余莉,牛曉燕，何計彬,郭偉

(1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

?

軟土地層小凈距隧道盾構(gòu)施工地表沉降規(guī)律分析

余莉1,牛曉燕1，何計彬2,郭偉2

(1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

在軟土地層中，針對小凈距盾構(gòu)隧道施工的地表沉降規(guī)律分析，對保證安全施工與控制地表沉降具有重要的意義.以蘇州地鐵4號線軟土地層為例，根據(jù)現(xiàn)場條件，設(shè)計監(jiān)測斷面，對比單洞與雙洞施工的地表沉降的變化規(guī)律，并進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：后行洞施工對先行洞的影響是一個擠壓、剪切與拉伸的過程,地表沉降量也隨之增減；隨著后行洞掌子面向前推進(jìn)，先行洞地表土體縱、橫向沉降量先增大和后減小；先行洞施工后形成的擾動圈，使得后行洞的地表沉降量始終大于先行洞的沉降量.

軟土地層；小凈距隧道；盾構(gòu)施工；地表沉降；

隨著城市化建設(shè)的不斷深化，為解決城市交通擁擠的現(xiàn)象，對地下空間的開發(fā)和利用也成為當(dāng)今城市發(fā)展需求.城市地鐵隧道不是城市一誕生就有所規(guī)劃，而是隨著城市的逐漸發(fā)展而隨之產(chǎn)生的，地鐵規(guī)劃和建設(shè)不僅要保證地面建筑物的安全，還要保證施工時不能破壞地下管線等已有地下設(shè)施.因此，在地鐵選線時，一般都是沿著城市地表道路，一方面是為了乘客乘車的方便，另一方面是為了避開高層建筑物的樁基、地下室與地下管線等.按照規(guī)范[1]對小凈距隧道的定義(在軟巖地段隧道凈距小于4B為小凈距隧道，B表示隧道寬度)，那么城市地鐵大部分都是小凈距隧道，但機(jī)械盾構(gòu)施工與山嶺隧道的新奧法施工不可同日而語，且土體與巖體性質(zhì)也有較大差異.小凈距盾構(gòu)隧道在修建的過程中必然存在著復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系與交互影響，對它們的研究對保證隧道自身支護(hù)結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定具有重要意義.

國內(nèi)外學(xué)者對雙孔小凈距盾構(gòu)隧道施工的地表沉降規(guī)律也進(jìn)行了較多研究.朱才輝等[2]通過對西安地鐵2號線試驗(yàn)段地表沉降實(shí)測資料進(jìn)行反演，提出來的間隙參數(shù)計算方法及修正等代層模型能較為真實(shí)地反映施工工藝水平，能夠?yàn)槎軜?gòu)施工地面沉降控制提供一定的參考；徐俊杰[3]以廣州地鐵3號線客村站至大塘站區(qū)間隧道盾構(gòu)工程為背景，利用ANSYS對施工過程進(jìn)行了三維有限元動態(tài)施工模擬，研究了地表沉降規(guī)律；叢恩偉[4]結(jié)合北京地鐵5號線盾構(gòu)試驗(yàn)段施工項(xiàng)目，對北京地區(qū)特有地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行研究；張飛進(jìn)[5]針對北京地鐵10號線芍藥居至北土城東站區(qū)間隧道下穿既有城鐵13號線芍藥居車站結(jié)構(gòu)這一實(shí)際工程，通過大量的現(xiàn)場監(jiān)測資料分析，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對橫向地表沉降和縱向地表沉降的影響過程；鄭淑芬[6]運(yùn)用有限元軟件MIDAS分析了產(chǎn)生地表沉降的機(jī)理和影響地表沉降的因素以及地表沉降的大致規(guī)律；劉昌[7]利用ANSYS有限元軟件生死單元和連續(xù)時步的功能，對引起地表沉降的各種因素進(jìn)行了比較分析，得出了地層縱向沉降和橫向沉降以及水平位移的規(guī)律；李曙光[8]對南京地鐵1號線玄武門站至許府巷站及許府巷站至南京站區(qū)間，土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工引起的土體變形特性進(jìn)行了分析，研究了地表沉降過程及其分布規(guī)律.上述研究為地表沉降規(guī)律的研究奠定了基礎(chǔ)，但是在總結(jié)盾構(gòu)近距離施工的縱、橫向地表沉降中還不夠完善.本文根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，總結(jié)和歸納雙孔小凈距盾構(gòu)隧道施工的地表沉降規(guī)律.

