晏 莉（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410114）

盾构法双管隧道施工引起的地表沉降预测及特征分析

晏 莉
（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410114）

摘要：盾构法双管隧道施工产生的地表沉降预测方法按照不同的分析原理，可归纳为半经验分析法、理论分析法和数值分析法。分析了各种方法的优缺点，搜集国内外41条双管盾构隧道工程的地表沉降实测曲线，通过对曲线分布形态及其成因的分析以及地表最大沉降值数据的归纳整理，总结了双管隧道施工地表沉降分布的3大特点，即：1）地表沉降曲线主要呈现“单峰”和“双峰”2种形态，双管隧道间距及埋深是决定曲线形态的重要因素；2）影响地表沉降曲线形态的因素主要为地质和环境因素以及施工因素；3）地表最大沉降值与隧道埋深、双管隧道的间距、地层条件以及采用的盾构方法等均有密切的联系。

关键词：盾构隧道；双管并行隧道；地表沉降；现场量测

0　引言

城市地铁往往修筑于建筑物、道路和地下管线等设施密集区，而地铁施工会对地层产生扰动，从而导致地层产生一定的地表位移及变形，威胁上部已有建（构）筑物的安全。为了满足现代化城市发展的需求，许多城市地铁建设均采用了双管甚至多管形式，这些隧道不仅布置比较紧密（即隧道之间的间距较小），而且在许多情况下，隧道距离地表面埋深很浅，且临近地面建筑物。与单管隧道相比，双管并行隧道的施工对地层的扰动更大，由此产生的地表沉降也表现出更为复杂的特征。

双管隧道施工通常是一前一后的顺序通过同一断面，而后掘进的隧道往往会产生比先前掘进隧道更大的地表沉降［1］。双管隧道施工相互影响的结果就是产生不对称的地表沉降曲线［2］，而双管隧道施工的相互影响程度又受诸多因素的影响，如地层条件、隧道间

距、初始应力场、盾构不同的操控参数以及先后到达的时间间隔等。因此，双管并行隧道施工产生的地表沉降曲线分布特征及其预测问题成为许多学者所关心的焦点问题，但是，由于问题本身的复杂性，导致各种研究都具有一定的局限性。

本文在前人研究的基础上，对双管并行隧道施工产生的地表沉降预测方法进行了概括与总结，分析了各种方法的利弊。在此基础上，搜集了大量双管盾构隧道施工的现场地表沉降观测资料，分析了隧道开挖产生的地表沉降曲线分布特点，以及不同因素对双管并行隧道施工产生的最大地表沉降值的影响，以期为今后同类工程设计和施工提供参考。

1　双管隧道开挖地表沉降的预测方法

1.1半经验分析方法

半经验分析方法即结合隧道施工的地表沉降现场量测数据，采用数学方法或人工神经网络方法对地表沉降值进行拟合，得到隧道开挖引起的整个地表沉降曲线公式。许多学者基于单管隧道施工产生的地表沉降预测公式，提出了双管隧道开挖引起的地表沉降经验预测［3－5］。至今，单管隧道地表沉降最经典的经验公式为Peck公式，即Peck（1969年）在大量隧道开挖地表沉降实测资料的基础上，系统地提出地层损失概念和估算单管隧道开挖地表下沉的实用方法，公式为：

式中：S为距离隧道中心轴线为x处的地表沉降值；Smax为隧道中心线处地表最大沉降值；i为地表沉降槽宽度系数，即地表沉降曲线反弯点至隧道中心轴线的距离。

由式（1）可知，只要确定了Smax和i，就可得到单管隧道开挖的地表下沉曲线。对于Smax和i，已有学者进行了大量研究，得到了一些非常实用的图表，如建立在实测数据基础上研究的Attewell法、O’ReillyNew法、Hanya法及Fujita法等［7－10］。

计算双管并行隧道开挖引起的地表下沉曲线，最为普遍的方法就是将2条隧道开挖分别产生的地表下沉曲线叠加起来。如New和O’Reilly利用这种叠加法得出了双管并行圆形隧道开挖引起的地表下沉曲线公式为［11］：

