晏 莉（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410114）

盾構法雙管隧道施工引起的地表沉降預測及特征分析

晏 莉
（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410114）

摘要：盾構法雙管隧道施工產生的地表沉降預測方法按照不同的分析原理，可歸納為半經驗分析法、理論分析法和數值分析法。分析了各種方法的優(yōu)缺點，搜集國內外41條雙管盾構隧道工程的地表沉降實測曲線，通過對曲線分布形態(tài)及其成因的分析以及地表最大沉降值數據的歸納整理，總結了雙管隧道施工地表沉降分布的3大特點，即：1）地表沉降曲線主要呈現“單峰”和“雙峰”2種形態(tài)，雙管隧道間距及埋深是決定曲線形態(tài)的重要因素；2）影響地表沉降曲線形態(tài)的因素主要為地質和環(huán)境因素以及施工因素；3）地表最大沉降值與隧道埋深、雙管隧道的間距、地層條件以及采用的盾構方法等均有密切的聯(lián)系。

關鍵詞：盾構隧道；雙管并行隧道；地表沉降；現場量測

0　引言

城市地鐵往往修筑于建筑物、道路和地下管線等設施密集區(qū)，而地鐵施工會對地層產生擾動，從而導致地層產生一定的地表位移及變形，威脅上部已有建（構）筑物的安全。為了滿足現代化城市發(fā)展的需求，許多城市地鐵建設均采用了雙管甚至多管形式，這些隧道不僅布置比較緊密（即隧道之間的間距較?。?，而且在許多情況下，隧道距離地表面埋深很淺，且臨近地面建筑物。與單管隧道相比，雙管并行隧道的施工對地層的擾動更大，由此產生的地表沉降也表現出更為復雜的特征。

雙管隧道施工通常是一前一后的順序通過同一斷面，而后掘進的隧道往往會產生比先前掘進隧道更大的地表沉降［1］。雙管隧道施工相互影響的結果就是產生不對稱的地表沉降曲線［2］，而雙管隧道施工的相互影響程度又受諸多因素的影響，如地層條件、隧道間

距、初始應力場、盾構不同的操控參數以及先后到達的時間間隔等。因此，雙管并行隧道施工產生的地表沉降曲線分布特征及其預測問題成為許多學者所關心的焦點問題，但是，由于問題本身的復雜性，導致各種研究都具有一定的局限性。

本文在前人研究的基礎上，對雙管并行隧道施工產生的地表沉降預測方法進行了概括與總結，分析了各種方法的利弊。在此基礎上，搜集了大量雙管盾構隧道施工的現場地表沉降觀測資料，分析了隧道開挖產生的地表沉降曲線分布特點，以及不同因素對雙管并行隧道施工產生的最大地表沉降值的影響，以期為今后同類工程設計和施工提供參考。

1　雙管隧道開挖地表沉降的預測方法

1.1半經驗分析方法

半經驗分析方法即結合隧道施工的地表沉降現場量測數據，采用數學方法或人工神經網絡方法對地表沉降值進行擬合，得到隧道開挖引起的整個地表沉降曲線公式。許多學者基于單管隧道施工產生的地表沉降預測公式，提出了雙管隧道開挖引起的地表沉降經驗預測［3－5］。至今，單管隧道地表沉降最經典的經驗公式為Peck公式，即Peck（1969年）在大量隧道開挖地表沉降實測資料的基礎上，系統(tǒng)地提出地層損失概念和估算單管隧道開挖地表下沉的實用方法，公式為：

式中：S為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降值；Smax為隧道中心線處地表最大沉降值；i為地表沉降槽寬度系數，即地表沉降曲線反彎點至隧道中心軸線的距離。

由式（1）可知，只要確定了Smax和i，就可得到單管隧道開挖的地表下沉曲線。對于Smax和i，已有學者進行了大量研究，得到了一些非常實用的圖表，如建立在實測數據基礎上研究的Attewell法、O’ReillyNew法、Hanya法及Fujita法等［7－10］。

計算雙管并行隧道開挖引起的地表下沉曲線，最為普遍的方法就是將2條隧道開挖分別產生的地表下沉曲線疊加起來。如New和O’Reilly利用這種疊加法得出了雙管并行圓形隧道開挖引起的地表下沉曲線公式為［11］：

