富水地层盾构施工引起的沉降实测分析

时间：2024-12-28

蔡浩明

（中国铁建华东区域总部，杭州 310000）

0 引言

随着地铁建设的发展，地铁开挖的土层越来越复杂，而软弱土层的地铁施工也越来越多。杭州地区正加快城市交通网建设，规划了22条轨交线路。但杭州地区由于地铁建造起步晚，对于杭州地区典型的淤泥质粉质粘土及粉质粘土等土层中盾构施工引起的地层损失率η和地表沉降槽宽度系数K的研究仍相对较少。

目前，关于隧道施工引起的地表沉降现象，国内外的学者很早就进行了研究，并得到了许多成果。吴世明等[1]对杭州庆春路过江隧道泥水盾构穿越钱塘江南岸大堤的工程现场实测数据进行了分析，得到该地区的沉降槽系数等，并提出了优化盾构掘进参数、加强位移监测等沉降防控措施。吕培林等[2]通过对工程现场的大量实测数据的整理和分析，研究了上部荷载作用下的沉降变形槽规律。研究表明列车循环荷载作用会使得盾构隧道的沉降槽深度和宽度增大。司金标等[3]通过对国内首例软土中类矩形盾构隧道施工地表沉降数据分析发现，地表沉降随着施工的进行呈现四个阶段：缓慢沉降、急剧沉降、快速沉降、平稳沉降。贾报新[4]采用线性回归的方法对大连5号线盾构施工实测数据进行了分析，并在Peck公式中根据实测规律引入了两个沉降修正系数，使其适合于大连上软下硬土层施工中的地表沉降预测。宋新海[5]以某市的管廊项目为依托，通过对地表沉降规律的研究结合Peck公式对该地区的地表沉降槽进行反算。研究结果表明，砂土层进行施工时，适用的地表沉降槽宽度系数i取值为2～5，最大沉降量约为10～14mm。隧道上覆土层较厚时，地表沉降量较小。陶思海[6]通过对宁波类矩形盾构隧道施工导致的地表沉降实测数据的分析，得到了适用于该地区的最大地表沉降值Smax取值以及沉降槽宽度i、宽度系数K等，并对宽度系数K、地层损失率的分布规律进行了分析,确定了相应的建议值。张运强等[7]通过分析地表与以下土层的沉降规律，考虑了种类土体的参数a，掌子面地表位移释放率η以及相应的地表纵向沉降最大斜率k,提出不同种类土体中单、双洞盾构隧道施工诱发地层三维沉降的计算公式，并结合实测数据进行了验证。张彬[8]以上海11号线的实测数据为基础，引入了沉降槽宽度修正系数改进了Peck公式使其符合施工工况要求，研究结果表明，当沉降修正系数介于0.2～1.2,宽度修正系数介于0.4～1.6之间时可以得到较好的拟合曲线。

文中以杭州地铁8号线一期工程SG8-2标文桥区间风井～桥头堡站盾构区间为施工背景，给出长期沉降监测方案，并通过对大量沉降实测数据的采集分析，结合Peck公式反分析得到适合杭州地区典型土层的盾构开挖引起的地层损失率η以及地表沉降槽的宽度系数K的参考值。并通过有限元模拟分析，对控制地表沉降的主要盾构施工参数，盾尾注浆压力进行研究，计算出最优的盾尾注浆压力值，为该地区的盾构施工工程提供参考。

1 工程概况

1.1 管线分布情况

杭州地铁8号线一期工程SG8-2标文桥区间风井～桥头堡站盾构区间是连接下沙和大江东两大板块的重要线路。盾构从钱塘江西北侧的文桥区间风井始发，向东进行盾构施工，经过钱塘江底，于钱塘江东南侧的桥头堡站进行接收。盾构施工采用大直径泥水盾构，盾构埋深为9.5～36.5m，盾构开挖直径为11.71m。该盾构区间总长约3.4km，其中盾构穿江段约2.8km，工程位置图如图1所示。

图1 工程位置

1.2 工程地质与水文

区间穿越土层从上至下依次为素填土、砂质粉土、砂质粉土夹粉砂、粉砂、淤泥质粉质粘土夹粉土、粉质粘土、粉质粘土夹粉砂。潜水位平均深度为地下2.1m。土层分布剖面图见图2。

图2 土层纵向剖面

1.3 地表沉降监测方案

针对盾构施工引起的地表沉降监测，沿隧道掘进方向，每隔30m为一沉降监测断面；垂直隧道掘进方向，以隧道的轴线为中心，往两侧布设沉降监测点，每一监测断面需布设13个测点，测点间距分别为 4、6、6、4、4、4、4、4、4、6、6、4m，具体测点布置图见图3。

