杨 飞，李 嘉，陈建军

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310023）

0 引 言

盾构法广泛应用于地铁隧道施工，由于盾构开挖不可避免会对土体产生扰动，引起地表沉降，对周围建（构）筑物造成影响。针对盾构隧道施工引起的地层位移，PECK[1]提出了地面沉降槽预测Peck经验公式。罗雄文等[2]采用地表沉降时程曲线和地表横向沉降曲线相结合的方法，分析双线盾构隧道前、后掘进引起的地表沉降规律。许文浪等[3]采用数值模拟方法得出盾构施工引起的主要沉降范围及沉降规律。

李大勇等[4]和叶飞等[5]研究得出土体位移与盾构掘进姿态、盾构机土仓压力、隧道埋深、土层性质、注浆压力等因素有关。ADDENBROOKE等[6]和DO等[7]通过有限元模拟研究了双线隧道先后开挖对地表沉降的影响，结果显示地表最终沉降曲线非对称分布。魏纲等[8]提出土体损失引起的三维地面变形计算公式。张明聚等[9]研究得出左、右线分别通过建筑物时基础沉降值迅速增加，有明显的二次沉降规律。刘招伟等[10]结合现场监测结果总结了地表沉降规律。刘辉等[11]介绍了复合地层中盾构下穿密集建筑群的多种施工技术和应用效果。

对复合地层条件下盾构施工引起的地表沉降是近年来的研究热点，目前地层位移研究多以沉降为主，水平位移研究较少。本文以杭州地铁3号线某区间工程为依托，根据地表沉降监测成果开展有限元模拟，研究复合地层中双线盾构隧道施工时地表沉降和水平位移规律。

1 项目概况

杭州地铁3号线一期工程某区间为双线隧道施工，总长度为1 627 m。隧道轴线埋深10.4～18.4 m，盾构前100环双线隧道轴线间距L为11 m，采用复合式土压平衡盾构机施工。管片外径D为6.2 m，内径d为5.5 m，管片厚度0.35 m，环宽1.2 m。先行左线隧道掘进速度平均6环/天，后行右线掘进速度平均2.7环/天。图1为盾构隧道地质剖面图，由图1可知，始发后120 m（100环）区间隧道上部的土层主要分布有碎石填土、素填土，填土层厚度较厚，松散；隧道开挖断面范围内中上部为强风化泥岩，局部有碎石夹黏性土，隧道开挖断面中下部主要土层为中风化泥岩上段，局部有中风化钙质泥岩，强度高、自稳能力强；隧道下方为中风化钙质泥岩。各土层主要物理参数见表1，由表1可知，中风化泥岩以下地层的弹性模量和强度指标普遍大于上部地层，由此该隧道赋存于上软下硬的复合地层。

图1 盾构隧道地质剖面图Fig. 1 Geological section of shield tunnel

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of soil layer

2 地表沉降分析

2.1 地表沉降监测

为掌握双线盾构施工中周边道路地表沉降情况，依据相关规范制定监测方案。地表沉降点沿盾构轴线布设，近始发井前100环每5环设一轴线点，10环设一监测断面。监测断面点从中线向两侧布设间距，如图2所示。

图2 监测断面地表测点布置示意图Fig. 2 Layout of monitoring points on the surface of the monitoring section

2.2 地表沉降槽分析

该盾构区间由两台盾构机进行挖掘，左线隧道先行开挖，右线隧道滞后110环左右。距始发站为20 m、30 m、40 m的观测断面地表沉降分布见图3所示。先行隧道通过监测断面时，监测断面只监测1～10点，双线隧道都通过监测断面时，监测断面为1～14监测点。

由图3可知，3个断面整体位移变化量相接近，40 m处监测断面隧道所属地层土体泥岩占比相对较大，导致整体变化量小于其他断面，但总体维持在6～7 mm之间，由此可知盾构隧道在复合地层中施工地表位移量变化相对稳定，各监测断面监测数据离散性较小，能较好反映地表沉降分布规律。与一般工程监测数据类似，监测数据具有一定的波动性，推测与地层非完全均匀、盾构施工参数波动、地面车辆载荷等干扰因素相关。

