杨延栋，陈 馈，李凤远，周建军

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

狮子洋隧道陆地段盾构施工横向地表沉降研究

杨延栋1,2，陈 馈1,2，李凤远1,2，周建军1,2

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

为了预测盾构隧道施工引起的地表横向沉降，针对狮子洋隧道陆地段DIK42+660断面地层，通过理论分析，利用Peck公式对该断面地表横向沉降量进行计算；通过数值模拟，利用ANSYS建立地层的有限元模型，并从数值模拟结果中获取地表单元的横向沉降量；最后通过与现场监测结果对比，对理论分析和数值模拟的地表横向沉降量预测方法进行评价。研究结果可为盾构隧道地表沉降的预测提供有效的方法。

盾构隧道；地表沉降；理论分析；数值模拟；现场验证

0 引言

盾构隧道施工不可避免地会对周围地层产生施工扰动，使周围地层发生卸载或者加载等复杂的力学行为，从而使土体的应力应变状态发生改变，引起周围地层的变形，产生地层沉降[1]。对于开挖隧道引起的地层沉降分2种，一种是沿隧道开挖方向的沉降，称为纵向沉降；另外一种是在某一断面上的沉降，称为横向沉降。目前对于盾构隧道施工引起的地表横向沉降的预测方法主要包括理论分析、数值仿真等。

Peck[2]提出了由隧道开挖引起的地表沉降的横向分布近似正态分布，并且给出了估计地表横向沉降量的实用方法(Peck公式)；Celestino等[3]对世界范围内51条隧道实际沉降量的监测值进行了曲线拟合，结果表明，58%的实际监测结果与Peck公式计算结果的相关系数在0.90以上，80%的实际监测结果与Peck公式计算结果的相关系数在0.80以上；韩煊等[4]收集了我国多个地区30多组隧道地表横向沉降监测数据，通过分析表明，除了2组数据外，其余均符合Peck公式的计算结果。季亚平[5]应用ADINA软件，针对深圳地铁一期工程，建立了地层平面有限元模型，采用生死单元技术模拟盾构开挖、注浆和衬砌的过程，对盾构施工中地层位移和土压力进行了研究。徐冬健[6]应用MIDAS-GTS软件，针对盾构下穿黄村火车站工程，建立了地层三维有限元模型，采用应力卸载的方式，对盾构开挖工程中造成的地表沉降规律进行了研究。

上述针对盾构施工引起地表沉降的研究，未能对理论分析、数值仿真等方法的结果进行对比和评价，预测方法的准确性得不到保证。针对狮子洋隧道陆地段DIK42+660断面，希望通过地表横向沉降量的现场监测数据对理论分析和数值仿真的方法进行验证与评价，得到可靠的盾构隧道地表横向沉降的预测方法。

1 工程概况及测点布置

广深港客运专线狮子洋隧道全长10.8 km，从广州侧由西向东下穿狮子洋后进入东莞。该工程是目前国内最长、标准最高的水底隧道，该隧道是我国首座水下铁路隧道，也是目前国内最长的水下盾构隧道，属于广深港铁路客运专线的控制性工程，因此地层沉降量的控制尤为重要[7]。该隧道大部分处于微风化泥质粉砂岩、砂岩和砂砾岩中，局部位于淤泥质与粉质黏土中，部分地段穿越软硬不均底层。隧道采用4台泥水平衡式盾构，采用“相向掘进、地中对接”的方案进行掘进，盾构按设计线路分别从左右线下井，左线先行始发，右线随后。左洞3号盾构在掘进4 450 m后与1号盾构对接；右洞4号盾构在掘进4 750 m后与2号盾构对接，对接后盾构在洞内进行解体。

为了确保工程安全，需要在施工的全过程进行地层沉降监测，并参考监测结果，在施工过程中积极改进施工方法、施工工艺和施工参数，最大限度减小地层变形。DIK41+970～DIK43+000陆地段，隧道洞身大部分地段通过冲积砂岩和土层，局部通过强风化岩，可在地表布置测点进行沉降量监测，2条平行盾构隧道中心相距约20 m，盾构开挖直径为φ11.2 m，测点以2条平行隧道中线为中心，横向左右对称布置，每隔5 m(或10 m)布置一个测点，如图1所示。

图1 地表沉降监测测点布置图(单位：m)

为了研究盾构隧道开挖引起的地层横向沉降，选取DIK42+660断面，该断面附近的地质纵断面图如图2所示。DIK42+660断面地层从上往下依次为人工填土层(1)约3 m；淤泥层(2)2约7 m；黏性土层(3)1约5 m，淤泥质土(3)2层约6 m，粉细砂层(3)3约4 m，粗砂层约5 m，岩石强风化层(5)2约5 m，再往下为岩石弱风化层(5)3。该断面处隧道中心距地面垂直距离为20.9 m。

