周長永，韓美勇，袁 竟

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司 濟(jì)南250013）

0 引言

地鐵施工是為了解決城市的交通問題，但盾構(gòu)機(jī)施工過程中，難免會對周圍土體產(chǎn)生影響，從而引起地表隆起或者沉降，據(jù)此，國內(nèi)外的大量學(xué)者都對此做了大量的研究，劉洪洲等人[1]、叢恩偉等人[2]、王敏強(qiáng)等人[3]以北京地鐵工程為例，分析了盾構(gòu)施工對地表沉降的影響，得到了地表沉降量和引起地表沉降因素之間的關(guān)系，其主要表現(xiàn)有以下幾方面：⑴盾構(gòu)法施工會對地表造成擾動，地表在一定的擾動范圍內(nèi)會發(fā)生橫向和縱向的位移；⑵在相同的施工條件下，地層強(qiáng)度越弱，盾構(gòu)施工引起的地層擾動范圍和程度越大，在級配較差的砂性土層中施工引起的地表沉降量要大于粘性土和粉土中的沉降量；⑶同步注漿能夠抑制地表變形，當(dāng)注漿量達(dá)到一定程度時，地表沉降會趨于穩(wěn)定，不再變化。劉招偉等人[4]、張子新等人[5]對廣州地鐵隧道施工過程進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)出了地表沉降變化規(guī)律，并分析了地鐵隧道開挖對軟弱地層造成的二次擾動。高俊強(qiáng)等人[6]、孫統(tǒng)立等人[7]通過對上海某盾構(gòu)隧道進(jìn)行實時監(jiān)測，得出了隧道開挖方向和豎直方向上的土體沉降變化規(guī)律。周文波[8]認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)施工過程中會造成土體擾動，引起地層運動，從而產(chǎn)生地表沉降，而盾構(gòu)法施工引起地表沉降因素主要與地層損失以及土體的固結(jié)沉降有關(guān)。Peck[9]在對大量隧道開挖地表沉降的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出了地層損失的概念和估算隧道開挖地表下沉的實用方法和相應(yīng)的計算公式，其計算結(jié)果表明隧道開挖所引起的地表沉降曲線大致遵循正態(tài)分布。王丁杰等人[10]結(jié)合廣州某綜合管廊的工程實例，從盾構(gòu)法應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)的技術(shù)難點、地面沉降的控制等方面闡述了盾構(gòu)法在綜合管廊建設(shè)中的可行性和適用性。馮健璋[11]以廣州軌道交通某區(qū)間下穿城市公路及橋梁工程為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬手段，對注漿加固前后地層的沉降情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明盾構(gòu)施工引起的路基最大沉降發(fā)生在開挖隧道上方且略滯后于開挖面。

綜上所述，目前對盾構(gòu)法施工引起的地表沉降的研究相對較為成熟，目前，對盾構(gòu)法施工引起的地表沉降的分析方法主要包括：經(jīng)驗公式法、解析法、理論分析法、數(shù)值分析法、現(xiàn)場實測法、和模型試驗法[12]等。但是對于填海區(qū)復(fù)雜地層情況下盾構(gòu)法施工引起的地表沉降，目前并沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，不少研究成果都無法應(yīng)用到填海地區(qū)的工程實際中。因此，本文以深圳國際會展中心配套市政項目區(qū)間盾構(gòu)施工為背景，通過軟件模擬盾構(gòu)施工過程，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，試給出填海地區(qū)復(fù)雜地層下土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工引起的地表沉降規(guī)律，為本工程的施工和相似工程提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳國際會展中心配套市政項目區(qū)間線路位于空港新城內(nèi)，區(qū)間工程沿線主要為待開發(fā)用地，在重慶路站東側(cè)現(xiàn)狀主要為廠房，該段線路主要沿規(guī)劃路展覽大道敷設(shè)，道路紅線寬50 m。線路自機(jī)重區(qū)間中間風(fēng)井開始，出中間風(fēng)井向西北穿越填?？盏兀缓蟠┻^蝦山涌、灶下涌、坳勁涌三個河涌后，穿越福州大道，到達(dá)重慶路后，在重慶路與福園二路路交叉口西側(cè)設(shè)重慶路站（見圖1）。本區(qū)段場地地勢平坦，地面高程多在3.0～7.0 m，隧道軌面埋深為16～28.5 m。中間風(fēng)井-重慶路站右線起訖里程：YDK43+434.126～YDK45+201.690（長1 767.564 m）；中間風(fēng)井-重慶路站左線起訖里程：ZDK43+432.917～ZDK45+200.522（長1 767.605 m）。區(qū)間工程采用盾構(gòu)法施工，隧道管片外徑為6.7 m，線間距12.0～17.5 m。盾構(gòu)由中間風(fēng)井雙線雙向始發(fā)，分別在重慶路站和吊出井位置接收。

