浅覆土盾构隧道施工引起地表沉降规律研究

高洪吉， 谢文达， 孙正阳， 孙 伟， 杨志勇

(1.中铁十四局集团有限公司， 济南 250014； 2.中国矿业大学(北 京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

盾构法由于其安全、快速、环保等优点，在城市轨道交通建设过程中得到广泛的应用。隧道开挖不可避免地会引起地表沉降，尤其是隧道上覆土层较浅时，隧道施工对地层的扰动更为明显，使得沉降难以控制。地表沉降与覆土厚度之间的关系已成为盾构法施工的重要课题之一。

对于浅覆土盾构施工引起的地表沉降规律，学者们做了大量研究，并提出了一些施工控制措施[1-3]。刘金慧等[4]通过理论计算与现场结合，应用统计学方法，分析了土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失影响规律。李乾等[5]在北京地铁亦庄线盾构隧道工程中，通过施工监测结合数值模拟的方法，研究了小间距浅覆土条件下隧道结构的受力特征和地表变形规律。孙立建[6]在某电缆隧道工程中，通过优化刀盘布局、优化掘进参数等方法，结合现场试验，有效控制了浅覆土无水砂卵石地层中盾构掘进的地面变形。韩磊等[7]采用基于地层损失率的位移控制有限元法，分析了浅覆土大直径盾构隧道开挖对河堤的影响。郭彩霞等[8]通过颗粒流数值模拟分析，得到了水下盾构隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度临界值的判定依据和条件。

相对黏性土地层，砂卵石地层具有颗粒间空隙大，没有黏聚力，在无水状态下颗粒之间点对点传力等特点[9]，若施工控制不当，很容易破坏地层的稳定状态而发生突然的坍塌。目前对浅覆土盾构施工的研究主要集中在黏性土地层下的盾构施工方法、沉降机理、地表沉降规律等方面且以6 m左右直径的盾构为主。现以北京地铁新机场线9 m直径盾构工程为背景，对大直径盾构在砂卵石地层施工过程中不同覆土厚度情况下地表沉降规律进行总结，研究结论可供类似工程借鉴和参考。

1 工程背景

北京新机场线2号风井～3号风井区间全长3 847 m，覆土厚度9.3～15.3 m，采用开挖直径9.15 m的土压平衡式盾构机施工。隧道管片用C50混凝土，外径8.8 m，内径7.9 m，厚度450 mm，环宽1.6 m。盾构从2号风井始发，在3号风井接收，先施工右线再施工左线。隧道自始发端开始覆土厚度不断增加，选取4个覆土厚度(10、12、13、15 m)的地表沉降监测断面，对右线盾构施工造成的地表沉降进行分析。

工程隧道穿越地层从上到下依次为粉质黏土④、粉细砂④3、粉土④2、卵石圆砾⑤、卵石圆砾⑦，如图1所示，各土层主要物理力学指标如表1所示。本区间主要地下水类型为层间水，水位覆土厚度22.88 m左右，隧道上方地层属于无水层。

图1 隧道地质情况Fig.1 Geological condition of tunnel

表1 土层主要物理力学指标Table 1 Parameters of soil

2 浅覆土定义

《地铁设计规范》(GB 50157—2013)[10]中关于盾构法隧道覆土厚度的规定为：盾构法施工的区间隧道覆土厚度一般不小于1.0D，D为盾构开挖直径。

《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[11]中，根据隧道覆土厚度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道，判定原则是隧道拱顶以上覆盖层厚度能否形成“自然拱”。隧道覆盖厚度满足式(1)要求时应按浅埋隧道设计。

H<2.5ha

(1)

ha=0.45×2s-1ϖ

(2)

ϖ=1+j(B-5)

(3)

式中：H为隧道拱顶以上覆盖层厚度，m；ha为深埋隧道垂直荷载计算高度，m；s为围岩级别；ϖ为宽度影响系数；B为坑道宽度，m；j为B每增减1 m时的围岩压力增减率，当B<5 m时，取j=0.2，B>5 m时，取j=0.1。

根据《铁路隧道设计规范》，本工程中深埋、浅埋隧道分界深度为12.7 m。第1(10 m)、第2(12 m)监测断面为浅埋，地层不能形成“自然拱”；第3(13 m)、第4(15 m)监测断面为深埋，地层可以形成“自然拱”。