图2 DIK42+660断面附近地质纵断面图Fig.2 Longitudinal profile of geological conditions near DIK42+660 cross-section

2 盾构隧道横向地层沉降理论分析

盾构隧道施工引起地层沉降的主要原因是土体损失[8]。盾构在施工过程中，盾构到达之前，如果密封仓压力大于盾构正面的土压力则地表隆起，如果密封仓压力小于盾构正面的土压力则地表下沉；盾构通过时，如果超挖则地表沉降，如果欠挖则地表隆起；盾构通过之后，盾尾产生间隙导致地表下支撑力减小而沉降。为了减小盾尾间隙，采用同步注浆，会在地层内产生超孔隙水压，随着超空隙水压的消散地层将产生沉降[9]，另外，浆液与扰动地层固结同样也会引起地表沉降。

Peck在1969年提出了地层损失的概念，他认为施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以沉降槽的体积应该等于地层损失的体积。根据这个假定，Peck提出了盾构施工引起地表沉降的估算方法，并且得到了广泛的应用。

根据Peck理论，假定地层损失在隧道长度方向上均匀分布，地表沉降的横向分布似正态分布曲线，如图3所示。

图3 Peck理论地表沉降示意图Fig.3 Sketch of transverse ground surface settlement on basis of Peck theory

横向地表沉降量估算的Peck公式为：

S(x)=Smaxexp(-x2/2i2);

(1)

(2)

式中:S(x)为地表沉降量，m；Smax为隧道中心处最大沉降量，m；x为距隧道中心线的距离，m；i为沉降槽宽度系数(自隧道中心至沉降曲线反弯点的距离)，m；Vl为盾构隧道单位长度土体损失量，m3/m。

沉降槽的宽度系数i的计算方法1：

(3)

式中：φ为隧道周围地层内摩擦角；z为地面到隧道中心的深度。

沉降槽的宽度系数i的计算方法2：

i=R(z/2R)n。

(4)

式中：R为隧道的开挖半径；n取0.8～1.0，土越软，n的取值越大。

盾构隧道单位长度土体损失量Vl的计算方法：

Vl=πR2η。

(5)

式中，η为土体损失率，对于均质土，η通常为0.5%～2.0%，其中砂土取0.5%，软土取1%～2%。

根据Peck公式，结合DIK42+660断面的地层条件，隧道轴线埋深z取20.9 m，土体损失率η取1%，则根据式(4)，n取0.9，则沉降槽的宽度系数i为9.82 m；根据式(1)，计算对应测点的地表沉降量，得到开挖左线隧道后的沉降量如表1所示(其中测点的数值表示距左线隧道中线的距离，单位为m)。

表1地表沉降量Peck公式计算结果
Table 1 Ground surface settlement calculated by means of Peck formula

测点沉降量/mm-55-6×10-6-45-001-35-007-30-038-25-157-20-505-15-125-10-239-5-3530-4025-35310-23915-12525-15735-007

3 盾构隧道横向地层沉降数值模拟

根据DIK42+660断面附近的地层条件，利用ANSYS软件建立有限元模型，模拟的地层范围为宽60 m，高50 m，长60 m。根据图2，模拟地层主要分为3个大层，海陆交互相沉积层(2)、冲积层(3)及基岩(5)。地层的物理力学参数如表2所示。

表2 DIK42+660断面地层参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of strata at DIK42+660 cross-section

地层编号地层厚度/m密度/(kN/m3)弹性模量/MPa泊松比内聚力/kPa内摩擦角/(°)(2)1017020042176255(3)2019530033228315(5)20200300013270406

地层材料特性考虑成Drucker-Prager屈服准则的非线性弹塑性行为，采用Solid45单元模拟围岩，采用Mesh200单元来进行网格拖拉[10]。施加的边界约束条件是：地表为自由边界，计算模型的左右两面施加x轴方向的位移约束，底面施加x轴、y轴方向的位移约束，后面施加z轴方向的位移约束。地层有限元模型如图4所示。

图4 地层有限元模型

首先，在未开挖隧道时，只加载重力加速度，采用牛顿-拉普森方法进行求解，计算结果得到地应力场引起的地表各单元的沉降量均为0.322 9 m。然后，模拟隧道开挖，采用生死单元法杀死隧道开挖范围内的单元，长度为30 m，再进行计算计算结果，如图5所示。开挖面前方8 m处的地层沉降如图6所示，开挖面后方8 m处的地层沉降如图7所示，开挖面后方26 m处的地层沉降如图8所示。

