王懷東 WANG Huai-dong；王洋 WANG Yang；崔廣宇 CUI Guang-yu；宋帥 SONG Shuai；王歡 WANG Huan

（①中鐵九局集團有限公司，沈陽 110051；②中鐵九局集團第四工程有限公司，沈陽 110032）

0 引言

隨著近年來我國城市化進程快速推進，地面交通問題日益嚴(yán)重。為此，以地鐵為主的地下交通成為了我國許多城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要一環(huán)。在城市地鐵的建設(shè)中，盾構(gòu)法是最常見的方法，其具有安全、經(jīng)濟、快速和對地表影響較小的等多方面的優(yōu)點，然而，在盾構(gòu)隧道的施工過程中，盾構(gòu)機對地層產(chǎn)生擾動，容易引起地表隆起或沉降、地下管線損壞等[1]。

針對盾構(gòu)法隧道施工而引起地表變形的問題，許多學(xué)者開展了豐富的理論與實踐研究。韓煊等[2]基于Peck公式對地鐵隧道開挖引起的地表沉降進行了預(yù)測分析。劉建航[3]基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出了利用地層損失來估算盾構(gòu)隧道前后隆起變形曲線在豎直方向上的公式；孫長軍等[4]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對大直徑盾構(gòu)下穿民房建筑群的沉降規(guī)律進行了研究，并給出了相應(yīng)的控制措施；孫宇坤等[5]對盾構(gòu)下穿建筑物引起的建筑物底部和屋頂沉降進行了監(jiān)測和分析，研究了盾構(gòu)隧道對地表砌體建筑沉降的影響規(guī)律；張自光等[6]基于有限元軟件和監(jiān)測數(shù)據(jù)開展隧道上覆巖厚度對隧道圍巖自穩(wěn)性的影響研究；王旭東等[7]通過有限元軟件研究地鐵車站覆跨比與地表位移的關(guān)系，分析了不同覆跨比下的開挖穩(wěn)定性；劉重慶等[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究了在上軟下硬地層過渡區(qū)掘進對地表沉降的規(guī)律，研究表明硬層比對地表沉降影響顯著。

本文以深圳地鐵14號線寶寶區(qū)間小凈距掘進為研究背景，對上軟下硬復(fù)合地層土壓盾構(gòu)掘進關(guān)鍵技術(shù)進行研究，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析沉降規(guī)律，總結(jié)類似地層盾構(gòu)施工經(jīng)驗，以期為類似工程提供指導(dǎo)建議。

1 工程概況與測點布置

1.1 工程概況

深圳地鐵14號線寶荷站~寶龍站采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)掘進過程中需穿越一段上軟下硬復(fù)合地層，掘進段的地層主要為粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化石英巖和強風(fēng)化石灰?guī)r。其中，上軟下硬復(fù)合地層中，上覆較軟土層為粉質(zhì)黏土，下部硬巖層為強風(fēng)化石灰?guī)r（塊狀）。為了避開小凈距盾構(gòu)隧道施工的互相影響，盾構(gòu)左線先行掘進施工，右線后行掘進，兩線盾構(gòu)平行掘進，最小距離僅為3.9m。

1.2 測點布置

根據(jù)寶寶區(qū)間的周邊環(huán)境及建筑物分布情況，盾構(gòu)區(qū)間的地表沉降按縱、橫向監(jiān)測，縱向監(jiān)測實施時，地表沉降測點布設(shè)在隧道軸線上方，測點間距為10m，每隔20m布設(shè)一個沉降觀測斷面，每個沉降監(jiān)測斷面雙線布設(shè)7個沉降監(jiān)測點?，F(xiàn)場監(jiān)測斷面橫向布置示意圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測測點布置圖

2 監(jiān)測結(jié)果分析

深圳市軌道交通工程14號線寶荷站~寶龍站區(qū)間小凈距段隧道埋深和上覆地層特性基本相同，掘進斷面內(nèi)硬層與軟層的比例有所不同。考慮研究需要，特定義“硬層比”α為：盾構(gòu)法隧道掘進施工時，上軟下硬地層中掌子面內(nèi)硬層厚度（H）與盾構(gòu)隧道直徑（D）的比值，即