圖1 區(qū)間隧道布置圖Fig.1 Arrangement of Running Tunnel

1.2 本工程復(fù)雜地層的特點

本工程區(qū)間隧道處于填海地區(qū)，盾構(gòu)隧道需穿多種復(fù)雜地層，所穿越的區(qū)域受雨水影響，地下水量豐盛，施工難度大。本工程復(fù)雜地層的特點主要表現(xiàn)在以下四個方面：

⑴多樣性：地下土層和巖層種類眾多，區(qū)間隧道穿越的地層主要為：①可塑狀砂質(zhì)粘性土、②硬塑狀砂質(zhì)粘性土、③粉質(zhì)粘土、④3-3粉細(xì)砂、⑤土狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、⑥塊狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。

⑵差異性：各類地層風(fēng)化程度和單軸抗壓強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn)，從基本無強(qiáng)度的第四系全新統(tǒng)海相沉積（Q4m）淤泥（質(zhì)）土到強(qiáng)度很高的燕山期微風(fēng)化花崗巖和石英均有分布。

⑶不均勻性：隧道部分地區(qū)需穿越上軟下硬地層，且地層中存在少量微風(fēng)化花崗巖孤石。

⑷富水性：盾構(gòu)穿越地區(qū)受潮汐及河涌影響，地下水豐富，水量較大。

2 地表沉降影響因素分析

盾構(gòu)施工過程中引起的地表沉降與諸多因素有關(guān)，國內(nèi)外大量學(xué)者通過對大量的盾構(gòu)施工過程以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，總結(jié)歸納出了影響地表沉降的主要因素包括：土體剪切破壞引起土體重塑固結(jié)、盾構(gòu)施工對周圍地層擾動引起地層應(yīng)力釋放、土體水壓力的變化引起孔隙水再平衡、盾構(gòu)機(jī)與地鐵管片之間的間隙等[13-16]。本文擬從地層損失、地層擾動以及固結(jié)沉降三個主要因素作具體分析：

⑴地層損失。在開挖土體之前，土體存在原始應(yīng)力，在隧道襯砌脫出盾尾時，需要同步壓漿，如果向隧道外的空隙壓漿不及時，或者壓漿量不足，就會對擾動周圍土體，引起地層損失從而引起沉降。

⑵地層擾動。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時其外殼與地層之間產(chǎn)生的摩擦力，土體在摩擦力作用下會形成一個滑動面?？拷瑒用娴耐馏w會產(chǎn)生剪切力，從而引起土體的變形和破壞，這種擾動使土產(chǎn)生沉降或滑移，造成地面沉降。

⑶固結(jié)沉降。由于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中的擠壓作用和盾尾的壓漿作用等，使得周圍土層形成超空隙水壓力，施工后注漿消散復(fù)原。土層因空隙水壓力變化而引起的地面沉降（主固結(jié)沉降），同時土體被擾動后，土體骨架還會隨著時間的推移發(fā)生持續(xù)的壓縮變形從而引起地面沉降（次固結(jié)沉降）。

歸納來看，地層損失以及地層擾動所引起的地表沉降，是由于盾構(gòu)機(jī)外殼和土體之間的相互作用從而導(dǎo)致土體位移場和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，這種情形下引起的地表沉降大都會在盾構(gòu)施工時呈現(xiàn)出來。而固結(jié)引起的地表沉降，其主要發(fā)生在盾構(gòu)施工之后，一般來說，固結(jié)在不同的土體中發(fā)生的時間不同，在砂性土中固結(jié)呈現(xiàn)較快，但在粘性土中則需要較長時間。因此，數(shù)值計算的重點應(yīng)針對盾構(gòu)掘進(jìn)期間的力學(xué)行為，通過全過程數(shù)值模擬，直接得到因地層損失和隧道開挖應(yīng)力釋放引起的地表沉降。

3 數(shù)值分析

3.1 有限元模型的基本假定

為了能夠合理模擬盾構(gòu)機(jī)施工過程，在進(jìn)行數(shù)值計算時，作出如下假定：

⑴ 假設(shè)隧道所處的土體均為彈塑性，同一層土體為各向同性材料，土體的本構(gòu)模型符合摩爾-庫侖準(zhǔn)則，且地表面以及各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布；