式中：Vs为沉降槽的断面积；K为经验常数；Z为地表至隧道中心的深度；y为地表点距第1条隧道中轴线的距离；D为2条隧道之间的中心距。

此外，文献［12］提出将Fujita针对日本的94个工程实测案例资料进行分析，得到的隧道采用不同盾构施工方法穿越不同土层所产生的地表最大沉降值Smax（如表1所示［10］），与Peck在文献［6］中给出的隧道在不同地层条件下开挖沉降槽宽度与隧道埋深的无量纲关系曲线同时运用到式（1）中，这样便可确定单管隧道开挖产生地表沉降的一个大致范围，再通过叠加计算，即可得到双管隧道开挖产生的地表沉降值范围［12］。

表1　预计的最大地表沉降量［10］Table 1 Maximum ground surface settlement predicted［10］mm

经验分析法最大的优点就是方便、简单，由于计算公式简单，因此，在对双管隧道开挖引起的地表沉降进行预测时十分便捷。但是，经验分析法无法考虑双管隧道由于接近施工所产生的相互影响，因此，只能适用于双管隧道有足够大间距的情况。此外，现场实测地表沉降值是半经验法预测双管隧道施工地表沉降的前提，但是量测值在一定程度上受到多重因素的影响，如地层条件、施工方法或施工参数等，进而影响地表沉降预测的准确性。因此，拟合曲线的适用范围有一定的局限性。

1.2理论分析方法

双管隧道施工是十分复杂的相互影响问题。国内外许多学者通过研究，已经获得了深埋双管隧道施工产生的围岩应力和位移解析解，但是由于地铁盾构隧道埋深较浅，不能忽略地表边界对围岩位移的影响，无法直接使用深埋双管隧道的理论解析解来进行地表沉降预测。

对于浅埋双管隧道的地表沉降问题，其相应的理论解析解至今仍不多见。随机介质理论虽然可以成功地预测隧道及地下工程建设产生的地表移动及变形问题，但是，在计算双管并行隧道建设所引起的地表下沉时，同样是将2条隧道引起的地表沉降值叠加而获得，无法考虑双管隧道施工的相互影响［13－15］。

对于在均质弹性地基上进行双管隧道开挖，ZHOU Xiaowen等［16］通过对点荷载下Mindlin位移解进行积分，利用泰勒级数进行展开，获得了二维和三维地面沉降的近似显式解析解。晏莉等［17］结合复变函数理论以及交替算法，借助计算机编程，获得了半无限平面内双孔平行隧道施加洞周应力情况下围岩的应力和位移解。但是，上述方法都将地基考虑成均质弹性

地基，与实际岩土材料的力学特性相距甚远。

由此可见，理论解析解的计算推导过程复杂且繁琐，可操控性不强，而且由于双管隧道问题本身的复杂性，难以建立完全与工程实际相一致的力学分析模型，得到的理论解析解仅适用于做一些相关的规律性分析，难以直接用于指导实际工程。

1.3数值分析方法

随着计算机技术的飞速发展，二维和三维数值计算技术越来越多地被应用于双管地表沉降曲线的预测中［18－20］。其基本方法大致为：依据工程实际情况建立数值计算模型，模拟隧道的施工，最终得到地表沉降值，然后再利用数学曲线进行拟合。如Hunt［18］（2005年）通过二维有限元计算分析，提出了一种改进的预测双管隧道地表沉降曲线的方法。该方法主要修改了第2座隧道上方“重叠区域”产生的地表移动，“重叠区域”是指在第1座隧道先行开挖的情况下，已经对该区域产生过扰动的土体范围。提出地表和地表以下土体产生位移的修改函数

式中：Z＝（Zo－Z）；A为沉降槽宽度系数的倍数，常取为2.5或3.0；M为基于数值分析得到的最大修正值，假设作用在第1条隧道中轴线上，也就是说，第1条隧道上方地层在此处产生的垂直位移增量最大，介于0.6～1.5。