图3 地表沉降分布曲线Fig. 3 Distribution of surface settlement

先行隧道单线施工时，地表沉降大致符合Peck曲线分布，沉降槽曲线呈现“V”型，沉降最大值出现在隧道轴线附近处，当双线隧道都通过监测断面时，最终的地表沉降呈现“W”型分布，沉降曲线出现两个极值点，极值点出现在各自隧道轴线附近，沉降分布与Peck曲线差距较大。说明后行线开挖对地层造成二次扰动，产生新的位移，与先行隧道掘进形成的位移叠加，两次位移存在叠加效应，这与相关文献的研究成果一致[12]。该区段断面最大沉降量在6～8 mm之间，不同断面存在一定差异，与地层构成有关。

3 地层位移的数值模拟分析

采用MIDAS/GTSNX有限元分析软件对复合地层前50环盾构开挖过程进行模拟分析，水位设为-2 m，模型长60 m、宽100 m、深50 m，见图4，土体计算参数见表1。

图4 三维计算模型Fig. 4 Three-dimensional numerical model

对盾构施工动态全过程模拟，施工阶段模拟：土体开挖、管片纵向拼接、同步注浆；荷载模拟：千斤顶对管片推力、掘进压力、注浆压力。具体模拟步骤见表2。

表2 隧道开挖分析步骤Table 2 Analytical steps of tunnel excavation

软件中管片采用2D板单元模拟。由于管片环存在接头，对其刚度会有影响，目前管片常用设计方法中并不考虑此影响，在修正设计方法中适当考虑折减，但折减率目前未有统一理论。在此为了将问题简化，模型中借鉴常用设计方法，不考虑接缝对刚度的影响。考虑管片主要承受土体环向压力，因此将管片的纵向弹性模量等同于横向弹性模量。

盾构工程中壁后注浆材料经历了一个复杂的动态连续硬化过程，弹性模量、强度等力学参数随时间发生连续变化。为了充填密实，工程中采用带压注浆，注浆量是壁后空间体积的2倍左右。因此为了使模型简化，认为充填是密实的，壁后注浆材料采用线弹性模型。

依据地铁设计规范[13]以及该工程施工参数选取掘进压力为0.12 MPa，注浆压力为0.2 MPa，千斤顶对管片压力为0.1 MPa，结构计算参数见表3。

表3 结构材料计算参数Table 3 Parameters of structure materials

3.1 竖向位移分析

将距始发站20 m的监测断面实测数据与数值模型17环处模拟数据进行对比，如图5。双线隧道先后开挖通过监测断面时，数值模拟与实测数据变化规律基本一致，数值模拟的地表沉降最大值相对较小，曲线较平顺。由此可知，数值模拟结果与实测数据相互论证，符合实际规律，反映了建立的模型具有合理性，模拟计算结果具有一定的准确性，对后续盾构施工土层扰动影响具有一定参考价值。

图5 双线隧道先后施工时实测与模拟对比图Fig. 5 Comparison of measured and simulated results during successive construction of double-line tunnels

3.2 复合地层竖向位移规律分析

比较上软下硬土层的交界面（以下简称交界面）在不同位置时地表竖向位移的差异。交界面位置设定为4种情况，分别位于土层③顶面（情况一）、土层⑤顶面（情况二）、土层⑥顶面（隧道截面圆心）（情况三）、土层⑦顶部（情况四），硬土层性质取为土层⑦，见图6。此外设定同一种性质软土层（情况五）和硬土层（情况六）。6种情况下地层分布见表4，对应的力学性质见表1。6种情况下模型计算步骤见表2。6种情况的地表竖向位移分布见图7所示。

图6 隧道与复合地层交界面相对位置关系图Fig. 6 Relative position of the interface between tunnel and composite formation