由于寶~寶區(qū)間盾構(gòu)隧道埋深基本一致，上覆地層各種參數(shù)也基本相同，但盾構(gòu)隧道穿越的地層并非完全不變，掌子面硬層比隨著基巖面的起伏而變化。為了研究硬層比與對應(yīng)地面沉隆變形的關(guān)系，在隧道區(qū)間選取5個典型監(jiān)測斷面，根據(jù)現(xiàn)場實際探測調(diào)研和相應(yīng)的地質(zhì)勘察圖，計算得出其硬層比分別為0%，25%，50%，75%和100%。在盾構(gòu)掘進控制措施相同的條件下通過對典型監(jiān)測斷面的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，能夠得到不同硬層比隧道區(qū)段地表橫向曲線。

實測結(jié)果表明，盾構(gòu)法隧道掘進時，橫向監(jiān)測斷面為垂直于隧道軸線，實際監(jiān)測得到的地表最大沉降均位于隧道軸線正上方的位置，隨著垂直隧道軸線兩側(cè)距離增加，地表沉降逐漸減小，且越遠(yuǎn)離隧道軸線，地表沉降變化速率越慢?？傮w上橫向地表沉降曲線基本呈“V”字型沉降槽分布；地表橫向沉降值受硬層比的影響較為明顯，隨著硬層比的增大，地表沉降量整體上均減小。其中隧道軸線上方測點及其附近的測點的沉降量受硬層比影響更大，尤其是硬層比從25%向50%變化時，右線隧道軸線處沉降量下降30%。隨著離隧道軸線距離的增加，監(jiān)測點處沉降量受硬層比的影響較小。

3 地層沉降的數(shù)值計算與分析

3.1 計算模型及參數(shù)

本文采用有限元軟件MIDAS-GTS，對深圳地鐵14號線寶荷~寶龍區(qū)間盾構(gòu)法隧道施工引起的地層沉降變形進行三維數(shù)值模擬，考慮到隧道埋深與上覆地層巖土特性基本相同，故此，本文主要分析研究盾構(gòu)法隧道施工時，上軟下硬地層硬層比對地表沉降變形的影響。計算模型為橫向70m，隧道軸線方向長36m，垂直方向高40m。模擬的主要巖土地層和模型的結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要地層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型采用位移邊界條件，上表面為地表，采用自由邊界，水平側(cè)分別限制X方向、Y方向位移，底部為固定邊界。地層和管片通過三維實體單元模擬；盾殼和注漿等代層通過二維板單元進行模擬。地層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，管片、盾殼和等代注漿層采用彈性本構(gòu)模型。參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，C50混凝土管片的彈性模量為34.5GPa，考慮管片接頭的影響，在數(shù)值計算中，將管片的彈性模量乘以0.8的折減系數(shù)，取27.6GPa。盾構(gòu)管片外徑為3.35m，內(nèi)徑為3m，管片厚度為0.35m，考慮到實際施工過程中管片長度為1.5m，盾構(gòu)隧道每掘進1環(huán)為1個工況，共有24個工況，管片的安裝和注漿等代層同步進行，滯后于開挖面6m處。在計算時采用厚度0.14m水泥土等效層等效代替注漿層。為模擬等代注漿層硬化的過程，將注漿壓力從初始壓力減小到零，注漿層強度由初凝強度的1/4逐漸增加到初凝強度，等盾構(gòu)再向前開挖12m之后變?yōu)榻K凝強度。