3 实测数据分析

3.1 施工参数控制

区间右线施工过程中，上土压力按静止土压力控制，同步注浆注入率控制值为160%(浆液注入率=实际注浆量/理论注浆量，理论注浆量每环7.89 m3)，浆液结石率实测为92%。盾构通过各监测断面时的参数控制情况如表2所示。

表2 各断面掘进参数Table 2 Parameters of the every section

3.2 覆土厚度10 m断面沉降分析

第1监测断面(覆土厚度10 m)位于右线25环处。隧道覆土主要为粉土、粉质黏土、黏土。测点布设及断面前后地质剖面情况如图2所示对右线盾构通过断面后的地表沉降进行分析。右线隧道正上方测点DB15-8在盾构掘进过程中的时间历程曲线如图3(a)所示(横坐标第0天表示刀盘到达测点下方，下同)。盾构刀盘到达测点下方时，DB15-8测点沉降约-3.10 mm；刀盘通过后，经过约5 d测点沉降稳定。由图3(b)可知，右线盾构通过后，监测断面上方地表最大沉降为-31.88 mm。

图2 第1监测断面测点布设及地质情况Fig.2 Monitoring points and geological condition of the 1st section

图3 第1断面测点沉降Fig.3 Deformation of the 1st section

3.3 覆土厚度12 m断面沉降分析

第2监测断面(覆土厚度12 m)位于右线720环，隧道覆土主要为杂填土、黏土、粉土、粉细砂、粉质黏土。测点布设及断面前后地质剖面图如图4所示。

图4 第2监测断面测点布设及地质情况Fig.4 Monitoring points and geological condition of the 2nd section

对右线盾构通过断面后的地表沉降进行分析。右线隧道正上方测点DB57-8在盾构掘进过程中的时间历程曲线如图5(a)所示。盾构刀盘到达测点下方时，DB57-8沉降为-3.22 mm；刀盘通过约4 d后测点沉降稳定。由图5(b)可知，右线盾构通过后，监测断面上方地表沉降最大值为-23.35 mm。

图5 第2断面测点沉降Fig.5 Deformation of the2nd section

3.4 覆土厚度13 m断面地表沉降分析

第3监测断面(覆土厚度13 m)位于右线2 070环，隧道覆土主要为杂填土、黏土、粉土、粉质黏土。测点布设及断面前后地质剖面如图6所示。

图6 第3监测断面测点布设及地质情况Fig.6 Monitoring points and geological condition of the 3rd section

对右线盾构通过断面后的地表沉降进行分析。将右线隧道正上方测点DB133-8在盾构掘进过程中的沉降变化绘制曲线，如图7(a)所示。右线盾构刀盘到达监测断面时测点DB133-8沉降为-0.32 mm；刀盘通过越2 d后测点沉降稳定。由图7(b)可知，盾构通过后，右线上方的地表沉降为-15.54 mm。

图7 第3断面测点沉降Fig.7 Deformation of the 3rd section

3.5 覆土厚度15 m断面地表沉降分析

第4监测断面(覆土厚度15 m)位于右线1 080环，隧道覆土主要为素填土、黏土、粉细砂、粉土。测点布设及断面前后地质剖面图如图8所示。

图8 第4监测断面测点布设及地质情况Fig.8 Monitoring points and geological condition of the 4th section

对右线盾构通过断面后的地表沉降进行分析。取右线隧道正上方测点DB77-8，将盾构掘进过程中的沉降变化绘制曲线，如图9(a)所示。右线盾构刀盘到达测点下方时测点DB77-8沉降为-2.87 mm；刀盘通过约2 d后测点沉降稳定。由图9(b)可知，盾构通过后，监测断面右线上方地表最大沉降为-9.97 mm。

图9 第4断面测点沉降Fig.9 Deformation of the 4th section

3.6 不同断面对比分析

影响地表沉降的主要盾构施工参数为土仓压力、同步注浆量[12]。根据各断面施工过程中参数记录可知，施工过程中实际土压力与静止土压力之差分别为-0.04～0.16 bar、-0.06～0.14 bar、-0.06～0.14 bar、-0.06～0.14 bar(1 bar=0.1 MPa)，无明显差异。同步注浆量与浆液结实率也相同，分别为160%、92%。对比各断面右线隧道上方地表沉降(表3)，在施工参数基本相同的情况下，随着覆土厚度增加，隧道轴线上方最大沉降逐渐减小；实测数据显示隧道施工影响范围约为隧道轴线两侧15 m，地层损失率随覆土厚度增大而减小。从测点稳定时间看，深埋隧道测点沉降稳定时间较短，约为2 d，浅埋隧道时间较长，约为4 d。