利用修正函数F，可计算得到修正的第2条隧道上方产生的沉降曲线S2mod，其中，S2由式（1）得到。式（4）不仅可以计算地表的沉降，而且同样适用于计算地表以下土体的位移。

S2mod＝FS2。（4）

最后，利用Peck公式计算得到第1条隧道开挖的地表沉降值与式（4）计算得到第2条隧道施工的地表沉降值叠加，便得到了双管平行隧道开挖的地表沉降曲线［21］。

数值分析方法的计算过程主要由计算机完成，而且相对可以模拟比较复杂的工程地质环境，可以将众多的因素考虑进去，因此，其适用性非常广泛。但是，建立一个能与土体行为完全吻合的理想数值模型是一件十分困难的事情。

综合上述已有的研究可知，双管隧道施工是个十分复杂的问题，对其引起的地表沉降预测仍然是个难题，虽然有多种方法都可以进行相应的计算，但是各种方法又有其相应的局限性。因此，在工程中应该视具体情况合理选择相应的方法，对双管并行隧道施工引起的地表沉降进行预测。

2　地表沉降现场监测资料

隧道施工的地表沉降现场量测数据可以最直接、直观地了解实际双管隧道施工中所产生的地表沉降曲线分布形式和特点，是准确预测双管隧道开挖产生地表沉降曲线最实用的基础条件。

结合大量文献资料，搜集了国内外41个双管并行隧道工程实例的地表沉降量测曲线［9，18，22－37］，根据采用的不同盾构施工方法以及所穿越的不同土层情况，将其分为5组，如图1—5所示。图1—5中，Z为地表至隧道中心的距离，R为隧道半径，d为2条隧道的中心间距。在实体工程中，隧道深径比Z／D（即隧道埋深与直径的比值）的分布范围为1.25～5.39，而隧道间径比d／D（即2条隧道的中心距与隧道直径的比值）则在1.29～5.5。其中，在黏性土和砂性土中采用开敞式盾构施工的隧道分别有12例和4例，而在黏性土和砂性土中采用土压平衡盾构施工的隧道分别有22例和3例。采用开敞式盾构施工的隧道，其施工年代都是比较早期的，并且普遍采用了一些辅助施工方法，如降低地下水位、压气法及化学注浆等。

3　平行隧道开挖地表沉降分布特点

结合前人对双管并行隧道开挖的研究以及图1—5所示的现场实测地表沉降曲线图，双管并行圆形隧道盾构法施工产生的地表沉降分布特点可概括如下。

3.1双管隧道开挖产生的地表沉降曲线主要呈现“单峰”和“双峰”2种分布形态，2条隧道的间距及埋深是决定曲线形态的重要因素

晏莉在文献［38］中利用复变函数和交替算法研究发现：当2条隧道距离很近（当Z／D＝1时，d／D≤1.83）或者埋深较深（当d／D＝1.5时，Z／D＞0.5）时，地表沉降曲线呈现“单峰”分布，即在2条隧道中心对称轴附近产生的地表沉降值最大，随后，距离该轴越远，地表沉降值越小，这与单管隧道开挖产生的地表沉降分布形态相同；反之，当2条隧道相隔较远或者埋深较浅时，地表沉降曲线则呈现“双峰”分布，即地表沉降曲线分别在2条隧道的上方位置各出现一个最大值。由于文献［38］中给出的条件限定范围相对来说比较狭窄，因此，仅在一个大致范围内进行比较。图1—5中共有9条曲线呈现出“双峰”分布形态，而这9条曲线中图1（a）的隧道间径比d／D＝1.91最小，但是均大于1.83，同时，隧道的深径比Z／D大部分在1～3，除图3（o）和图5（a）的隧道间径比都很大的情况（d／D＞5）。其他的32条“单峰”分布曲线中，有许多工程的隧道间径比也大于1.83，如图1（e～h）和图2 （a）所示，这主要是因为开敞式盾构施工都采用了辅助施工方法，提高了地基的整体稳定性。另外，图3 （c～k）和图4（a）所示的“单峰”分布曲线，隧道间径比也大于1.83，但是隧道深径比Z／D都在3左右，远远大于文献［38］中Z／D＝1的条件。因此，可以看出2条隧道的间距和埋深共同决定着双管隧道开挖产生的地表沉降曲线的形态。