图3 地表沉降测点布置

1.4 地表沉降变形控制标准

城市地铁穿越区域一般为地表建筑物密集的繁华区域，故其对于施工中的地表沉降控制极为严格。GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[9]中要求软土地区中盾构掘进施工引起的地表累计隆起值不超过10mm，地表沉降变化速率不超过3mm/d；DB11/490-2007《地铁工程监控量测技术规程》[10]要求盾构法施工区域地表隆起不超过10mm，地表沉降不超过25mm；软土区的盾构施工需要严格掘进中的施工参数控制，才能保障盾构施工期间的地表变形符合规范要求。

2 实测分析

2.1 分析方法简介

地层损失率定义为单位长度的土体损失量除以隧道开挖的面积，其在一定程度上能体现地质条件与施工水平的影响。目前关于地层损失率η的常用取值方法主要有4种：①以Lee[11]为代表的等效土体损失参数理论计算方法；②以O'Reilly和New[12]、Attewell[13]等为代表的考虑不同地质和土层影响的的经验取值方法；③以王振信[14]为代表的进出泥浆密度差或渣土重量的现场实测方法；④基于Peck公式的反分析法[15]。

文中考虑到现场施工中参数取值的适用性，采用的是Peck公式的反分析法。将实测得到的地表最大沉降值Smax、地表沉降槽宽度参数i和隧道直径D带入到式（1）可得到相应的地层损失率η；又已知隧道埋深和宽度槽参数，可带入式（2），获得对应的沉降槽宽度系数K。从而得到该地区的地层损失率和沉降槽宽度系数，给同一地区施工的类似工程提供借鉴。

2.2 地层损失率及地表沉降槽宽度参数

文中选取 DBC80、DBC95、DBC110、DBC125、DBC 140、DBC155、DBC200共7个断面地表沉降监测数据进行地层损失率分析，各断面的地表沉降最大值随盾构开挖面位置的变化曲线见图4。图4中横轴为0处监测断面位置，负值为盾构掘进还未到达监测断面位置。

图4 地表最大沉降值发展

由图4可知，7个断面的地表沉降值发展规律类似，都随着地铁盾构的靠近，地表沉降迅速增大。当盾构施工远离监测断面时，其地表沉降变化速率随着距离的增大而减小。在监测断面距离开挖面30m内，地表的沉降值都影响较大。而超过30m后，其沉降发展曲线出现反弯点，沉降速率开始逐渐减小并趋于稳定。

由于工程现场实测时很容易将盾构引起的地层损失量与排水固结导致的地层压缩量混合在一起，导致地层损失量估算误差较大。根据Fang[16]的研究，文中采用盾尾脱离后2d内的实测沉降作为施工阶段的地表沉降量。工程中的盾构掘进速度约为4～5环每天，管片长2m，结合图4和Fang[16]的研究，取开挖面距离各监测断面30m的实测数据来计算该断面的地层损失率η和相应的沉降槽宽度系数K。

图5为盾构开挖面距离监测断面30m时的地表沉降曲线。由图5可知其沉降曲线基本符合Peck公式曲线趋势。都呈现中间部位沉降量较大，两侧迅速减小。

图5 各断面沉降曲线

通过对各断面的沉降数据进行高斯曲线拟合，就可以得到各个断面沉降槽跨度参数i，再根据式（1）和式（2）计算，就可以得到各个断面处的地层损失率η和地表沉降槽宽度系数K。两个沉降断面的沉降数据拟合图如图6所示，表1为各个监测断面的计算结果汇总。

图6 DBC80与DBC110断面高斯曲线拟合

由表1可知，该区间段大直径泥水盾构施工引起的地表最大沉降值最大为21.8mm，最小为11.3mm。地层损失率η的取值的范围为0.26%～0.55%，该区段平均取值为0.42%，地表沉降槽宽度系数K在0.29～0.49范围内，平均值为0.37。

表1 各断面沉降参数

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

考虑到盾构模型的对称性以及观测现象的方便性，文中建立一半模型对盾构掘进过程中引起的地表沉降进行研究分析。考虑到盾构施工的影响范围，模型尺寸选择掘进方向即Y方向100m，垂直于盾构掘进方向（X方向）60m，模型高为60m。

