羅興財， 周小文, 張盛紅

(1. 中鐵南方投資集團東莞公司， 廣東 東莞 523037； 2. 華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

在城市地下隧道施工中，地面沉降的控制一般具有較嚴格的要求。尤其在地質(zhì)條件較差、隧道淺埋的情況下，沉降控制非常困難。城市地下隧道常采用盾構(gòu)法施工，過程往往伴隨一定的地面沉降，主要是由地層損失和盾構(gòu)周圍土體受擾動或破壞后的變形再固結(jié)造成的，其中前者占主要成分。工程設(shè)計和施工中，一般需根據(jù)周邊建筑物環(huán)境提出地面沉降的控制指標。但是，如何實現(xiàn)沉降控制，則較為復(fù)雜，沒有規(guī)范指導(dǎo)，有時候難度很大，控制效果一般取決于施工單位的經(jīng)驗和水平。盾構(gòu)掌子面和盾尾注漿的施工工藝和參數(shù)對于地層變形都有重要影響。王海剛[1]研究了盾尾注漿壓力的波動對地表沉降的影響，認為考慮注漿壓力的波動時，隧道軸線上方的地表沉降在確定性分析結(jié)果增減60%的范圍內(nèi)，可見盾尾注漿參數(shù)具有顯著影響。雖然施工單位一般會嘗試利用地層損失去控制地層沉降，但由于對地層損失的形成機理、影響因素與預(yù)測計算的掌握不夠，實際上又很少去對地層損失做較準確的控制。一般是基于以往模糊的經(jīng)驗，選取掌子面操作和盾尾注漿等施工參數(shù)，然后通過實測的地層沉降來調(diào)整施工參數(shù)，沉降控制有時候表現(xiàn)得像撞大運。

實際隧道工程經(jīng)常出現(xiàn)過大地面沉降或造成周圍既有建(構(gòu))筑物損害的工程事故。因此，如何盡可能定量地利用地層損失的控制去進行地層沉降的控制，是值得深入研究的。

廣州市某盾構(gòu)隧道工程，由于要下穿已有的城際隧道，對地層沉降控制提出了較嚴格的要求。在該工程施工中，對如何計算和選取地層損失進行了較深入的分析研究，施工前根據(jù)地層沉降控制要求先預(yù)測和選擇地層損失，施工中通過掌子面及盾尾注漿參數(shù)的調(diào)控來控制渣土出土量，再通過沉降監(jiān)測對地層損失進行反分析和優(yōu)化施工參數(shù)，最終較好地控制了地層沉降，未對既有上部隧道造成影響。本文較全面地總結(jié)了地層損失的計算方法及其在該工程中的應(yīng)用情況，期望該工程案例對類似工程具有參考作用。

1 地層損失的概念

1969年，國外學(xué)者Peck[2]率先提出地層損失的概念，認為不排水條件下隧道開挖導(dǎo)致的地面沉降槽體積與地層損失相等，并由此提出了描繪地面鐘形沉降槽的經(jīng)驗公式，其原理如圖1所示。

由圖1可知，Peck定義的地層損失為實際開挖范圍體積和建成隧道體積之差。劉建航[3]、潘昌實[4]、姜忻良等[5]認為地層損失不應(yīng)計入排水固結(jié)引起的土體壓縮量，故地層損失應(yīng)等于開挖土體體積與包括隧道外圍注漿層體積的竣工隧道體積之差。Loganathan[6]、繆林昌[7]等則認為地層損失可分為兩個階段，即施工階段不排水變形的地層損失與竣工后排水固結(jié)和蠕變變形造成的地層損失。鄢豪杰等[8]采用基于分數(shù)階的土本構(gòu)模型計算隧道竣工后的固結(jié)沉降，分析了隧道襯砌為半透水邊界條件下隧道開挖引起的工后長期變形，認為隧道襯砌的滲透性(造成隧洞外的土體滲流)對長期沉降的影響不可忽略，襯砌的滲透系數(shù)越大，沉降值也越大。該結(jié)論似也意味著地層損失應(yīng)該考慮工后固結(jié)變形引起的沉降。張盛紅[9]對不同階段地層損失的含義以及估算方法做了分析。

綜合國內(nèi)外的研究可以看出，對是否將工后排水固結(jié)，以及是否考慮土體蠕變和隧洞襯砌滲漏等引起的土體壓縮變形計入地層損失尚存在一些分歧。鑒于工后地基變形的復(fù)雜性以及仍然認為施工期的地層損失占主要成分，本文按照主流觀點，不考慮工后排水固結(jié)與蠕變等因素的影響，將地層損失由實際開挖土體量與包含注漿的竣工隧道體積之差進行計算。