⑵假設(shè)地鐵隧道管片為線彈性材料、管片之間螺栓連接簡化為為剛性連接；

⑶假設(shè)盾構(gòu)施工過程中每次進(jìn)尺長度均等于管片寬度（1.5 m）；

⑷假設(shè)初始地應(yīng)力計算不考慮巖體的構(gòu)造應(yīng)力，只考慮巖體的自重應(yīng)力；

⑸計算中忽略地下水的滲透作用和土體的固結(jié)和蠕變作用，假定土體的變形不隨時間的變化而變化。

3.2 模型計算邊界及網(wǎng)格劃分

本工程區(qū)間段ZDK43+570～ZDK43+630隧道處地層較為復(fù)雜，且受周圍建筑物影響小，故選該里程段作為施工模擬對象，建模時模型沿隧道掘進(jìn)方向取90 m，計算寬度取60 m，隧道埋深取22 m，計算深度方向取54 m，地層情況根據(jù)本段地址勘察資料取值。根據(jù)工程實際，盾構(gòu)機(jī)外徑6.98 m，管片外徑取6.7 m，即盾尾空隙14 cm，管片每環(huán)長1.5 m，厚35 cm，混凝土管片采用線彈性模型，考慮管片接頭對管片結(jié)構(gòu)剛度的影響，把管片結(jié)構(gòu)剛度折減0.3，故管片結(jié)構(gòu)的彈性模量取為26.8 MPa。對模型約束時選取位移邊界條件，設(shè)定模型上表面為自由邊界，限制模型的兩側(cè)面的水平移動，模型底部設(shè)定為固定邊界。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model

3.3 模型計算采用的地層和材料參數(shù)

本模型采用的地層和材料參數(shù)如表1所示。

3.4 有限元計算過程

本文利用有限元方法的基本原理，借助有限元軟件Midas-GT/NX的施工階段助手來模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程。在進(jìn)行模擬盾構(gòu)隧道的計算時，隧道沿掘進(jìn)方向進(jìn)尺，按以下施工步驟進(jìn)行模擬施工：

第一步，假設(shè)左線隧道先行施工，鈍化左線隧道第一環(huán)以模擬其開挖。

第二步，模擬右線隧道第1環(huán)的開挖時，激活左線隧道第一環(huán)管片，向盾體周圍的土體施加的徑向應(yīng)力，其值等于注漿壓力。

表1 建模采用的地層及材料參數(shù)Tab.1 Strata and Material Parameters Used for Modeling

第三步，模擬左線隧道第2環(huán)的開挖時，鈍化左線隧道第1環(huán)。同時激活右線隧道第1環(huán)管片，并向盾體周圍的土體施加與注漿壓力相等的徑向應(yīng)力。

……

按照以上步驟往復(fù)循環(huán)，即開挖下一段隧道的同時對上一步已開挖的隧道段模擬添加管片和注漿壓力。如此反復(fù)循環(huán)直至開挖完成右線隧道最后一環(huán)，并對最后一段隧道模擬施加管片和注漿壓力，整個盾構(gòu)隧道推進(jìn)的模擬過程不斷循環(huán)進(jìn)行，直到隧道最后一環(huán)施工完成。此時，地層的應(yīng)力將由隧道的管片承受，整個模擬過程中，巖土體和同步注漿本構(gòu)模型采取摩爾一庫倫模型，盾構(gòu)機(jī)外殼采取平面板單元線彈性模型，隧道管片采取板單元、彈性模型。

3.5 計算結(jié)果分析

考慮到模型計算長度有限，為了能夠更好地反映地表沉降隨時間的變化規(guī)律，考慮到填海地區(qū)地層的復(fù)雜性和隧道的埋深情況，結(jié)合實際工程情況，本文選取ZDK43+570斷面，通過計算，得出該斷面在左線第一環(huán)開挖時、右線第一環(huán)開挖時以及左右線均開挖完成時的沉降量，分別如圖3a、b、c所示。

利用Midas-GTS提取各開挖階段的地表縱向位移值，繪制出ZDK43+570斷面在不同開挖階段的豎向位移曲線，如圖4所示。

根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，地表發(fā)生了沉降，其中隧道拱頂處地表的沉降量最大，離隧道越遠(yuǎn)，地表的沉降量越小，同時，地表縱向沉降隨著盾構(gòu)的推進(jìn)是逐步增大的。