1 工程背景

蘇州市軌道交通4號線安元西路站至春申湖路站區(qū)間范圍為測設(shè)里程右CK2+530.801～右CK3+989.163，全長1 458.362 m，為雙向隧道，隧道中心距離4～11.00 m，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，軌面標(biāo)高-18.65～11.40 m，隧道結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高-20.093～12.843 m，區(qū)間設(shè)聯(lián)絡(luò)通道及泵房二處分別位于右CK3+076.250及右CK3+500.000.盾構(gòu)隧道施工的支護(hù)體系與開挖基本是同步的，主要采用管片和二次注漿進(jìn)行支護(hù).

根據(jù)蘇州軟土地層地鐵修建區(qū)域的埋深為5～16 m，在此埋深下地鐵施工影響的土層主要為雜填土層、黏土層、粉土層、粉質(zhì)黏土(湖湘沉積層，軟土).

據(jù)區(qū)域水文資料，蘇州市歷年最高潛水位標(biāo)高2.63 m，最低潛水位標(biāo)高為0.21 m.

2 小凈距雙孔平行隧道施工相關(guān)理論

2.1 縱斷面位移

圖1 盾構(gòu)引起地面沉降過程Fig.1 Process of ground subsidence caused by shield

2.2 雙孔平行隧道橫斷面位移相關(guān)理論

根據(jù)趙明[9]的研究可知：建立了不同凈距的隧道，認(rèn)為2個隧道之間的相互影響關(guān)系隨著凈距的增大而減小，隨著凈距的減小而增大，當(dāng)2個隧道之間的凈距增大到一定范圍就沒有影響了.相鄰隧道之間的相互影響是有一定范圍的，隧道施工時產(chǎn)生的重分布應(yīng)力決定了相互影響關(guān)系的大小.隨著2隧道的凈距減小，隧道周圍的重分布應(yīng)力區(qū)就疊加的越多，且越來越惡化.應(yīng)力惡化會使得地表沉降范圍增大.

嚴(yán)長征[10]運(yùn)用位移疊加法研究盾構(gòu)近距離施工引起的位移變化規(guī)律.盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力，造成了地表變形從而引起地表位移主要包括盾構(gòu)正面應(yīng)力、側(cè)壁摩阻力與土層損失.這3個力造成的位移，分別用(u1，v1，w1)、(u2，v2，w2)及(v3，w3)表示，并按照一定的公式計算，其中(v3，w3)不同于按照三維解析計算獲得的(u1，v1，w1)、(u2，v2，w2)從平面應(yīng)變的角度計算的結(jié)果.通過分析平面應(yīng)變的假設(shè)可知，較常見的原型隧道，地層損失引起的地層位移以環(huán)向收斂為主，忽略平行于軸向的地層位移，即u3=0，因而土體損失引起的三向地層位移為(0，v3，w3).它的計算均基于彈性小變形假定，具有可疊加性，因而盾構(gòu)施工引起的地層總量位移分別計算由盾構(gòu)正面壓力、側(cè)壁摩阻力以及土體損失三者引起地層變形后直接疊加求得.

劉波[11]等人利用修正的Peck法預(yù)測了雙孔平行隧道施工的地表沉降趨勢，得到在同一埋深雙孔平行隧道修正Peck公式為

(1)

(2)

式中,S(X)為平行雙隧道的橫斷面上與雙隧道軸中心線距離為X處地面點(diǎn)的沉降量；L為雙線隧道之間的中心距；Smax為單隧道開挖引起的地表沉降量最大值；Vi為施工引起的隧道單位長度的地層損失；i為沉降槽寬度系數(shù),即地表沉降曲線反彎點(diǎn)與原點(diǎn)的距離，i值由下式計算，

(3)

式中，H為覆土厚度，φ為土體內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值.

3 現(xiàn)場地表沉降測試

采用蘇州地鐵4號線安園西路站至春申湖路站的實(shí)際監(jiān)測斷面進(jìn)行實(shí)例分析.為了對比模擬數(shù)據(jù)的可靠性，在現(xiàn)場也采集了先行右洞隧道縱向斷面和橫斷面沉降值，左、右洞之間的凈距為4.2～4.5 m，埋深為15 m，分別對比先行隧道和后行隧道施工的交互影響地表沉降值.

3.1 監(jiān)測方法

沉降監(jiān)測儀器采用DS05高精度水準(zhǔn)儀.在監(jiān)測過程中，每次從工作基準(zhǔn)點(diǎn)起算，采用精密幾何水準(zhǔn)測量方法按國家二等水準(zhǔn)測量要求測定各監(jiān)測點(diǎn)的高程，初始值測量必須觀測3次取平均值.

