蔡浩明

（中國鐵建華東區(qū)域總部，杭州 310000）

0 引言

隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，地鐵開挖的土層越來越復(fù)雜，而軟弱土層的地鐵施工也越來越多。杭州地區(qū)正加快城市交通網(wǎng)建設(shè)，規(guī)劃了22條軌交線路。但杭州地區(qū)由于地鐵建造起步晚，對于杭州地區(qū)典型的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土等土層中盾構(gòu)施工引起的地層損失率η和地表沉降槽寬度系數(shù)K的研究仍相對較少。

目前，關(guān)于隧道施工引起的地表沉降現(xiàn)象，國內(nèi)外的學(xué)者很早就進(jìn)行了研究，并得到了許多成果。吳世明等[1]對杭州慶春路過江隧道泥水盾構(gòu)穿越錢塘江南岸大堤的工程現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到該地區(qū)的沉降槽系數(shù)等，并提出了優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)位移監(jiān)測等沉降防控措施。呂培林等[2]通過對工程現(xiàn)場的大量實(shí)測數(shù)據(jù)的整理和分析，研究了上部荷載作用下的沉降變形槽規(guī)律。研究表明列車循環(huán)荷載作用會使得盾構(gòu)隧道的沉降槽深度和寬度增大。司金標(biāo)等[3]通過對國內(nèi)首例軟土中類矩形盾構(gòu)隧道施工地表沉降數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，地表沉降隨著施工的進(jìn)行呈現(xiàn)四個(gè)階段：緩慢沉降、急劇沉降、快速沉降、平穩(wěn)沉降。賈報(bào)新[4]采用線性回歸的方法對大連5號線盾構(gòu)施工實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并在Peck公式中根據(jù)實(shí)測規(guī)律引入了兩個(gè)沉降修正系數(shù)，使其適合于大連上軟下硬土層施工中的地表沉降預(yù)測。宋新海[5]以某市的管廊項(xiàng)目為依托，通過對地表沉降規(guī)律的研究結(jié)合Peck公式對該地區(qū)的地表沉降槽進(jìn)行反算。研究結(jié)果表明，砂土層進(jìn)行施工時(shí)，適用的地表沉降槽寬度系數(shù)i取值為2～5，最大沉降量約為10～14mm。隧道上覆土層較厚時(shí)，地表沉降量較小。陶思海[6]通過對寧波類矩形盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致的地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得到了適用于該地區(qū)的最大地表沉降值Smax取值以及沉降槽寬度i、寬度系數(shù)K等，并對寬度系數(shù)K、地層損失率的分布規(guī)律進(jìn)行了分析,確定了相應(yīng)的建議值。張運(yùn)強(qiáng)等[7]通過分析地表與以下土層的沉降規(guī)律，考慮了種類土體的參數(shù)a，掌子面地表位移釋放率η以及相應(yīng)的地表縱向沉降最大斜率k,提出不同種類土體中單、雙洞盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)地層三維沉降的計(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。張彬[8]以上海11號線的實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入了沉降槽寬度修正系數(shù)改進(jìn)了Peck公式使其符合施工工況要求，研究結(jié)果表明，當(dāng)沉降修正系數(shù)介于0.2～1.2,寬度修正系數(shù)介于0.4～1.6之間時(shí)可以得到較好的擬合曲線。

文中以杭州地鐵8號線一期工程SG8-2標(biāo)文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站盾構(gòu)區(qū)間為施工背景，給出長期沉降監(jiān)測方案，并通過對大量沉降實(shí)測數(shù)據(jù)的采集分析，結(jié)合Peck公式反分析得到適合杭州地區(qū)典型土層的盾構(gòu)開挖引起的地層損失率η以及地表沉降槽的寬度系數(shù)K的參考值。并通過有限元模擬分析，對控制地表沉降的主要盾構(gòu)施工參數(shù)，盾尾注漿壓力進(jìn)行研究，計(jì)算出最優(yōu)的盾尾注漿壓力值，為該地區(qū)的盾構(gòu)施工工程提供參考。