實踐中，衡量地層損失對臨近結(jié)構(gòu)的影響程度還常用地層損失率η來表示，計算方法如下：

(1)

式中：Vl為單位長度地層損失；r為隧道襯砌外半徑。

2 地層損失的計算方法

地層損失的計算方法可分為理論計算法、經(jīng)驗公式法以及數(shù)值模擬計算法。理論計算法是假定地基為彈性半空間，隧道邊界外土體發(fā)生均勻徑向收縮，各點朝隧道中心移動，從而可計算地層損失，如Sagaseta[10]、Verruijt等[11]等皆提出了地層損失的理論公式。由于理論計算做了地基為彈性以及隧道邊界收縮位移模式的假定，且難以考慮復(fù)雜地層情況，其計算結(jié)果與實際常有較大的差距。因此，目前比較常用的方法還是經(jīng)驗公式法和數(shù)值計算法。以下僅對經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬計算法做簡要介紹和分析。

2.1 經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法來源于眾多工程資料，對施工過程的物理力學(xué)變化進行簡化及做適當(dāng)假定，通過數(shù)理統(tǒng)計方法建立地層損失的計算模型。

(1)Peck公式法及其改進方法

Peck假定地層為均質(zhì)土層，基于大量實測資料發(fā)現(xiàn)地表沉降沿隧道長度方向為均勻分布，沿橫向呈類似正態(tài)分布的鐘形曲線，參見圖2，Peck公式如式(2)所示。

(2)

式中：x為距離隧道中軸線的水平距離；Smax為地層損失導(dǎo)致的最大地表沉降量；S(x)為位于x處的地表沉降量；i為地表沉降槽半寬度，即正態(tài)分布反彎點離中軸線的水平距離。

圖2 Peck曲線

記單位長度地層損失為Vl，令其與沉降槽體積Vs相等，則地層損失由式(3)計算：

(3)

地表沉降槽曲線表示為：

(4)

由式(4)可得：

(5)

將Smax和i代入式(1)，可得地層損失率：

(6)

Peck公式原理簡單，假定為正態(tài)曲線的沉降槽形狀與實際工程的地表橫向沉降形態(tài)符合較好，但該方法也存在一些缺陷，主要有：對地層條件考慮少，尤其不太適用于軟弱地層；未反映隧道洞徑以及埋深對地基變形機制的影響；沉降槽半寬度i不易確定。

針對Peck公式的不足，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，提出了多個改進的計算方法，如：

Clough等[12]提出了飽和黏土地表沉降槽寬度系數(shù)i的計算方法：

(7)

式中:h為隧道埋深。

Attewell等[13]在公式中融入了地層特性、隧道埋深、隧道半徑等參數(shù)的影響：

(8)

(9)

式中：k,n與地層參數(shù)、施工條件有關(guān)；A為開挖斷面橫截面積。

劉建航[3]考慮地基為多層土情況，提出了修正的i的計算方法：

(10)

Mair[14]通過開展離心機模型試驗，提出隧道頂部任意深度處的地層沉降槽寬度的計算公式：

i=K(z)(h-z)

(11)

(12)

式中：z為隧道頂部以上某點深度(m)；K為沉降槽寬度參數(shù)。

姜忻良[5]基于觀測數(shù)據(jù)和回歸分析，提出了隧道頂以上任意深度處的沉降槽曲線：

(13)

(14)

(15)

總之，經(jīng)過后人的大量研究，考慮地層性質(zhì)、土體飽和度、隧道尺寸與埋深等的影響，對地表沉降槽曲線和寬度系數(shù)i的取值做了一些改進，提高了公式的適用性。

(2)間隙參數(shù)法

間隙參數(shù)法是一種利用綜合的間隙參數(shù)對地層損失進行計算的方法，如Rowe[15]、Lee[16]等提出的地層損失計算公式，具體如下：

Vl=π(rg-g2/4)

(16)

g=GP+U3D+ω

(17)

式中：g為間隙參數(shù)；Gp=2Δ+δ為物理間隙，指盾構(gòu)機的最大外徑與隧道襯砌外徑差值，若考慮注漿影響，一般取Gp=(7%～10%)(2Δ+δ)，其中，δ為襯砌安裝需要的間隙；Δ為盾尾盾殼的厚度；U3D為由于盾構(gòu)開挖的應(yīng)力釋放引起的土體變形；ω為由于人為因素(盾構(gòu)姿態(tài)、掌子面壓力波動、盾構(gòu)機周圍黏附土、盾尾間隙注漿效果等)造成的地層損失。間隙參數(shù)g的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 間隙參數(shù)g構(gòu)成示意