3.2 測點(diǎn)布置

施工中主要設(shè)定了8個監(jiān)測斷面來分析地表位移，其布置形式見圖2，其中3個監(jiān)測斷面按圖進(jìn)行布置(CK2+610、CK2+640、CK2+670)，共有7個監(jiān)測點(diǎn)，而另外5個斷面受場地限制，只有5個監(jiān)測點(diǎn)；同時，在分析過程中，選取典型的CK2+640進(jìn)行分析，其他點(diǎn)的數(shù)據(jù)受施工的各種條件影響，不具代表性.縱向監(jiān)測見圖2的Z1，對其監(jiān)測也分為6步，先行右洞施工到達(dá)C6斷面時、到達(dá)C7與到達(dá)C8共采集數(shù)據(jù)3次，后行左洞施工到達(dá)C6斷面時、到達(dá)C7與到達(dá)C8共采集數(shù)據(jù)3次.

土體地表橫向沉降監(jiān)測點(diǎn)的布置見圖3，在2隧道中心線布置的監(jiān)測點(diǎn)較近，隨著離中心線越遠(yuǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的布置也加大，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)的采集在先行隧道施工時采集3次，包括盾構(gòu)機(jī)C6斷面時、到達(dá)C7與到達(dá)C8.盾構(gòu)機(jī)對后行隧道施工時采集3次，包括盾構(gòu)機(jī)C6斷面時、到達(dá)C7與到達(dá)C8.共采集6次數(shù)據(jù).

圖2 斷面布置示意Fig.2 Layout of section

圖3 橫向斷面測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of horizontal section

4 沉降規(guī)律分析

4.1 縱向沉降監(jiān)測值對比分析

1)從圖4可知，先行洞施工對后行洞產(chǎn)生了較大影響，使得后行左洞地表橫向沉降量增加.對比先行洞和后行洞分別到達(dá)C6斷面監(jiān)測點(diǎn)Z12(即圖中監(jiān)測點(diǎn)4)的沉降量可知，后行洞的沉降量增加了-6.5 mm.

2)從圖4可知，后行洞施工對先行洞產(chǎn)生了影響，后行洞施工使得先行洞的地表縱向沉降量增加.對比先行洞到達(dá)C7的監(jiān)測點(diǎn)C84(圖中監(jiān)測點(diǎn)5)與后行洞到達(dá)C7時監(jiān)測點(diǎn)C84的地表沉降量可知，后行洞的沉降量增加了4.4 mm.

3)由圖4可知，對于先行洞到達(dá)C6，隨著距離施工面由近到遠(yuǎn)，沉降量逐漸減小(對比監(jiān)測點(diǎn)C64與監(jiān)測點(diǎn)C84，其沉降量由-4.6 mm變?yōu)?)，說明當(dāng)先行洞到達(dá)C6時，其沉降量是最大的.而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過后，其沉降量有慢慢回彈的現(xiàn)象，見先行洞到達(dá)C7時，監(jiān)測點(diǎn)C64(圖中監(jiān)測點(diǎn)1)，其沉降量由-4.6 mm變?yōu)?4.4 mm；對于后行洞，隨著距離施工面由近到遠(yuǎn)，在先行洞的影響下，沉降量逐漸減小，對比后行洞到達(dá)C8的監(jiān)測點(diǎn)C84與C64的沉降量可知，其沉降量為-9.8 mm與-6.9 mm，減小了2.9 mm.

4)從圖4可以看出，先行洞到達(dá)C6后符合理論情況，隨著施工步驟的增加，同一沉降曲線發(fā)生了較大變化(即沉降量不在同一水平面上).說明施工是一個動態(tài)過程，對比先行洞到達(dá)C6、C7、C8的監(jiān)測點(diǎn)C64，沉降量分別為-4.6 mm、-4.4 mm和-4.3 mm，說明盾構(gòu)施工對土體的影響不僅包括單純的沉降，有沉降，也有回彈，而回彈的量小于沉降量.