该尺寸的模型可以避免边界条件对于结果的影响。模型底部采用完全固定边界，四周仅能进行竖直方向位移，顶部土体则不限制其位移条件。模型的土体本构考虑到其掘进行为存在卸荷作用，才采用HSS模型来考虑实际工程中软土层的土体位移。具体土层参数见表2、表3。在网格划分时对监测断面处的土体及隧道周围土体进行局部加密，划分网格共生成45782个单元，60358个节点。具体模型图见图7。

图7 有限元模型

表2 土层参数

表3 土层HSS参数取值

隧道管片采用实体单元模拟，C50混凝土，厚度取0.5m，单环管片长2m，管片外径5.85m，内径5.35m，重度24.2kN/m3，弹性模量E=34.5GPa。盾构机采用板单元模拟，厚度为0.35m，总长度近似取12m。开挖面支护力参考实际施工中的参数取值为320kPa。盾尾注浆压力根据实际分析所需选取。盾构掘进施工4环/d。监测断面位于Y=40m处，盾构初始开挖面为Y=24m，最终开挖面为Y=72m，共开挖48m。

3.2 模型合理性验证

图8为地表最大沉降值随盾构掘进的变化的对比曲线。图9为盾构掘进施工完成时的地表沉降对比曲线。

图8 地表最大沉降值发展曲线

图9 地表沉降曲线

由图可知，数值模拟得到的隧道轴线处地表最大沉降值为-16.8mm，地表沉降槽最大曲率为0.75mm/m；现场实测数据中隧道轴线处地表最大沉降值为-15.8mm，地表沉降槽最大曲率为0.80mm/m。两者差值较小，可以采用该模型来研究盾构掘进中盾构施工参数对地表的影响规律。

4 盾尾注浆压力临界值及最优解

叶飞等[17]考虑盾构掘进施工时地层稳定性的计算公式为：

式中，Pmax和Pmin分别为盾尾注浆压力的上临界值和下临界值；γ为土层的天然重度；h为盾构的覆土厚度；c为粘聚力；φ为土体内摩擦角。

文中考虑盾构在掘进过程中的地表变形值与围岩稳定来确定盾构盾尾注浆压力的上、下临界值。其地表变形值主要根据规范，盾构工程监测等级为一级时，其施工引起的地表最大隆起不超过10mm，地最大沉降不超过25mm。并且定义当盾尾注浆压力过小导致地表沉降超过25mm的临界值为P1；盾尾注浆压力过小导致围岩失稳的临界值为P2（通过有限元反复试算确定）；盾尾注浆压力过大导致地表隆起超过10mm的临界值为P3;盾尾注浆压力过大导致围岩劈裂破坏的临界值为P4（通过有限元反复试算确定）。此时盾尾注浆压力的下临界值为Pmin=max{P1，P2}；盾尾注浆压力的上临界值为Pmax=min{P3，P4}。

同时，为了通过上、下临界值得到盾尾注浆压力的最优值Popt，引入安全系数n，安全系数n需满足下式：

由此可以推出：

图10为不同盾尾注浆压力下地表沉降曲线关系图。从图中可以看出，地表沉降随着注浆压力的增大先快速减小，后慢慢趋于稳定。地表沉降值为25mm时对应的盾尾注浆压力临界值P1=360kPa。

图10 盾尾注浆压力与地表沉降曲线

通过有限元反复试算，确定导致隧道围岩失稳时的盾尾注浆压力临界值P2=295kPa，导致围岩发生劈裂破坏的盾尾注浆压力临界值为P4=780kPa。

因此，采用文中提出的方法确定的盾尾注浆压力下临界值Pmin=360kPa，上临界值Pmax=780kPa，并将其代入式（5）和式（6），得到安全系数 n=1.472，盾尾注浆压力最优值Popt=530kPa。

将表2中的土体参数代入式（3）～式（6），得到叶飞等以主、被动土压力公式考虑地层稳定性得到的盾尾注浆压力下临界值Pmin=237kPa，上临界值Pmax=884kPa，安全系数n=1.931，盾尾注浆压力最优值Popt=458kPa。

两者结果相对比，由于文中基于相关规范考虑了地表沉降控制值，而地表沉降超出控制值往往发生在围岩失稳之前，因此文中得到的盾尾注浆压力下临界值更大；又由于文中所选取的粉质粘土层属于典型的“老黏土”地层，土体粘聚力要比叶飞等采用的参数大得多，因此文中导致围岩破坏的盾尾注浆压力上临界值则更小；从而文中得到的盾尾注浆压力安全取值范围也更小。该方法更适合于粉质粘土地层的最优注浆压力控制。