式中：Vs為沉降槽的斷面積；K為經驗常數；Z為地表至隧道中心的深度；y為地表點距第1條隧道中軸線的距離；D為2條隧道之間的中心距。

此外，文獻［12］提出將Fujita針對日本的94個工程實測案例資料進行分析，得到的隧道采用不同盾構施工方法穿越不同土層所產生的地表最大沉降值Smax（如表1所示［10］），與Peck在文獻［6］中給出的隧道在不同地層條件下開挖沉降槽寬度與隧道埋深的無量綱關系曲線同時運用到式（1）中，這樣便可確定單管隧道開挖產生地表沉降的一個大致范圍，再通過疊加計算，即可得到雙管隧道開挖產生的地表沉降值范圍［12］。

表1　預計的最大地表沉降量［10］Table 1 Maximum ground surface settlement predicted［10］mm

經驗分析法最大的優(yōu)點就是方便、簡單，由于計算公式簡單，因此，在對雙管隧道開挖引起的地表沉降進行預測時十分便捷。但是，經驗分析法無法考慮雙管隧道由于接近施工所產生的相互影響，因此，只能適用于雙管隧道有足夠大間距的情況。此外，現場實測地表沉降值是半經驗法預測雙管隧道施工地表沉降的前提，但是量測值在一定程度上受到多重因素的影響，如地層條件、施工方法或施工參數等，進而影響地表沉降預測的準確性。因此，擬合曲線的適用范圍有一定的局限性。

1.2理論分析方法

雙管隧道施工是十分復雜的相互影響問題。國內外許多學者通過研究，已經獲得了深埋雙管隧道施工產生的圍巖應力和位移解析解，但是由于地鐵盾構隧道埋深較淺，不能忽略地表邊界對圍巖位移的影響，無法直接使用深埋雙管隧道的理論解析解來進行地表沉降預測。

對于淺埋雙管隧道的地表沉降問題，其相應的理論解析解至今仍不多見。隨機介質理論雖然可以成功地預測隧道及地下工程建設產生的地表移動及變形問題，但是，在計算雙管并行隧道建設所引起的地表下沉時，同樣是將2條隧道引起的地表沉降值疊加而獲得，無法考慮雙管隧道施工的相互影響［13－15］。

對于在均質彈性地基上進行雙管隧道開挖，ZHOU Xiaowen等［16］通過對點荷載下Mindlin位移解進行積分，利用泰勒級數進行展開，獲得了二維和三維地面沉降的近似顯式解析解。晏莉等［17］結合復變函數理論以及交替算法，借助計算機編程，獲得了半無限平面內雙孔平行隧道施加洞周應力情況下圍巖的應力和位移解。但是，上述方法都將地基考慮成均質彈性

地基，與實際巖土材料的力學特性相距甚遠。

由此可見，理論解析解的計算推導過程復雜且繁瑣，可操控性不強，而且由于雙管隧道問題本身的復雜性，難以建立完全與工程實際相一致的力學分析模型，得到的理論解析解僅適用于做一些相關的規(guī)律性分析，難以直接用于指導實際工程。

1.3數值分析方法

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，二維和三維數值計算技術越來越多地被應用于雙管地表沉降曲線的預測中［18－20］。其基本方法大致為：依據工程實際情況建立數值計算模型，模擬隧道的施工，最終得到地表沉降值，然后再利用數學曲線進行擬合。如Hunt［18］（2005年）通過二維有限元計算分析，提出了一種改進的預測雙管隧道地表沉降曲線的方法。該方法主要修改了第2座隧道上方“重疊區(qū)域”產生的地表移動，“重疊區(qū)域”是指在第1座隧道先行開挖的情況下，已經對該區(qū)域產生過擾動的土體范圍。提出地表和地表以下土體產生位移的修改函數

式中：Z＝（Zo－Z）；A為沉降槽寬度系數的倍數，常取為2.5或3.0；M為基于數值分析得到的最大修正值，假設作用在第1條隧道中軸線上，也就是說，第1條隧道上方地層在此處產生的垂直位移增量最大，介于0.6～1.5。