4 現(xiàn)場監(jiān)測方案

為了驗證有限元分析的正確性，本文擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測方案來進(jìn)行驗證，本工程沿線路長度方向每隔30 m設(shè)置一個橫向監(jiān)測斷面，過既有建筑物時加密到每10 m一斷面，橫斷面監(jiān)測范圍為隧道開挖影響范圍之內(nèi)，每斷面根據(jù)隧道埋深的不同設(shè)置15～17個測點，測點平面布置圖如圖5所示。按照規(guī)范規(guī)定，隧道施工引起的地表位移均應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)，一般情況下，隆起值及沉降量宜控制在+10～-30 mm。

圖3 位移及應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud Charts of Displacement and Stress

圖4 ZDK43+570斷面地表沉降曲線擬合圖Fig.4 Curve-fitting of Ground Surface Settlement in the Section of ZDK43+570

圖5 地表沉降監(jiān)測點布置圖Fig.5 Monitoring Points Arrangement for Ground Surface Settlement

監(jiān)測點采用徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，按照二等閉合水準(zhǔn)線路觀測，測點安裝時將根據(jù)實際條件及監(jiān)測方便，在道路兩旁先用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入沉降測點，測點采用φ18以上的螺紋鋼筋，長800～1 000 mm半圓頭鋼筋制成?？紤]到路面結(jié)構(gòu)層會對監(jiān)測效果造成影響，所有沉降觀測點均埋設(shè)在土層內(nèi)800 mm，并保持鋼筋居中，周邊填入細(xì)砂，頂部離地面低5 cm左右并做好標(biāo)示及測點編號，再加蓋保護(hù)，如圖6所示。

根據(jù)工程的特性，選擇與有限元模型對應(yīng)的區(qū)間作為研究對象，共選取4個斷面，此段隧道埋深基本相同，其里程分別為ZDK43+570、ZDK43+600、ZDK43+630、ZDK43+660。

圖6 監(jiān)測點埋設(shè)與保護(hù)方法示意Fig.6 A example for the Methods of Monitoring Points Embedding and Protection

為了便于研究，設(shè)定每個斷面處的管片為第一環(huán)，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，在每次量測后統(tǒng)計各測點本次沉降和累計沉降，并繪制地表沉降時程曲線，如圖7所示。

對不同的斷面在同等距離的監(jiān)測沉降量進(jìn)行比較，繪制地表沉降曲線，如圖7e所示。

從圖7a～圖7c可知，在盾構(gòu)機(jī)通過后，地表沉降量關(guān)于左右隧道中心線基本呈對稱分布，并且，左右隧道的拱頂處沉降量最大，距離隧道越遠(yuǎn)，沉降量越小。隨著盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)，地表沉降曲線將繼續(xù)增大，最后基本趨于穩(wěn)定。由圖7d可知，各監(jiān)測斷面的沉降曲線線型基本一致，各斷面的沉降量在相同工況下的沉降量相差不大，因此監(jiān)測結(jié)果具有一般規(guī)律，可認(rèn)為在該地質(zhì)條件和埋深情況下，盾構(gòu)法施工時地表的沉降曲線仍然符合Peck公式。

將ZDK43+570斷面有限元計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，繪制出在不同開挖階段的地表沉降曲線，如圖7e所示。從圖7f可以看出數(shù)值分析計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相對比較相近，并且數(shù)值分析計算結(jié)果所反映的地表沉降隨地面點位置的變化規(guī)律與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合。結(jié)合實際工程施工，后期地表沉降監(jiān)測表明，ZDK43+570～ZDK43+660斷面后續(xù)的沉降量較小，基本趨于穩(wěn)定，最大沉降量為27.3 mm，符合相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)論

⑴從數(shù)值分析結(jié)果可知，地表橫向沉降最大值出現(xiàn)在兩個隧道各自的中心線位置，并且數(shù)值分析的數(shù)值與實測值相差不大，這也表明本次數(shù)值模擬效果較好，結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以為后續(xù)工程的實施提供可靠的理論依據(jù)。

⑵在填海地區(qū)的復(fù)雜地層下，雙線地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降分布曲線形態(tài)仍然符合經(jīng)典Peck公式的計算結(jié)果：距離隧道中心線越遠(yuǎn)，盾構(gòu)施工對土體擾動就越小，地表沉降表現(xiàn)就越不明顯；反之，距離隧道中心線越近，則土體所受擾動越大，相應(yīng)地，其地表沉降表現(xiàn)越明顯。

圖7 不同時刻沉降曲線Fig.7 Settlement Curve at Different Moments

⑶隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，地表沉降量急劇增大，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離，其沉降量仍在逐漸增大，但沉降量的變化速率卻逐漸變小，并且越接近拱頂這種規(guī)律越明顯。