盾构隧道城市地下交通的主力军——超大直径盾构双线施工沉降规律浅析

随着我国城市化建设的快速发展，城市规模迅速扩大，地上空间匮乏、交通拥堵等问题日渐突出。为解决城市规模扩大带来的交通拥堵等问题，城市地下交通的发展已然成为当前城市建设中不可或缺的方案。盾构隧道因具备对沿线建构筑物影响小、拆迁工作量小、施工受气象条件影响小等优点，在城市地下隧道建设中越来越广泛地被应用，成为主力军的角色。

本文在已有超大直径盾构施工沉降研究的基础上，结合工程实例对超大直径泥水平衡盾构公路隧道施工引起的地表沉降的实测数据进行了分析，以期对后续工程施工具有参考价值。

该段工程位于永定河和潮白河冲积扇中下部，冲洪积平原地貌，盾构东、西线间隔一个月先后从工作井始发，地面高程在14.15～23.67m之间，地势基本平坦。隧道采用最大开挖直径为16.07m的泥水平衡盾构机施工，隧道外径15.4m，管片厚度0.65m，环宽2m。隧道最大埋深约为59m。工程场地在100m深度范围内主要由粉质黏土、粉细砂、粉土组成的第四纪冲洪积层，是隧道穿越地层的主要物理学指标。

目前，盾构法隧道施工地表沉降的分析方法主要有经验公式法、数值模拟法、理论分析法等。在各种方法中，已被工程实践广泛接受的是Peck公式。Peck认为盾构施工引起的地表沉降是在不排水的情况下发生的，沉降槽的体积应该等于地层损失的体积，且地层损失在整个隧道长度上均匀分布，地表沉降的横向分布类似正态分布曲线。

为及时收集、反馈和分析盾构上方环境要素在盾构掘进施工中的形变信息和已施工完成的区间隧道的沉降变形信息，确保施工安全，工程期间对东、西线场地布设地表监测点及地下监测点。本文对双线相关测点数据进行了分析，地表测点布设于地表及隧道内，测量内容为竖向位移；地下监测点布设于隧道内，测量内容为拱顶沉降及拱腰收敛。

地表监测点布设方式为：在隧道掘进方向上，沿轴线每10m布设一个监测点；在垂直隧道掘进方向上，每个断面布置15个监测点，监测点关于隧道轴线对称，测点间距4～10m。监测点布置示意如图1、图2所示。

图1 隧道纵横向监测点水平布置示意图

图2 隧道纵横向监测点横向布置示意图

地下监测点布设方式为：在隧道掘进方向上，沿轴线每10m布设1个拱顶沉降监测点(单洞）；每50m布置2个管片净空收敛监测点。

编号DB21监测点在不同观测时间的纵断面沉降数据曲线（如图3所示）。图中横坐标为盾构机切口距离监测断面的距离（单位m），正值表示盾构机切口未到达该监测断面，负值表示盾构机切口已通过该监测断面；纵坐标为地表变形量（单位mm），地表隆起记为正值，地表沉降记为负值；图例为监测点位距离隧道轴线的距离，掘进方向左侧记为负值，右侧记为正值。

图3 断面DB21纵向地表沉降曲线

对于超大直径泥水盾构而言，在浅覆土段，盾构机切口距离监测断面70m～60m时，地层开始受到扰动，但地表变形量很小；盾构机切口距离监测断面60m～10m时，地表开始发生明显变形，总体表现为轻微隆起；由于切口压力调整，盾构机切口距离监测断面15m时，出现地表隆起明显变小情况；当盾构机切口距离监测断面10m～-10m时，该监测断面不同监测点表现出明显差异：隧道轴线及隧道轴线两侧各6m、10m的监测点沉降规律变化与前述相同，在盾构机切口通过后快速下沉并在同步注浆完成后趋于稳定；隧道轴线两侧18m、28m位置时，地表由于混凝土路面的板体作用表现为隆起；盾构机切口距离监测断面-10m～-25m时，地表变形即开始趋于稳定，地表变形变化量变小，盾构机切口距离监测断面-25m后，底边变形趋于稳定。

可以看出，由于同步注浆采用双液浆，盾构机通过时地表变形稳定所需时间明显变短。同时，盾构掘进时在横向的影响范围不小于隧道轴线外28m。

编号DB21监测点在不同观测时间的横断面沉降观测结果（如图4所示）。图中横坐标为监测点距离隧道轴线的水平距离（单位m），掘进方向左侧记为负值，右侧记为正值；纵坐标为地表变形量（单位mm），地表隆起记为正值，地表沉降记为负值。

图4 断面DB21横向地表沉降曲线

对于超大直径泥水盾构而言，在浅覆土段，盾构机切口到达之前的阶段，与断面DB21纵向地表沉降曲线所揭示的地表沉沦规律相同，地层已开始受到扰动，但整个监测断面的地表变形量均不大；从盾尾到达该断面开始，地表出现明显变形，且沉降规律与Peck公式所揭示的地表沉降规律相同；但由于受到地表混凝土路面板体作用影响，距离隧道轴线较近的监测点表现为沉降的同时，距离隧道轴线较远的监测点表现为隆起。