1 工程概況

1.1 管線分布情況

杭州地鐵8號線一期工程SG8-2標(biāo)文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站盾構(gòu)區(qū)間是連接下沙和大江東兩大板塊的重要線路。盾構(gòu)從錢塘江西北側(cè)的文橋區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，向東進(jìn)行盾構(gòu)施工，經(jīng)過錢塘江底，于錢塘江東南側(cè)的橋頭堡站進(jìn)行接收。盾構(gòu)施工采用大直徑泥水盾構(gòu)，盾構(gòu)埋深為9.5～36.5m，盾構(gòu)開挖直徑為11.71m。該盾構(gòu)區(qū)間總長約3.4km，其中盾構(gòu)穿江段約2.8km，工程位置圖如圖1所示。

圖1 工程位置

1.2 工程地質(zhì)與水文

區(qū)間穿越土層從上至下依次為素填土、砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉砂。潛水位平均深度為地下2.1m。土層分布剖面圖見圖2。

圖2 土層縱向剖面

1.3 地表沉降監(jiān)測方案

針對盾構(gòu)施工引起的地表沉降監(jiān)測，沿隧道掘進(jìn)方向，每隔30m為一沉降監(jiān)測斷面；垂直隧道掘進(jìn)方向，以隧道的軸線為中心，往兩側(cè)布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，每一監(jiān)測斷面需布設(shè)13個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距分別為 4、6、6、4、4、4、4、4、4、6、6、4m，具體測點(diǎn)布置圖見圖3。

圖3 地表沉降測點(diǎn)布置

1.4 地表沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)

城市地鐵穿越區(qū)域一般為地表建筑物密集的繁華區(qū)域，故其對于施工中的地表沉降控制極為嚴(yán)格。GB50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9]中要求軟土地區(qū)中盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的地表累計(jì)隆起值不超過10mm，地表沉降變化速率不超過3mm/d；DB11/490-2007《地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[10]要求盾構(gòu)法施工區(qū)域地表隆起不超過10mm，地表沉降不超過25mm；軟土區(qū)的盾構(gòu)施工需要嚴(yán)格掘進(jìn)中的施工參數(shù)控制，才能保障盾構(gòu)施工期間的地表變形符合規(guī)范要求。

2 實(shí)測分析

2.1 分析方法簡介

地層損失率定義為單位長度的土體損失量除以隧道開挖的面積，其在一定程度上能體現(xiàn)地質(zhì)條件與施工水平的影響。目前關(guān)于地層損失率η的常用取值方法主要有4種：①以Lee[11]為代表的等效土體損失參數(shù)理論計(jì)算方法；②以O(shè)'Reilly和New[12]、Attewell[13]等為代表的考慮不同地質(zhì)和土層影響的的經(jīng)驗(yàn)取值方法；③以王振信[14]為代表的進(jìn)出泥漿密度差或渣土重量的現(xiàn)場實(shí)測方法；④基于Peck公式的反分析法[15]。

文中考慮到現(xiàn)場施工中參數(shù)取值的適用性，采用的是Peck公式的反分析法。將實(shí)測得到的地表最大沉降值Smax、地表沉降槽寬度參數(shù)i和隧道直徑D帶入到式（1）可得到相應(yīng)的地層損失率η；又已知隧道埋深和寬度槽參數(shù)，可帶入式（2），獲得對應(yīng)的沉降槽寬度系數(shù)K。從而得到該地區(qū)的地層損失率和沉降槽寬度系數(shù)，給同一地區(qū)施工的類似工程提供借鑒。

2.2 地層損失率及地表沉降槽寬度參數(shù)

文中選取 DBC80、DBC95、DBC110、DBC125、DBC 140、DBC155、DBC200共7個(gè)斷面地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行地層損失率分析，各斷面的地表沉降最大值隨盾構(gòu)開挖面位置的變化曲線見圖4。圖4中橫軸為0處監(jiān)測斷面位置，負(fù)值為盾構(gòu)掘進(jìn)還未到達(dá)監(jiān)測斷面位置。

圖4 地表最大沉降值發(fā)展

由圖4可知，7個(gè)斷面的地表沉降值發(fā)展規(guī)律類似，都隨著地鐵盾構(gòu)的靠近，地表沉降迅速增大。當(dāng)盾構(gòu)施工遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面時(shí)，其地表沉降變化速率隨著距離的增大而減小。在監(jiān)測斷面距離開挖面30m內(nèi)，地表的沉降值都影響較大。而超過30m后，其沉降發(fā)展曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，沉降速率開始逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