图1　黏性土中开敞式盾构施工的平行双管隧道开挖后的地表沉降量测曲线Fig.1 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in cohesive soil：bored by open shields

图2　砂性土中开敞式盾构施工的平行双管隧道开挖后的地表沉降量测曲线Fig.2 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in sandy soil：bored by open shields

图3　国外黏性土中土压平衡盾构施工的平行双管隧道开挖后的地表沉降量测曲线Fig.3 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in cohesive soil abroad：bored by EPB shields

3.2地表沉降曲线形态各异，其主要影响因素为地质和环境因素、施工因素2方面

由图1—5可知，双管并行隧道修建引起的地表沉降分布曲线，有的沿2条隧道中心轴线呈对称分布，有的出现对称轴偏移，而有的则呈现不对称分布形态，甚至有的会产生地表隆起。比如：图1（a）所示的德国Frankfurt地铁的地表沉降槽呈现“双峰”分布形态，但是右线上方最大的土体位移要明显大于左线上方土体

最大位移值约30 mm，这是因为在该处有一建筑物座落于隧道的右上方，无形中增加了右线隧道上方的荷载，故地表沉降曲线呈现不对称分布形态［22］；图5 （b）南京地铁1号线许—南区间H17监测断面的地表沉降分布曲线也呈现不对称分布，这是因为隧道右线先行掘进，3个月后左线始发，而左线在掘进时参考相同地段右线掘进的成功经验，对掘进参数的设置进行了优化，使得左线施工产生的地表沉降槽明显小于右线掘进产生的沉降槽，因此，整个地表的沉降曲线呈现出右边大左边小的形式［35］。

图4　国内黏性土中土压平衡盾构施工的平行双管隧道开挖后的地表沉降量测曲线Fig.4 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in cohesive soil in China：bored by EPB shields

图5　砂性土中土压平衡盾构施工的平行双管隧道开挖后的地表沉降量测曲线Fig.5 Curves of measured ground surface settlement caused by construction of twintube tunnels in sandy soil：bored by EPB shields

双管并行隧道开挖产生的地表沉降曲线呈现对称轴偏移的情况，大部分发生在2条隧道间距较小处，此时产生的地表沉降曲线为“单峰”分布。这是因为双管隧道的实际施工是一前一后，先行施工的第1条隧道扰动了第2条隧道上方的土体，因此，在大多数情况下，第2条隧道施工引起的地表沉降比第1条大，所以，总体的地表沉降槽会往第2条隧道方向偏移。如图3（g）所示曼谷MRTA项目监测断面A（23－AR－001）的地表沉降曲线，在该断面右线隧道先行掘进，左线隧道后掘进，导致最终的地表沉降曲线对称轴往

左线发生了偏移［36］，但偏移值不大。

此外，如图3（l）所示曼谷MRTA项目监测断面C （CS－8G）的地表沉降曲线发生了隆起。在该断面左线隧道先行施工，此时观测到的地表沉降很小，即盾构经过了1周后最大仅5 mm沉降，这与土压平衡盾构施工时采用了优化的掌子面压力200 kPa有关［36］。但是，当右线隧道掘进经过该断面时，地表却产生了隆起，甚至在盾构施工过去1周后，地表仍有隆起，产生这种现象的主要原因是施工时采用的掌子面压力很大，高达390 kPa，约为在该深度侧向土压力的2倍。因此，盾构施工将土体往外挤出，导致右线隧道上方的地表产生了隆起。

3.3双管盾构隧道施工产生的地表最大沉降值与隧道埋深、2条隧道的间距、地层条件以及采用的盾构方法均有密切联系

通过对第2节41个地表沉降的现场观测数据进行归纳和总结，得出了双管并行隧道在不同情况下修建产生的地表最大沉降值与隧道埋深和隧道间距之间的关系图，分别如图6和图7所示。其规律可以总结如下：