利用修正函數F，可計算得到修正的第2條隧道上方產生的沉降曲線S2mod，其中，S2由式（1）得到。式（4）不僅可以計算地表的沉降，而且同樣適用于計算地表以下土體的位移。

S2mod＝FS2。（4）

最后，利用Peck公式計算得到第1條隧道開挖的地表沉降值與式（4）計算得到第2條隧道施工的地表沉降值疊加，便得到了雙管平行隧道開挖的地表沉降曲線［21］。

數值分析方法的計算過程主要由計算機完成，而且相對可以模擬比較復雜的工程地質環(huán)境，可以將眾多的因素考慮進去，因此，其適用性非常廣泛。但是，建立一個能與土體行為完全吻合的理想數值模型是一件十分困難的事情。

綜合上述已有的研究可知，雙管隧道施工是個十分復雜的問題，對其引起的地表沉降預測仍然是個難題，雖然有多種方法都可以進行相應的計算，但是各種方法又有其相應的局限性。因此，在工程中應該視具體情況合理選擇相應的方法，對雙管并行隧道施工引起的地表沉降進行預測。

2　地表沉降現場監(jiān)測資料

隧道施工的地表沉降現場量測數據可以最直接、直觀地了解實際雙管隧道施工中所產生的地表沉降曲線分布形式和特點，是準確預測雙管隧道開挖產生地表沉降曲線最實用的基礎條件。

結合大量文獻資料，搜集了國內外41個雙管并行隧道工程實例的地表沉降量測曲線［9，18，22－37］，根據采用的不同盾構施工方法以及所穿越的不同土層情況，將其分為5組，如圖1—5所示。圖1—5中，Z為地表至隧道中心的距離，R為隧道半徑，d為2條隧道的中心間距。在實體工程中，隧道深徑比Z／D（即隧道埋深與直徑的比值）的分布范圍為1.25～5.39，而隧道間徑比d／D（即2條隧道的中心距與隧道直徑的比值）則在1.29～5.5。其中，在黏性土和砂性土中采用開敞式盾構施工的隧道分別有12例和4例，而在黏性土和砂性土中采用土壓平衡盾構施工的隧道分別有22例和3例。采用開敞式盾構施工的隧道，其施工年代都是比較早期的，并且普遍采用了一些輔助施工方法，如降低地下水位、壓氣法及化學注漿等。

3　平行隧道開挖地表沉降分布特點

結合前人對雙管并行隧道開挖的研究以及圖1—5所示的現場實測地表沉降曲線圖，雙管并行圓形隧道盾構法施工產生的地表沉降分布特點可概括如下。

3.1雙管隧道開挖產生的地表沉降曲線主要呈現“單峰”和“雙峰”2種分布形態(tài)，2條隧道的間距及埋深是決定曲線形態(tài)的重要因素

晏莉在文獻［38］中利用復變函數和交替算法研究發(fā)現：當2條隧道距離很近（當Z／D＝1時，d／D≤1.83）或者埋深較深（當d／D＝1.5時，Z／D＞0.5）時，地表沉降曲線呈現“單峰”分布，即在2條隧道中心對稱軸附近產生的地表沉降值最大，隨后，距離該軸越遠，地表沉降值越小，這與單管隧道開挖產生的地表沉降分布形態(tài)相同；反之，當2條隧道相隔較遠或者埋深較淺時，地表沉降曲線則呈現“雙峰”分布，即地表沉降曲線分別在2條隧道的上方位置各出現一個最大值。由于文獻［38］中給出的條件限定范圍相對來說比較狹窄，因此，僅在一個大致范圍內進行比較。圖1—5中共有9條曲線呈現出“雙峰”分布形態(tài)，而這9條曲線中圖1（a）的隧道間徑比d／D＝1.91最小，但是均大于1.83，同時，隧道的深徑比Z／D大部分在1～3，除圖3（o）和圖5（a）的隧道間徑比都很大的情況（d／D＞5）。其他的32條“單峰”分布曲線中，有許多工程的隧道間徑比也大于1.83，如圖1（e～h）和圖2 （a）所示，這主要是因為開敞式盾構施工都采用了輔助施工方法，提高了地基的整體穩(wěn)定性。另外，圖3 （c～k）和圖4（a）所示的“單峰”分布曲線，隧道間徑比也大于1.83，但是隧道深徑比Z／D都在3左右，遠遠大于文獻［38］中Z／D＝1的條件。因此，可以看出2條隧道的間距和埋深共同決定著雙管隧道開挖產生的地表沉降曲線的形態(tài)。