由于工程現(xiàn)場實(shí)測時(shí)很容易將盾構(gòu)引起的地層損失量與排水固結(jié)導(dǎo)致的地層壓縮量混合在一起，導(dǎo)致地層損失量估算誤差較大。根據(jù)Fang[16]的研究，文中采用盾尾脫離后2d內(nèi)的實(shí)測沉降作為施工階段的地表沉降量。工程中的盾構(gòu)掘進(jìn)速度約為4～5環(huán)每天，管片長2m，結(jié)合圖4和Fang[16]的研究，取開挖面距離各監(jiān)測斷面30m的實(shí)測數(shù)據(jù)來計(jì)算該斷面的地層損失率η和相應(yīng)的沉降槽寬度系數(shù)K。

圖5為盾構(gòu)開挖面距離監(jiān)測斷面30m時(shí)的地表沉降曲線。由圖5可知其沉降曲線基本符合Peck公式曲線趨勢。都呈現(xiàn)中間部位沉降量較大，兩側(cè)迅速減小。

圖5 各斷面沉降曲線

通過對各斷面的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯曲線擬合，就可以得到各個(gè)斷面沉降槽跨度參數(shù)i，再根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算，就可以得到各個(gè)斷面處的地層損失率η和地表沉降槽寬度系數(shù)K。兩個(gè)沉降斷面的沉降數(shù)據(jù)擬合圖如圖6所示，表1為各個(gè)監(jiān)測斷面的計(jì)算結(jié)果匯總。

圖6 DBC80與DBC110斷面高斯曲線擬合

由表1可知，該區(qū)間段大直徑泥水盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降值最大為21.8mm，最小為11.3mm。地層損失率η的取值的范圍為0.26%～0.55%，該區(qū)段平均取值為0.42%，地表沉降槽寬度系數(shù)K在0.29～0.49范圍內(nèi)，平均值為0.37。

表1 各斷面沉降參數(shù)

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

考慮到盾構(gòu)模型的對稱性以及觀測現(xiàn)象的方便性，文中建立一半模型對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起的地表沉降進(jìn)行研究分析。考慮到盾構(gòu)施工的影響范圍，模型尺寸選擇掘進(jìn)方向即Y方向100m，垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向（X方向）60m，模型高為60m。

該尺寸的模型可以避免邊界條件對于結(jié)果的影響。模型底部采用完全固定邊界，四周僅能進(jìn)行豎直方向位移，頂部土體則不限制其位移條件。模型的土體本構(gòu)考慮到其掘進(jìn)行為存在卸荷作用，才采用HSS模型來考慮實(shí)際工程中軟土層的土體位移。具體土層參數(shù)見表2、表3。在網(wǎng)格劃分時(shí)對監(jiān)測斷面處的土體及隧道周圍土體進(jìn)行局部加密，劃分網(wǎng)格共生成45782個(gè)單元，60358個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體模型圖見圖7。

圖7 有限元模型

表2 土層參數(shù)

表3 土層HSS參數(shù)取值

隧道管片采用實(shí)體單元模擬，C50混凝土，厚度取0.5m，單環(huán)管片長2m，管片外徑5.85m，內(nèi)徑5.35m，重度24.2kN/m3，彈性模量E=34.5GPa。盾構(gòu)機(jī)采用板單元模擬，厚度為0.35m，總長度近似取12m。開挖面支護(hù)力參考實(shí)際施工中的參數(shù)取值為320kPa。盾尾注漿壓力根據(jù)實(shí)際分析所需選取。盾構(gòu)掘進(jìn)施工4環(huán)/d。監(jiān)測斷面位于Y=40m處，盾構(gòu)初始開挖面為Y=24m，最終開挖面為Y=72m，共開挖48m。

3.2 模型合理性驗(yàn)證

圖8為地表最大沉降值隨盾構(gòu)掘進(jìn)的變化的對比曲線。圖9為盾構(gòu)掘進(jìn)施工完成時(shí)的地表沉降對比曲線。

圖8 地表最大沉降值發(fā)展曲線

圖9 地表沉降曲線

由圖可知，數(shù)值模擬得到的隧道軸線處地表最大沉降值為-16.8mm，地表沉降槽最大曲率為0.75mm/m；現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)中隧道軸線處地表最大沉降值為-15.8mm，地表沉降槽最大曲率為0.80mm/m。兩者差值較小，可以采用該模型來研究盾構(gòu)掘進(jìn)中盾構(gòu)施工參數(shù)對地表的影響規(guī)律。