表3 实测沉降槽参数Table 3 Parameters of settlement trough (monitoring value)

覆土厚度与最大沉降的关系如图10所示。由图10可知，最大沉降和地层损失率随覆土厚度的增大而减小，且成拱覆土厚度(12.7 m)附近存在变化速率的改变。覆土厚度小于12.7 m时，随着覆土厚度增加，地表最大沉降量的减小速率相对较大；覆土厚度大于12.7 m后，随着覆土厚度增加，地表最大沉降的减小速率明显减小。

图10 覆土厚度与最大沉降和地层损失率关系曲线Fig.10 Relation between the buried depth of tunnel and the maximum settlement and formation loss rate

*注：此处地层损失率=沉降槽面积/盾构开挖面积，盾构开挖面积为65.76 m2。

4 基于Peck公式的沉降槽分析

4.1 Peck公式

Peck[13]认为，盾构推进时引起的地层损失导致地表产生沉降。假设施工过程中地层不发生排水，则地表沉降槽的体积应等于损失土体的体积，地层损失体积可以根据沉降槽体积反算[14]。大量工程实测数据表明，隧道地表横向沉降曲线接近于正态分布曲线，Peck对地表横向沉降曲线进行拟合得到Peck经验公式。

(4)

(5)

式中：Sx为到隧道中线距离x处的地面沉降量，m；Smax为隧道中线的地面沉降量，m；x为距离隧道中线的距离，m；Vs为开挖单位长度隧道引起的地层损失量，m2；i为沉降槽的宽度系数，为隧道中线到沉降槽曲线反弯点之间的距离，m。

4.2 沉降槽分析

基于Peck公式，取右线盾构通过监测断面后的监测数据进行拟合(图11)。

图11 各监测断面沉降槽Fig.11 Settlement trough of monitoring section(Gaussian fitting)

地层损失率是地层损失与设计开挖面积的比值[15]。采用MATLAB对拟合得到的4个监测断面沉降槽进行分析，计算地层损失率、沉降槽宽度系数，结果如表4所示。

表4 沉降槽参数计算结果Table 4 Parameters of settlement trough

由表4可知，不同监测断面的沉降槽宽度系数范围为5.9～7.0 m，与隧道覆土厚度相关性不明显；相同盾构施工参数下，通过地表沉降槽反算的地层损失率随着覆土厚度增加呈现减小趋势，拟合的结果与实测结果相同。

分析4个监测断面地层条件，隧道开挖范围地层均为上部粉质黏土、粉细砂，下部卵石圆砾；4个断面上覆土层均为杂填土、粉土、粉质黏土。盾构经过4个监测断面时参数控制基本相同，说明施工过程中由隧道开挖引起的地层损失量基本相同。从上文分析可知随覆土厚度增大，地表最大沉降和地层损失率减小。发生这种现象的原因主要为盾构开挖所引起的地层损失量并未完全向上发展至地表，而是由于地层中的“成拱”效应造成沉降向地表发展的程度不同。

5 结论

以新机场线9 m直径土压平衡盾构施工引起的不同覆土厚度断面(10～15 m)地表沉降监测数据为基础，研究了覆土厚度对地表沉降的影响，得出以下结论。

(1)实测数据显示，相同盾构施工参数下隧道上方测点最大沉降和地层损失率随覆土厚度增大而减小，在成拱覆土厚度(12.7 m)存在变化速率改变。覆土厚度小于12.7 m时，随着覆土厚度的增加，地表最大沉降的减小速率相对较大，覆土厚度大于12.7 m后，随着覆土厚度的增加，地表最大沉降量的减小速率明显减小。

(2)沉降发生的主要阶段为盾尾脱出后，深埋隧道(覆土厚度超过12.7 m)和浅埋隧道(覆土厚度小于12.7 m)测点沉降稳定时间有显著的差异。深埋隧道测点沉降稳定时间较短，约为2 d，浅埋隧道时间较长，约为4 d。

(3)实测数据显示，盾构施工影响范围约为1.5倍盾构直径(15 m)，影响范围与覆土厚度相关性不明显，利用Peck公式对实测数据进行拟合也得出了相同的结论。

(4)在相同土压力及同步注浆量的条件下，随着隧道覆土厚度的增加，通过地表沉降槽反算的地层损失率表现出减小的趋势。