由于同步注浆采用双液浆，盾构盾尾到达、盾构盾尾脱出及盾构穿越后三个阶段的地表沉降量差值很小，这与断面DB21纵向地表沉降曲线所揭示的地表沉降规律相同，可见采用同步注入双液浆的施工工艺具有较好的沉降控制效果。同时可以看出，与隧道纵向沉降曲线结论相同：盾构掘进时在横向的影响范围不小于隧道轴线外28m。

根据地看资料及隧道纵断面图可知，DB21断面处地面至隧道中心深度约16m，盾构机外径16m，穿越地层为④层，其φ值32°，地层损失率以0.8%计算，采用Peck公式得到其沉降曲线（如图5所示）。

图5 断面DB21横向地表沉降数据拟合结果

可以看出，对于超大直径泥水盾构而言，地表沉降的沉降槽宽度与Peck公式预测值一致，但由于掘进过程中同步注浆采取了双液浆，总体沉降值得到明显抑制。

取编号DB21监测点在不同观测时间的纵断面沉降观测结果（如图6所示），图例为监测点位距离双线隧道中心线的距离（单位m），掘进方向左侧记为负值，右侧记为正值，其中距离18与-18的监测点为隧道轴线监测点。

图6 双线盾构通过断面DB21纵向向地表沉降曲线

可以看出，盾构机切口距离监测断面60m～40m时，地层几乎没有受到扰动，地表变形量很小；盾构机切口距离监测断面40m～0m时，由于后始发盾构机参数设定不当，地表开始发生明显变形，表现为整个断面隆起；盾构机切口距离监测断面0m～-70m时，地表沉降数据出现明显区别。其中：距离后始发东线隧道距离较远的监测点DB2101～DB2107（西线隧道上方监测点）及DB2015（东线隧道最外侧监测点），在盾构机切口距离监测断面0m～-15m时已不再继续隆起甚至出现轻度下沉，之后监测数据趋于稳定，距离后始发东线隧道较远的监测点DB2108～DB2114在盾构机切口距离监测断面-25m后方停止隆起并趋于稳定。可见地表隆起的纵向影响范围小于地表沉降的纵向影响范围，影响范围主要在隧道轴线附近；地表隆起的后续沉降要小于地表沉降的后续沉降。

取编号DB21监测点在不同观测时间的横断面沉降数据曲线（如图7所示）。图中横坐标为监测点距离双线隧道中心线的距离（单位m），掘进方向左侧记为负值，右侧记为正值，其中距离18与-18的监测点为隧道轴线监测点。

图7 双线盾构通过断面DB21横向向地表沉降曲线

对于超大直径泥水盾构而言，在浅覆土段，盾构机切口到达之前的阶段，与断面DB21纵向地表沉降曲线所揭示的地表沉沦规律相同，地层已开始受到扰动，后始发隧道轴线两侧约30m（2D)范围内地表均受到影响；之后的各个阶段地表一直处于持续隆起状态，但由于受到地表混凝土路面板体作用影响，隆起的最大值并不在隧道轴线正上方，反而出现在双线隧道中心线后始发隧道一侧。可以看出地表隆起与地表沉降对地表有着不同的后续影响。

根据看资料及隧道纵断面图可知，DB21断面处两条隧道地面至隧道中心深度均为约16m，隧道轴间距为36m，两台盾构机外径16m，穿越地层为4层，其φ值32°，两条隧道地层损失率均以0.8%计算。采用Peck公式得到的沉降曲线可以看出，对于超大直径泥水盾构而言，地表沉降的沉降槽宽度与Peck公式预测值一致，但由于掘进过程中同步注浆采取了双液浆，总体沉降值得到明显抑制。虽然实际监测数据为隆起，但其变化趋势与双线Peck公式所揭示的沉降规律相同。

先始发隧道分别于9月18日、9月21日、9月24日、9月27日、9月30日、10月3日、10月6日，通过GDC325、GDC350、GDC375、GDC400、GDC425、GDC450、GDC475断面。

后始发隧道分别于11月12日、11月15日、11月18日、11月21日、11月23日、11月26日、11月29日，通过GDC325、GDC350、GDC375、GDC400、GDC425、GDC450、GDC475断面。

先后始发隧道纵向间距在观测期间从550m逐步增大至900m，先后通过同一监测断面时间间隔约为60天。

分析监测数据可知：在双线隧道先后通过同一断面过程中，先行隧道拱顶沉降及净空收敛值变化较小，在埋深15m、隧道净距20m，先后始发隧道盾构机间距500m 以上时，可认为后始发隧道的盾构机在通过先始发隧道同一位置时，对先始发隧道不产生影响。

1．在软土地层中，对于超大直径泥水盾构而言，其刀盘前方影响距离约为50m（3D）。

2．盾构掘进横向影响范围约为盾构机轴线两侧28m（1.7D）。

3．在采用双液浆进行同步注浆的条件下，盾构机盾尾通过监测断面后约25m（1.5D；切口通过监测断面后约40m），地表监测数据趋于稳定，且总体沉降值得到明显抑制。

4．埋深15m（1D）、隧道净距20m（1.3D），同向掘进隧道间距在500m以上时，后始发隧道穿越先始发隧道同一位置时不对先始发隧道产生影响。

5．对于超大直径泥水盾构而言，地表沉降的沉降槽宽度与Peck公式预测值一致，虽然实际监测数据为隆起，但其变化趋势与双线Peck公式所揭示的沉降规律相同。