4 盾尾注漿壓力臨界值及最優(yōu)解

葉飛等[17]考慮盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)地層穩(wěn)定性的計(jì)算公式為：

式中，Pmax和Pmin分別為盾尾注漿壓力的上臨界值和下臨界值；γ為土層的天然重度；h為盾構(gòu)的覆土厚度；c為粘聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

文中考慮盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中的地表變形值與圍巖穩(wěn)定來確定盾構(gòu)盾尾注漿壓力的上、下臨界值。其地表變形值主要根據(jù)規(guī)范，盾構(gòu)工程監(jiān)測等級為一級時(shí)，其施工引起的地表最大隆起不超過10mm，地最大沉降不超過25mm。并且定義當(dāng)盾尾注漿壓力過小導(dǎo)致地表沉降超過25mm的臨界值為P1；盾尾注漿壓力過小導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)的臨界值為P2（通過有限元反復(fù)試算確定）；盾尾注漿壓力過大導(dǎo)致地表隆起超過10mm的臨界值為P3;盾尾注漿壓力過大導(dǎo)致圍巖劈裂破壞的臨界值為P4（通過有限元反復(fù)試算確定）。此時(shí)盾尾注漿壓力的下臨界值為Pmin=max{P1，P2}；盾尾注漿壓力的上臨界值為Pmax=min{P3，P4}。

同時(shí)，為了通過上、下臨界值得到盾尾注漿壓力的最優(yōu)值Popt，引入安全系數(shù)n，安全系數(shù)n需滿足下式：

由此可以推出：

圖10為不同盾尾注漿壓力下地表沉降曲線關(guān)系圖。從圖中可以看出，地表沉降隨著注漿壓力的增大先快速減小，后慢慢趨于穩(wěn)定。地表沉降值為25mm時(shí)對應(yīng)的盾尾注漿壓力臨界值P1=360kPa。

圖10 盾尾注漿壓力與地表沉降曲線

通過有限元反復(fù)試算，確定導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)時(shí)的盾尾注漿壓力臨界值P2=295kPa，導(dǎo)致圍巖發(fā)生劈裂破壞的盾尾注漿壓力臨界值為P4=780kPa。

因此，采用文中提出的方法確定的盾尾注漿壓力下臨界值Pmin=360kPa，上臨界值Pmax=780kPa，并將其代入式（5）和式（6），得到安全系數(shù) n=1.472，盾尾注漿壓力最優(yōu)值Popt=530kPa。

將表2中的土體參數(shù)代入式（3）～式（6），得到葉飛等以主、被動土壓力公式考慮地層穩(wěn)定性得到的盾尾注漿壓力下臨界值Pmin=237kPa，上臨界值Pmax=884kPa，安全系數(shù)n=1.931，盾尾注漿壓力最優(yōu)值Popt=458kPa。

兩者結(jié)果相對比，由于文中基于相關(guān)規(guī)范考慮了地表沉降控制值，而地表沉降超出控制值往往發(fā)生在圍巖失穩(wěn)之前，因此文中得到的盾尾注漿壓力下臨界值更大；又由于文中所選取的粉質(zhì)粘土層屬于典型的“老黏土”地層，土體粘聚力要比葉飛等采用的參數(shù)大得多，因此文中導(dǎo)致圍巖破壞的盾尾注漿壓力上臨界值則更?。粡亩闹械玫降亩芪沧{壓力安全取值范圍也更小。該方法更適合于粉質(zhì)粘土地層的最優(yōu)注漿壓力控制。

5 結(jié)語

以杭州地鐵8號線SG8-2標(biāo)文橋區(qū)間風(fēng)井-橋頭堡站區(qū)間大直徑泥水盾構(gòu)施工為工程背景，通過數(shù)據(jù)分析與有限元模擬手段，對該地區(qū)的沉降槽參數(shù)以及控制地表沉降的最優(yōu)盾尾注漿壓力進(jìn)行了分析，得到了如下結(jié)論：

（1） 杭州地區(qū)典型的粉砂、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土等土層中泥水盾構(gòu)施工引起的地層損失率η參考范圍為0.26%～0.55%，平均值為0.42%，地表沉降槽寬度系數(shù)K的參考范圍為0.29～0.49，平均值為0.37。

（2） 提出了考慮地表沉降變形和圍巖穩(wěn)定的盾尾注漿壓力臨界值及最優(yōu)值的取值方法，在該工況下的最優(yōu)值為530kPa。