5)從圖5可知，后行左洞對先行洞施工的不同施工步的增值曲線基本一致.后行左洞第1步與先行右洞第3步施工的縱向沉降量做減法，得到Z1-3-1增值；后行左洞第2步與先行右洞第3步施工的縱向沉降量做減法，得到Z1-3-2增值；后行左洞第3步與先行右洞與第3步施工的縱向沉降量做減法，得到Z1-3-3'增值.對比3條增值曲線的起伏狀態(tài)可知，其變化規(guī)律基本一致，且隨著后行洞施工步的增加其增值減小.見Z1-3-3'增值曲線可知，沉降增值經(jīng)歷了先增大后減小的一個過程，最大增值與最小增值相差-0.9 mm.說明后行洞的施工對先行洞的影響是一個過程量，在施工經(jīng)過時增值較大，說明此時左右洞之間的相互影響強(qiáng)烈，可能后行洞施工對先行洞造成了強(qiáng)烈的擠壓、剪切和拉伸作用.當(dāng)后行洞施工掌子面距離監(jiān)測點(diǎn)越來越遠(yuǎn)時，影響量減小，且土體有回彈的現(xiàn)象，且回彈量小于沉降量，見Z1-3-1'增值曲線，施工最近點(diǎn)的沉降量增值為2.9 mm，而距離最遠(yuǎn)的監(jiān)測點(diǎn)5為0.6 mm.

橫坐標(biāo)1-5分別表示監(jiān)測點(diǎn)C64、Z11、C74、Z12、C84圖4 Z1監(jiān)測線數(shù)據(jù)對比分析Fig.4 Comparison and analysis of Z1 monitoring data

橫坐標(biāo)1-5分別表示監(jiān)測點(diǎn)C64、Z11、C74、Z12、C84圖5 Z1監(jiān)測點(diǎn)沉降量增值對比Fig.5 Comparison of the value added ofZ1 monitoring points

4.2 交互影響的橫向沉降監(jiān)測值對比分析

1)從圖6可知，先行洞施工對后行洞產(chǎn)生了較大影響，使得后行左洞地表橫向沉降量增加.對比先行洞到達(dá)C6與后行洞到達(dá)C6的監(jiān)測點(diǎn)C63(圖中監(jiān)測點(diǎn)3)的沉降量可知，由-4.1 mm變?yōu)榱?7.9 mm，后行洞施工的地表沉降量增加了3.8 mm.

2)從圖6可知，后行洞施工對先行洞產(chǎn)生了影響，后行洞施工使得地表橫向沉降量增加.對比后行洞到達(dá)C7與先行洞到達(dá)C7的監(jiān)測點(diǎn)C61可知，沉降量分別為-3.6 mm與-0.4 mm，增加了3.2 mm.

3)從圖6可知，對于先行洞到達(dá)C6，隨著距離施工面由近到遠(yuǎn)，沉降量逐漸減小，對比監(jiān)測點(diǎn)C66與C61可知，沉降量減少了5.7 mm，說明當(dāng)先行洞到達(dá)C6時(監(jiān)測點(diǎn)C66)，其沉降量是最大的，而經(jīng)過后，其沉降量有慢慢減小的現(xiàn)象；對于后行洞，隨著距離施工面由近到遠(yuǎn)，在先行洞的影響下，沉降量逐漸減小.對比后行洞到達(dá)C8的監(jiān)測點(diǎn)C63與C61的沉降量可知，其沉降量為-6.8 mm與-3.1 mm，減小了3.7 mm.

4)從圖6可以看出，根據(jù)先行洞到達(dá)C6、C7、C8與后行洞到達(dá)C6、C7、C8的監(jiān)測曲線的曲率半徑可知，后行洞施工較先行洞施工后的影響范圍增大，說明雙洞施工比單洞施工對土體的擾動范圍大.

5)從圖7可知，后行洞對先行洞施工的不同施工步的增值曲線基本一致，見圖中的3條曲線的起伏狀況.后行左洞第1步與先行右洞第3步施工的橫向沉降量做減法，得到C8-C6'增值；后行左洞第2步與先行右洞第3步施工的橫向沉降量做減法，得到C8-C7'增值；后行左洞第3步與先行右洞第3步施工的橫向沉降量做減法，得到C8-C8'增值.幾條增值曲線的起伏變化規(guī)律較一致，且隨著后行洞施工步的進(jìn)行其增值也在減小(對比C8-C8'增值曲線與C8-C6'增值曲線的監(jiān)測點(diǎn)C61可知，增值由-0.19 mm變?yōu)?0.31 mm，減小了0.12 mm)，說明后行左洞的施工對先行洞的影響是一個時間過程量，在施工經(jīng)過時較大，說明此時左右洞之間的相互影響強(qiáng)烈，可能后行洞施工對先行洞造成了強(qiáng)烈的擠壓、剪切和拉伸作用.當(dāng)后行右洞施工距離隧道越來越遠(yuǎn)時，影響量減小，且土體有回彈的現(xiàn)象.