表4 不同模型地层分布Table 4 Stratigraphic distribution of different models

由图7可见，按地表沉降量大小可将6种情况分成3组。当地层都是硬土层（情况六）和隧道截面处于硬土层且地表软土层较薄时（情况一）为第1组，两者位移量较小；当地层都是软土层（情况五）和隧道截面完全处于软土层时（情况四）为第2组，地表位移量较大；当软硬土层交界面贴近隧道上表面（情况二）和位于隧道截面中部时（情况三）为第3组，两者地表位移量接近，介于以上2组之间。3组位移量的对比关系符合一般规律，即隧道开挖在硬土层中地表位移小于软土层位移。对比情况一和情况二地表位移可见，当软硬土层交界面位于隧道上方时，随着交界面的下移，最大沉降位移显著增大，其原因是地表沉降主要由上部地层的位移构成，上部地层的性质对地表位移影响显著。复合地层发生明显沉降的地表范围与软土地层接近，与硬土层差距明显。复合地层沉降范围大致为70 m（11 D），硬土层大致为50 m（8 D）。

图7 地表沉降曲线分布图Fig. 7 Distribution map of surface settlement curves

3.3 水平位移分析

图8为双线隧道先后施工完成后水平位移云图，距始发站20 m监测断面（地表以下3 m）水平位移沿横向分布见图9，水平位移值的正负表示沿相反方向变形（向右侧移动为正）。由图8可见，水平位移呈现对称分布，即先行隧道施工后，沿先行隧道轴线对称分布；后行隧道施工后，沿两隧道轴线中心处对称分布。水平位移最大绝对值为2.99 mm，是最大竖向位移量的41.2%。

图8 水平位移云图Fig. 8 Horizontal displacement nephogram

图9 水平位移分布Fig. 9 Horizontal displacement distribution

由图9可知，先行线开挖后地表水平位移有2个峰值，位置在距离隧道轴线1.5 D处，在隧道中心处位移几乎为0，随着远离隧道轴线，水平位移由小变大，当水平位移达到最大值后随着离隧道轴线距离增加而先加速后缓慢减小。在距离隧道轴线约2.7 D处水平位移出现反弯点，在距离隧道轴线3.4 D处水平位移只有最大值的25%左右。随着后行线隧道的开挖，导致地表水平位移增大，峰值位移增大24%；后开挖隧道侧的峰值位移向后开挖侧移动2.6 D，先开挖隧道侧的峰值位移向后开挖侧略微移动，在双隧道中心处地层水平位移接近于0。

4 结 论

以杭州地铁3号线一期工程某区间隧道为依托，对盾构前100环施工的监测数据进行了分析，并结合有限元数值模拟，研究盾构隧道施工引起地层的位移分布及变化规律，得出以下结论：

（1）先行隧道施工时，地表沉降大致符合Peck曲线分布，最大值位于隧道轴线附近处，当双线隧道施工时，地表沉降呈现“W”型分布，两个极值点位于各自隧道轴线处。

（2）基于数值模拟分析可见，地表竖向位移与实测数据大致相符；在水平位移上，单线隧道施工时，距离隧道轴线1.5 D处的水平位移达最大，在距2.7 D处，出现反弯点。

（3）复合地层情况下地表沉降介于全部为硬层和软层之间。当交界面位于隧道上方时，随着交界面的下移，最大沉降位移显著增大。地表沉降主要由上部地层的位移构成，上部地层的性质对地表位移影响显著。

（4）随着后行隧道的开挖，导致地表水平位移增大，峰值位移增大24%；后开挖隧道侧的峰值位移向后开挖侧移动2.6 D，先开挖隧道侧的峰值位移向后开挖侧略微移动。

本文主要结论对工程设计和施工具有借鉴意义。双线盾构隧道开挖时复合地层地表沉降范围与软土地层时接近，在评估盾构施工环境效应时可以参考。软硬地层交界面位置对地表沉降有直接影响，在盾构隧道设计与施工时要注意识别。