2.2 數(shù)值模擬法

盾尾間隙是地層損失的主要來源。等代層法、位移收斂法和應(yīng)力釋放法是當(dāng)前模擬盾構(gòu)隧道施工引起的地層損失的數(shù)值計算方法。

等代層法是將盾尾間隙概化為均質(zhì)、等厚的等代層來模擬地層損失。等代層的力學(xué)參數(shù)較難確定，一般由工程實測數(shù)據(jù)反演估算和經(jīng)驗確定，故此，等代層法靈活性較大，是一種很近似的計算方法。

應(yīng)力釋放法是將應(yīng)力釋放施加在隧道周邊土體上，從而模擬地層損失引起的應(yīng)力重分布。該法對地層損失物理意義的解釋不夠明確，且不如位移收斂法方便，因此目前運用很少。

位移收斂法與應(yīng)力釋放法施加力邊界不同，該法是在給開挖面周圍土體單元或襯砌單元施加強制的邊界位移使其收斂到襯砌的外邊界。通過控制間隙參數(shù)g的大小來實現(xiàn)對地層損失的模擬。根據(jù)盾構(gòu)施工的多種可能情況，位移收斂法主要包括適合于模擬較大直徑隧道開挖的月牙形漸變收斂模式與適合模擬中小直徑隧道施工的圓環(huán)形均勻收斂模式二種。在盾構(gòu)機向前掘進一環(huán)襯砌的距離后，讓襯砌拱頂周圍土體逐漸以月牙形或圓環(huán)形進行收斂，當(dāng)達到間隙參數(shù)g時再激活襯砌單元，再進行注漿。

3 地層損失率經(jīng)驗范圍值

地層損失受到不同因素的影響，如地層土質(zhì)、設(shè)計與施工參數(shù)、盾構(gòu)機特性、工程管理技術(shù)、水文地質(zhì)等。不同地區(qū)的地質(zhì)條件差異較大，這些因素對地層損失的影響也有一定的差異。因此，地層損失的取值也與地區(qū)經(jīng)驗及施工技術(shù)管理直接相關(guān)[9]。

劉建航[3]、魏綱[17]、吳昌勝[18]、朱才輝[19]等分別對盾構(gòu)施工的地層損失做過統(tǒng)計分析，提出了地層損失率范圍值。本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合自身經(jīng)歷的工程數(shù)據(jù)，綜合提出地層損失取值范圍如表1[3,17～19]所示。

表1 地層損失率地區(qū)經(jīng)驗值

4 某盾構(gòu)隧道工程地層損失估算及沉降控制

4.1 工程概況

圖4 隧道位置關(guān)系/m

圖5 隧道縱斷面

廣佛線某段盾構(gòu)隧道下穿已運營的既有佛莞線隧道，佛莞線左右兩隧道中心軸線相距28.43 m。新建隧道與上方佛莞線隧道凈距為5.07～5.93 m，如圖4所示。該段使用大型土壓平衡盾構(gòu)施工?？v斷面及地層條件見圖5。既有佛莞線隧道的上覆土厚度為11.7～12.2 m，襯砌內(nèi)、外徑分別為7.7，8.5 m。下穿施工的廣佛線隧道襯砌內(nèi)、外徑分別為8.0，8.8 m。在下穿區(qū)域，新隧道的上覆土層主要是全風(fēng)化花崗巖，既有隧道亦位于全風(fēng)化花崗巖中。地下水平均埋深為2.93 m左右。

4.2 工程監(jiān)測

新隧道的該段施工于2019年完成。為掌握地層沉降及既有隧道的安全狀況，實時監(jiān)測了土體深層位移，以動態(tài)優(yōu)化施工參數(shù)。同時，沿隧道縱向間距10 m與橫向間距6 m對盾構(gòu)下穿施工段進行地表沉降監(jiān)測，且對距隧道軸線6 m進行深層土體水平位移監(jiān)測，監(jiān)測頻率為盾構(gòu)到達前后30 m為2次/d；30～50 m為1次/d；50 m以外1次/周。監(jiān)測布置見圖6。

圖6 監(jiān)測點布置

依據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》、DBJ/T 15-120—2017廣東省標準《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護技術(shù)規(guī)范》和本工程實際情況，擬定的位移控制報警值如表2所示。

表2 監(jiān)控報警值

4.3 地層損失率控制指標的確定

首先按照間隙參數(shù)法估算地層損失率。中鐵裝備盾構(gòu)機盾尾間隙為140 mm。不考慮開挖應(yīng)力釋放引起的土體變形以及人為因素引起的地層損失。考慮該工程的盾尾注漿效果，取系數(shù)為13%，則Gp=140×13%=18.2 mm。