橫坐標(biāo)1-7分別表示C6斷面的監(jiān)測點(diǎn)C61、C62、C63、C64、C65、C66、C67圖6 C6監(jiān)測線數(shù)據(jù)對比分析Fig.6 Comparison and analysis of C6 monitoring data

橫坐標(biāo)1-7分別表示C6斷面的監(jiān)測點(diǎn)C61、C62、C63、C64、C65、C66、C67圖7 C6監(jiān)測點(diǎn)沉降量增值對比Fig.7 Comparison of the value added of C6 monitoring points

6)從圖7中可以看出，在接近后行洞的沉降量增值的變化過程也是一個隨著施工步驟增加而減小的過程.對比曲線C8-C8'增值與C8-C6'增值的監(jiān)測點(diǎn)C64可知，沉降量增值分別為6.5 mm與7.6 mm，減小了1.1 mm.

5 結(jié)論

后行洞施工對先行洞的影響規(guī)律，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1)后行洞施工對先行洞的影響是一個過程(未到達(dá)時、經(jīng)過時與通過后)，表現(xiàn)在縱、橫向沉降曲線上，就是先行洞沉降量的先增大后減小并趨于穩(wěn)定，說明先行洞周圍土體的受力也是一個過程量，即受到擠壓、擠壓與剪切并存、拉伸的過程，沉降量也隨之而改變.

2)針對后行洞施工對先行洞的影響過程(未到達(dá)時、經(jīng)過時與通過后)，對比縱、橫向沉降量，先行洞地表土體沉降速度經(jīng)歷了先增大和后減小的過程，說明先行洞地表土體在盾構(gòu)施工通過后有回彈的現(xiàn)象，且沉降量的回彈值始終小于沉降值.

3)先行洞施工后形成的擾動圈，使得一定凈距內(nèi)的軟土土質(zhì)發(fā)生了變化，使得先行洞與后行洞的地表沉降值不同，即先行洞的沉降值大于后行洞的沉降值.

[1] JTGD70/2—2014,公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].2014.

[2] 朱才輝,李寧,柳厚祥,等.盾構(gòu)施工工藝誘發(fā)地表沉降規(guī)律淺析[J].巖土力學(xué),2011,01:158-164. ZHUCH，LI N，LIUHX，et al. Analysis of ground settlement induced by workmanship of shield tunnelling [J].Rock and Soil Mechanics,2011,01:158-164.DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2011.01.026

[3] 徐俊杰.土壓平衡盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析[D].成都：西南交通大學(xué),2004. XUJJ.Analysis of ground surface settlement caused by earth pressure balance shield construction [D].Chengdu:Southwest Jiao Tong University，2004.

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[7] 劉昌.盾構(gòu)施工引起地表沉降的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2007. LIUC.Studyon surface subsidence caused by shield construction [D].Xi'an：Xi'an University of Architecture and Technology，2007.

[8] 李曙光.EPB盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降分析與數(shù)值模擬[D].長沙：中南大學(xué),2006. LISG.Analysis and numerical simulation of groundsurface settlement caused by EPB shield tunneling [D].Changsha: Central South University，2006.

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(責(zé)任編輯：王蘭英)

Analysis of surface subsidence rule for small clear distance tunnel’s shield construction in the soft soil layer

YU Li1，NIU Xiaoyan1,HE Jibin2,GUO Wei2

(1.College of Architecture and Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China;2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology，China Geological Survey，Baoding 071051，China)

In the soft soil layer，the analysis of the ground surface settlement in tunnel’s shield construction，it was of great significance to ensure the safe construction and control of ground settlement.Taking the soft soil layer of Suzhou Metro Line 4 as an example，according to the field condition and the monitoring section design，compared with the single hole and double hole construction of surface subsidence’s change law，the following conclusions were drawn: the influence of the tunnel construction of the second hole on the first hole was a process of extrusion，shearing and stretching，and surface subsidence were also increased or reduced；along with the second tunnel’s construction，the first hole’s vertical and lateral settlement of the ground surface increased first and then decreased；after the first hole construction，it formed a disturbance ring，so that the surface settlement of the second tunnel was always greater than the amount of the first hole settlement.

soft soil layer；small clear distance tunnel；shield construction；the surface subsidence

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.002

2015-12-27

河北省教育廳青年基金資助項(xiàng)目(QN2016252)； 河北大學(xué)中西部提升綜合實(shí)力專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11502065)

余莉(1985—)，女，四川安縣人，河北大學(xué)講師，博士，主要從事巖土工程、地下建筑工程方面的研究. E-mail：964630415@qq.com

牛曉燕(1979—)，女，河北沙河人，河北大學(xué)副教授，博士，主要從事彈性力學(xué)研究.E-mail:xiaoyan2002@163.com

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1000-1565(2016)05-0455-07