响微小，随着隧道掌子面逐渐靠近监测断面，开挖引起隧道围岩土体松动变形，隧道地表监测点沉降急剧增加，最后掌子面穿越监测断面后，已构筑了封闭的支护结构，隧道围岩的应力重分布均已完成，地表沉降进入稳定阶段。

由图3可知，隧道盾构掘进过程中，相同纵向监测点地表沉降量整体从截面1—4逐渐减小，分析原因主要为盾构机从截面1向截面4方向掘进，导致隧道从截面1至4暴露时间逐渐减少。

截面1—3相对截面4各点监测点的数据曲线相对平滑，分析主要原因为截面4附近地层整体以粉质黏土为主的天然密度较小，含水量较高。

在隧道盾构掘进过程中，地表沉降整体随着时间推移逐渐增大，地表沉降变化量数值与盾构隧道推进时间和进度成正相关。

3.2" 预控措施

根据图3可知，地表沉降累计变化量最大达到了

-27.96 mm，为控制值的92%，达到预警状态。根据隧道盾构掘进施工引起的地表沉降特性采取合理的控制措施，能有效地控制盾构掘进带来的地表沉降风险，保证工程安全。地表沉降控制分为主动控制和被动控制，在实际工程中，常采用主动控制为主被动控制为辅的防控措施[13]，因此建议如下。

1）根据对隧道盾构掘进诱发地表沉降因素分析地质可知，地质环境条件是影响隧道盾构掘进造成周边地表沉降变化的重要原因之一。因此，在隧道设计阶段应尽量将地铁隧道选择在结构性强的土层，当无法避免选择在较差的土层时可通过超前注浆加固、搅拌桩法、旋喷桩法等对土层在隧道盾构施工前进行改良。在土层改良加固的处理方法的选择上应该根据土层条件、项目工程施工条件等选择最佳的土层加固方式，以达到最佳的地表沉降防控效果。

2）结合地质条件与施工条件，选取最为合适的地表沉降监测点，增加监测频率。对监测点进行监测所得数据直接反映了隧道盾构掘进引起的地表沉降变化情况。因此，选取最为合适的地表沉降监测点至关重要。实时监测地表沉降数据并记录，绘制地表沉降变化曲线。根据实时地表沉降数据和地表沉降变化曲线，判断隧道盾构掘进时地表沉降变化情况可对工程安全提供重要保障。若无法进行实时监测，也可适当增加监测频率，保证数据及时、准确、有效。

3）对隧道盾构施工参数进行调整，保证隧道盾构施工的安全性，科学控制地表沉降，保证工程安全。为控制地面沉降，要根据现场情况，及时调整盾构施工参数，保持开挖面稳定。

4" 结束语

本文以济南市某地铁隧道盾构工程为背景，应用理论分析结合现场监测数据对软土地层隧道盾构对周边地表沉降影响规律进行研究并提出合理的预控措施，结论如下。

在隧道盾构掘进过程中，4个截面各监测点数据整体呈现先平稳、后减小、最终再次平稳的状态。地表沉降整体随时间推移逐渐增大，地表沉降变化量数值与盾构隧道推进时间和进度呈正相关。

隧道盾构时，同一截面地表沉降变化曲线整体沿盾构中线呈对称分布，最大沉降量靠近盾构中线，最大沉降量位于1-CD4附近为-27.96 mm（控制值的93%），达到预警状态，通过采取及时注浆等措施能抑制地表沉降大小。

采取对土层提前加固、选择合理的监测点适当加大监测频率、及时对隧道盾构施工参数进行调整、对隧道盾构进行超前预测等方式能对地表沉降进行预控。

参考文献：

[1] 康，谢雄耀，周彪，等.盾构隧道壁后注浆智能检测的“云-边-端”架构及应用[J/OL].土木与环境工程学报（中英文），1-10[2024-12-17].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.tu.20240730.1036.002.

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[2] 杨杰.软土地区盾构隧道地表沉降规律研究[J].现代交通技术，2023，20（3）：78-83.

[3] 郜新军，魏文宇，李珊珊，等.洛阳盾构隧道地表沉降Peck公式参数修正[J/OL].郑州大学学报（工学版），１-7[2024-12-17].https：//doi.org/10.13705/j.issn.1671-6833.2025.01.010.

[4] 连天，陈友文.软土地区盾构过河地面沉降特性及其预测方法[J].岩土工程技术，2024，38（4）：402-407.