圖1　黏性土中開敞式盾構施工的平行雙管隧道開挖后的地表沉降量測曲線Fig.1 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in cohesive soil：bored by open shields

圖2　砂性土中開敞式盾構施工的平行雙管隧道開挖后的地表沉降量測曲線Fig.2 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in sandy soil：bored by open shields

圖3　國外黏性土中土壓平衡盾構施工的平行雙管隧道開挖后的地表沉降量測曲線Fig.3 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in cohesive soil abroad：bored by EPB shields

3.2地表沉降曲線形態(tài)各異，其主要影響因素為地質和環(huán)境因素、施工因素2方面

由圖1—5可知，雙管并行隧道修建引起的地表沉降分布曲線，有的沿2條隧道中心軸線呈對稱分布，有的出現對稱軸偏移，而有的則呈現不對稱分布形態(tài)，甚至有的會產生地表隆起。比如：圖1（a）所示的德國Frankfurt地鐵的地表沉降槽呈現“雙峰”分布形態(tài)，但是右線上方最大的土體位移要明顯大于左線上方土體

最大位移值約30 mm，這是因為在該處有一建筑物座落于隧道的右上方，無形中增加了右線隧道上方的荷載，故地表沉降曲線呈現不對稱分布形態(tài)［22］；圖5 （b）南京地鐵1號線許—南區(qū)間H17監(jiān)測斷面的地表沉降分布曲線也呈現不對稱分布，這是因為隧道右線先行掘進，3個月后左線始發(fā)，而左線在掘進時參考相同地段右線掘進的成功經驗，對掘進參數的設置進行了優(yōu)化，使得左線施工產生的地表沉降槽明顯小于右線掘進產生的沉降槽，因此，整個地表的沉降曲線呈現出右邊大左邊小的形式［35］。

圖4　國內黏性土中土壓平衡盾構施工的平行雙管隧道開挖后的地表沉降量測曲線Fig.4 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in cohesive soil in China：bored by EPB shields

圖5　砂性土中土壓平衡盾構施工的平行雙管隧道開挖后的地表沉降量測曲線Fig.5 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in sandy soil：bored by EPB shields

雙管并行隧道開挖產生的地表沉降曲線呈現對稱軸偏移的情況，大部分發(fā)生在2條隧道間距較小處，此時產生的地表沉降曲線為“單峰”分布。這是因為雙管隧道的實際施工是一前一后，先行施工的第1條隧道擾動了第2條隧道上方的土體，因此，在大多數情況下，第2條隧道施工引起的地表沉降比第1條大，所以，總體的地表沉降槽會往第2條隧道方向偏移。如圖3（g）所示曼谷MRTA項目監(jiān)測斷面A（23－AR－001）的地表沉降曲線，在該斷面右線隧道先行掘進，左線隧道后掘進，導致最終的地表沉降曲線對稱軸往

左線發(fā)生了偏移［36］，但偏移值不大。

此外，如圖3（l）所示曼谷MRTA項目監(jiān)測斷面C （CS－8G）的地表沉降曲線發(fā)生了隆起。在該斷面左線隧道先行施工，此時觀測到的地表沉降很小，即盾構經過了1周后最大僅5 mm沉降，這與土壓平衡盾構施工時采用了優(yōu)化的掌子面壓力200 kPa有關［36］。但是，當右線隧道掘進經過該斷面時，地表卻產生了隆起，甚至在盾構施工過去1周后，地表仍有隆起，產生這種現象的主要原因是施工時采用的掌子面壓力很大，高達390 kPa，約為在該深度側向土壓力的2倍。因此，盾構施工將土體往外擠出，導致右線隧道上方的地表產生了隆起。

3.3雙管盾構隧道施工產生的地表最大沉降值與隧道埋深、2條隧道的間距、地層條件以及采用的盾構方法均有密切聯(lián)系

通過對第2節(jié)41個地表沉降的現場觀測數據進行歸納和總結，得出了雙管并行隧道在不同情況下修建產生的地表最大沉降值與隧道埋深和隧道間距之間的關系圖，分別如圖6和圖7所示。其規(guī)律可以總結如下：