图6　双管并行隧道的埋深与开挖所产生的地表最大沉降量的关系Fig.6 Correlation between tunnel depth and maximum groundsurface settlement due to construction of twintube tunnels

1）双管并行隧道在黏性土层中施工产生的最大地表沉降值大于在砂性土层中施工所产生的值。

2）在黏性土层中，双管并行隧道采用开敞式盾构施工产生的地表最大沉降值大于采用土压平衡盾构施工方法；而在砂性土层中，双管并行隧道采用何种盾构施工方法对地表产生的最大沉降值影响不大。

3）在黏性土层中采用开敞式盾构施工，双管并行隧道施工产生的地表最大沉降值大致随着隧道埋深的增加而增加；而采用土压平衡盾构施工，如果施工控制得当，可以有效地减少隧道开挖所产生的地表沉降。

图7　双管并行隧道的间距与开挖所产生的地表最大沉降量的关系Fig.7 Correlation between distance between tunnel tubes and maximum ground surface settlement due to construction of twintube tunnels

4）双管隧道之间的间距对施工产生的地表最大沉降值影响明显，2个洞室距离越近，其开挖后产生的地表最大沉降值越大。

4　结论与讨论

掌握隧道施工对地层扰动产生的地表位移规律，可以大大降低隧道施工引起的地层上部建（构）筑物发生倾斜、变形甚至破坏的风险。本文通过搜集大量的国内外文献，归纳总结了双管并行隧道施工产生的地表沉降预测方法，以及盾构法施工的双管并行隧道地表沉降分布的3大特点，主要结论如下：

1）目前，用于双管隧道地表沉降预测的半经验分析法、理论分析法和数值分析法各有利弊，在实际工作中应该视具体情况选用，且各种方法都还有待进一步提高。

2）双管隧道施工产生的地表沉降分布规律远比单管隧道复杂，在进行地表沉降预测时应尽可能将其所有影响因素都考虑进去，包括双管隧道的间距、埋深、地层条件、环境因素以及施工因素等。

双管并行隧道施工地表沉降的现场实测资料库还有待进一步丰富，以期建立双管隧道地表沉降与其相关影响因素的具体预测公式。文中所述的双管并行隧道施工产生的地表沉降规律也有待在后续的研究中逐步加以验证和完善。

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Prediction and Characteristic Analysis of Ground Surface Settlement Caused by Construction of Twintube Tunnels

YAN Li
（School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，Hunan，China）

Abstract：Based on the different analysis principles，the methods used to predict the ground surface settlement caused by the construction of twintube tunnels are classified into semiempirical analysis method，theoretical analysis method and numerical analysis method，whose advantages and disadvantages are analyzed.Curves of measured ground surface settlement caused by the construction of 41 twintube tunnels at home and abroad are collected.Through the analysis on the shape and causes of the curves as well as the analysis on the data of the maximum ground surface settlement，the following three main characteristics are summarized for the distribution curves of the ground surface settlement caused by the shield construction of twintube tunnels：1）The ground surface settlement curves mainly present“unimodal”and “bimodal”forms.Both the distance between twin tubes and the tunnel depth have great influence on the curve forms；2）The main factors that have influence on the ground surface settlement distribution curves include the geological factors，the environmental factors and the construction factors；3）The maximum ground surface settlement is closely related to the tunnel depth，the distance between the twin tubes，the ground conditions and the shield tunneling method.

Key words：shield tunnelling；twintube tunnel；ground surface settlement；field measurement

作者简介：晏莉（1979—），女，湖南株洲人，2008年毕业于中南大学，桥梁与隧道工程专业，博士，讲师，主要从事隧道与岩土工程方面的教学与研究工作。

基金项目：国家自然科学基金项目（51408067）；湖南省教育厅一般项目（12C0036）；长沙理工大学桥梁与隧道工程重点学科基金项目

收稿日期：2014－12－09；修回日期：2015－02－12

中图分类号：U 456.1

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）05－0419－09

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.005