断面实际沉降量由隧道开挖后的沉降量减去初始地应力场产生的沉降量得到。进入ANSYS后处理模块，提取出3个断面地表节点y轴方向的位移，减去初始地应力场下的位移，即可得到地表节点沉降量。

图5 数值模拟的地层沉降结果Fig.5 Ground settlement obtained by means of numerical simulation

图6 开挖面前方8 m处的地层沉降

图7 开挖后方8 m处的地层沉降

图8 开挖面后方26 m处的地层沉降

4 盾构隧道横向地层沉降现场验证

通过现场监测，左线盾构通过断面DIK42+660前后，地表横向沉降量的监测结果如表3所示。

表3 盾构通过时地表沉降量Table 3 Ground surface settlement when shield passes

为了对比盾构隧道开挖对地表横向沉降的影响，将DIK42+660断面地表测点理论分析、数值模拟以及现场监测的沉降量进行比较。Peck理论计算结果与数值模拟结果的比较如图9所示；Peck理论计算结果与现场监测结果的对比如图10所示。

图9 理论计算与数值模拟对比Fig.9 Comparison and contrast between ground surface settlement obtained by means of theoretical calculation and that obtained by means of numerical simulation

从图9和图10的对比可以看出：盾构到达断面之前，地表的沉降量较小；盾构通过断面时，对地层产生了较大的扰动；随着盾构的远离，地表沉降量渐渐增大，横向沉降量近似正态分布。通过数值仿真得到的开挖面前后3个断面(开挖面前方8 m处、开挖面后方8 m处、开挖面后方26 m处)的沉降量与DIK42+660断面盾构到达前后3次(刀盘到达前8 m、刀盘通过后8 m、刀盘通过后26 m)的地表沉降量的现场监测结果进行比较，数值模拟地表各点的沉降分布规律和沉降量均较接近现场监测结果，说明该数值模拟方法对地表沉降的预测有较好的有效性。

图10 理论计算与现场监测对比Fig 10 Comparison and contrast between ground surface settlement obtained by means of theoretical calculation and that measured at site

从图10可以看出：Peck理论的计算结果与DIK42+660断面刀盘通过100 m之后的地表沉降量的现场监测结果较接近，说明Peck理论计算得到的地层沉降量为地层被扰动之后再次趋于稳定的沉降量，对于盾构通过断面时地表沉降量的预测偏于保守。

5 结论与讨论

通过对狮子洋盾构隧道DIK42+660断面地表横向沉降量的理论分析、数值模拟以及现场监测数据验证，可以得出：盾构隧道施工引起的地表横向沉降量近似正态分布，并且随着盾构的远离渐渐增大，地层再次恢复稳定后地表横向沉降量的结果与Peck理论的计算结果接近；有限元方法预测盾构施工过程中地表的横向沉降量具有一定的可行性，Peck理论计算结果偏于保守。需要说明的是，理论分析与数值模拟均未考虑盾构施工时的同步注浆压力和密闭仓压力对地层沉降的影响，另外仅研究了横向地层沉降，未涉及纵向地层沉降。为了准确预测盾构施工引起的地层沉降，需进一步考虑上述影响因素，以便提出控制地表沉降的有效措施。

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CaseStudyonTransverseGroundSurfaceSettlementofLandSectionofShiziyangTunnelBoredbyShield

YANG Yandong1,2,CHEN Kui1,2,LI Fengyuan1,2,ZHOU Jianjun1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

In this paper,the transverse ground surface settlement of DIK42+660 cross-section of land section of Shiziyang tunnel induced by shield boring is calculated by means of Peck formula.The ground is numerically simulated by means of ANSYS finite element model,and the transverse ground surface settlement values are obtained from the numerical simulation results.The transverse ground surface settlement values obtained by means of theoretical analysis and numerical simulation respectively are estimated by means of comparing them with the measured values.The paper can provide reference for the prediction of ground surface settlement of shield-bored tunnel of similar projects in the future.

shield-bored tunnel; ground surface settlement; theoretical analysis; numerical simulation; field validation

2014-07-29；

2014-09-09

国家973计划(2014CB046906)；中铁隧道集团科技创新计划(隧研合2012-17)。

杨延栋(1988—)，男，陕西宝鸡人，2014年毕业于西南交通大学，机械设计及理论专业，硕士，助理工程师，研究方向为盾构及掘进技术。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.005

U 455.43

A

1672-741X(2014)12-1143-05