圖6　雙管并行隧道的埋深與開挖所產生的地表最大沉降量的關系Fig.6 Correlation between tunnel depth and maximum groundsurface settlement due to construction of twintube tunnels

1）雙管并行隧道在黏性土層中施工產生的最大地表沉降值大于在砂性土層中施工所產生的值。

2）在黏性土層中，雙管并行隧道采用開敞式盾構施工產生的地表最大沉降值大于采用土壓平衡盾構施工方法；而在砂性土層中，雙管并行隧道采用何種盾構施工方法對地表產生的最大沉降值影響不大。

3）在黏性土層中采用開敞式盾構施工，雙管并行隧道施工產生的地表最大沉降值大致隨著隧道埋深的增加而增加；而采用土壓平衡盾構施工，如果施工控制得當，可以有效地減少隧道開挖所產生的地表沉降。

圖7　雙管并行隧道的間距與開挖所產生的地表最大沉降量的關系Fig.7 Correlation between distance between tunnel tubes and maximum ground surface settlement due to construction of twintube tunnels

4）雙管隧道之間的間距對施工產生的地表最大沉降值影響明顯，2個洞室距離越近，其開挖后產生的地表最大沉降值越大。

4　結論與討論

掌握隧道施工對地層擾動產生的地表位移規(guī)律，可以大大降低隧道施工引起的地層上部建（構）筑物發(fā)生傾斜、變形甚至破壞的風險。本文通過搜集大量的國內外文獻，歸納總結了雙管并行隧道施工產生的地表沉降預測方法，以及盾構法施工的雙管并行隧道地表沉降分布的3大特點，主要結論如下：

1）目前，用于雙管隧道地表沉降預測的半經驗分析法、理論分析法和數值分析法各有利弊，在實際工作中應該視具體情況選用，且各種方法都還有待進一步提高。

2）雙管隧道施工產生的地表沉降分布規(guī)律遠比單管隧道復雜，在進行地表沉降預測時應盡可能將其所有影響因素都考慮進去，包括雙管隧道的間距、埋深、地層條件、環(huán)境因素以及施工因素等。

雙管并行隧道施工地表沉降的現場實測資料庫還有待進一步豐富，以期建立雙管隧道地表沉降與其相關影響因素的具體預測公式。文中所述的雙管并行隧道施工產生的地表沉降規(guī)律也有待在后續(xù)的研究中逐步加以驗證和完善。

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Prediction and Characteristic Analysis of Ground Surface Settlement Caused by Construction of Twintube Tunnels

YAN Li
（School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，Hunan，China）

Abstract：Based on the different analysis principles，the methods used to predict the ground surface settlement caused by the construction of twintube tunnels are classified into semiempirical analysis method，theoretical analysis method and numerical analysis method，whose advantages and disadvantages are analyzed.Curves of measured ground surface settlement caused by the construction of 41 twintube tunnels at home and abroad are collected.Through the analysis on the shape and causes of the curves as well as the analysis on the data of the maximum ground surface settlement，the following three main characteristics are summarized for the distribution curves of the ground surface settlement caused by the shield construction of twintube tunnels：1）The ground surface settlement curves mainly present“unimodal”and “bimodal”forms.Both the distance between twin tubes and the tunnel depth have great influence on the curve forms；2）The main factors that have influence on the ground surface settlement distribution curves include the geological factors，the environmental factors and the construction factors；3）The maximum ground surface settlement is closely related to the tunnel depth，the distance between the twin tubes，the ground conditions and the shield tunneling method.

Key words：shield tunnelling；twintube tunnel；ground surface settlement；field measurement

作者簡介：晏莉（1979—），女，湖南株洲人，2008年畢業(yè)于中南大學，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，講師，主要從事隧道與巖土工程方面的教學與研究工作。

基金項目：國家自然科學基金項目（51408067）；湖南省教育廳一般項目（12C0036）；長沙理工大學橋梁與隧道工程重點學科基金項目

收稿日期：2014－12－09；修回日期：2015－02－12

中圖分類號：U 456.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）05－0419－09

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.005