將Gp代入式(17)，按照式(16)，計算得單位長度地層損失為Vl=0.25 m3。再將Vl代入式(1)得到單位長度地層損失率η=0.41%。

間隙參數(shù)法反映不了地層特性以及施工技術(shù)等的影響。為此，再參考表1的經(jīng)驗值。廣州地區(qū)的地層損失率范圍值為0.20%～3.14%，均值為1.07%。本工程地層條件較好，隧道上覆土層主要是全風(fēng)化花崗巖。全風(fēng)化花崗巖是一種特殊土，正常情況下強度較高，但如果大量失水、吸水或受到強烈震動，則強度會降低而發(fā)生一定的變形。綜合間隙參數(shù)法的估算結(jié)果以及經(jīng)驗值，預(yù)估地層損失率在0.42%～0.65%之間。

為控制地層沉降，施工中地層損失率指標取為η=0.65%。

此外，需注意的是，如果不進行盾尾注漿，則Gp=140mm，算得η=3.16%，高于表1所示廣州地區(qū)地層損失率經(jīng)驗范圍值的最大值，對于地層沉降控制極為不利，這是不可接受的。

4.4 出渣量的控制

以盾構(gòu)開挖過程中出渣量的控制來間接控制地層損失，并以此調(diào)配施工參數(shù)。其方法如下：

襯砌外半徑8.8 m，加上地層損失，盾構(gòu)掘進單環(huán)按1.5 m進尺的理論出土量為：

V=3.14×4.252×1.0065=91.77 m3

掘進過程中渣土要改良成泥漿，需向掌子面加注泡沫劑、水等。本工程每推進1.5 m約加15 m3的泡沫劑和水，則渣土量為106.77 m3，是91.77 m3的1.16倍。此外，還需考慮到掘進后渣土自身松散變化。綜合泡沫劑和水的體積以及渣土松散的影響，總的松散系數(shù)采用1.2，則每掘進1.5 m的渣土量為109.43 m3。

每掘進10 cm出渣量為7.30 m3，施工采用渣土箱為22 m3，每出一箱土對應(yīng)進尺為301 mm，以此來控制盾構(gòu)出渣量。

4.5 沉降控制效果分析

施工中，整理地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Peck公式反分析，得到實際的地層損失。如果地層沉降在報警值以內(nèi)，則維持施工參數(shù)基本穩(wěn)定。如果地層沉降值接近報警值，說明地層損失偏大，出渣偏多。此時，就需要調(diào)整施工參數(shù)和減少出渣量。

本工程在施工過程中地層沉降未達到報警值，出渣量控制良好。盾構(gòu)機下穿完成后，YK1+040斷面和ZK1+300斷面實測的地表沉降如圖7所示，YK1+040斷面最大沉降為7.23 mm，ZK1+300斷面最大沉降為7.01 mm，在表2的黃色報警值之內(nèi)。按Peck公式進行擬合，得到Y(jié)K1+040斷面擬合優(yōu)度為0.848，ZK1+300斷面擬合優(yōu)度為0.803，均大于0.75，說明Peck公式擬合效果好。擬合所得的沉降槽寬度系數(shù)i分別為17.53，19.44 m，最大沉降值Smax分別為6.78，7.01 mm，代入式(6)，得到地層損失率分別為0.53%及0.60%。該地層損失率與施工采用的地層損失率控制值0.65%基本一致，說明施工工藝和施工參數(shù)匹配是合適的，地層沉降控制良好，也說明本工程采取的以地層損失率指導(dǎo)施工的方法是可行的。

圖7 監(jiān)測斷面實測數(shù)據(jù)的Peck公式擬合曲線

5 結(jié) 語

本文分析總結(jié)了地層損失的主要計算方法和地層損失范圍的經(jīng)驗值。針對某盾構(gòu)隧道工程，進行了地層損失預(yù)估分析，選取了合適的地層損失指標，并以出渣量的控制來實現(xiàn)地層損失的控制，最終實現(xiàn)了對地層沉降的有效控制。主要結(jié)論如下：

(1)施工前，可依據(jù)間隙參數(shù)法、經(jīng)驗值表估算地層損失率，結(jié)合地面沉降控制要求，擬定合適的地層損失率控制指標。通過控制渣土出土量與掘進進尺的對應(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)對地層損失率的控制。

(2)施工中，需利用地層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)反算實際的地層損失率，與采用的地層損失率控制指標比較，可進一步調(diào)整地層損失率和渣土出土量，并優(yōu)化調(diào)配盾構(gòu)掘進參數(shù)，從而可較好控制地層沉降，防止出現(xiàn)過大沉降的風(fēng)險。