3.2 施工過程模擬

由于盾構(gòu)推進的距離較長、穿越土層情況較復(fù)雜，采取交替鈍化隧道土體單元和激活盾殼單元、管片單元、注漿層來模擬隧道開挖及注漿加固過程。盾殼、注漿等代層采用板單元模擬，同時添加注漿壓力，刀盤與土體間的切削作用通過在土體表面施加環(huán)向力模擬。開挖過程模擬主要包括盾構(gòu)開挖，土倉壓力、扭矩、頂推力的施加以及注漿加固等過程，考慮注漿加固到形成強度承載需要一個過程，故通過注漿壓力和注漿層的施加來模擬，管片隨著盾構(gòu)機的推進不斷施作。

3.3 計算結(jié)果分析

如圖2為不同硬層比下由盾構(gòu)隧道施工引起的橫向地表沉降最大值現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)的對比圖。通過對比可看出，5種工況地表均出現(xiàn)不同程度的“V”型沉降槽，且由盾構(gòu)開挖引起的最大沉降并不出現(xiàn)在隧道軸線上，這是由于平行盾構(gòu)隧道距離較小，隧道埋深較淺。由于小凈距隧道的影響，隧道沉降槽向先行盾構(gòu)隧道偏移。盾構(gòu)引起的最大沉降量依次為-9.02mm、-8.59mm、-7.57mm、-4.82mm和-3.63mm。沿地表橫向?qū)挾壬系某两挡鄯植蓟疽恢隆?/p>

圖2 隧道橫向地表最終沉降值與硬層比的關(guān)系

圖4模擬地表縱向沉降曲線

圖3 為盾構(gòu)隧道施工引起的最大沉降值隨硬層比變化的數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比圖。由圖3可知，數(shù)值計算結(jié)果與實測計算結(jié)果存在一定的差異，但數(shù)值變化的總趨勢是基本一致的，造成這種差異的原因可能是由于本段區(qū)間的地質(zhì)條件十分復(fù)雜。上軟下硬地層掘進時，硬層比在0-20%和80-100%之間變化時，對地表沉降最終值影響相對較低，此時可將這種情況下的上軟下硬地層近似等效為全斷面軟巖或硬巖；當(dāng)硬層比在20%-80%之間變化時，盾構(gòu)隧道施工引起的最大沉降值受硬層比的影響較大。對此，對上軟下硬地層中小凈距盾構(gòu)隧道地表變形的研究應(yīng)著重考慮硬層比為20%-80%。

圖3 硬層比與地表最終沉降值的關(guān)系

盾構(gòu)法隧道施工過程中，地層不同硬層比時的地表縱向沉降變形模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著地層硬層比的增大，地表縱向沉降是逐漸減小的。當(dāng)硬層比在0~20%變化時，盾構(gòu)法隧道施工會對掌子面前方15m處以內(nèi)的地表隆沉產(chǎn)生影響，至掌子面后方10m處沉降量能達(dá)到沉降總量的88%；當(dāng)硬層比在80%~100%變化時，盾構(gòu)法隧道施工會對掌子面前方約10m處以內(nèi)的地表隆沉產(chǎn)生影響，至掌子面后方15m左右沉降量就達(dá)到總沉降量的88%。這表明上軟下硬地層中盾構(gòu)法隧道施工的主要影響范圍在掌子面前方15m至掌子面后方10m范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

①上軟下硬地層地表橫向沉降受硬層比的影響比較明顯，基本上表現(xiàn)為隨硬層比增大沉降槽變淺且地表沉降量整體減小。其中受硬層比的影響，隧道軸線附件監(jiān)測點的沉降量比遠(yuǎn)離隧道軸線的監(jiān)測點要大。

②上軟下硬地層中，硬層比主要影響著縱向沉降量及沉降開始、結(jié)束位置的變化上，盾構(gòu)法掘進施工時伴隨著硬層比的變大，地表縱向沉降量及影響范圍都在明顯的減小。

③上軟下硬地層中小凈距盾構(gòu)隧道施工引起的最大沉降量受小凈距影響，并不出現(xiàn)在隧道軸線的正上方。

④通過研究盾構(gòu)隧道施工引起的地表最終沉降值與硬層比的關(guān)系，建議將硬層比為20%~80%作為上軟下硬地層地表變形研究的范圍。