南京江漫滩区间隧道盾构施工地表沉降变形特性研究

李方明，陈国兴

(1. 中国地震局 工程力学研究所， 黑龙江 哈尔滨 150080； 2. 南京工业大学 岩土工程研究所， 江苏 南京 210009)

地铁区间隧道盾构施工容易引起地表沉降，其研究方法相对较多，其中最成熟且有经验的方法就是Peck法[1]。Peck经验方法以不排水条件下隧道盾构施工引起的地表瞬时沉降为研究对象，认为地表沉降槽的体积与盾构施工引起的水土流失体积基本相同。假设整个区间隧道土体损失率相同，那么隧道盾构施工引起的地表沉降横向分布近似于一正态分布曲线，其曲线形态见图2，其正态分布曲线预估公式为

( 1 )

式中:s(x)为隧道施工所造成的地表沉降量；i为沉降槽宽度系数；smax为最大地表沉降量，其计算公式为

( 2 )

其中，Vl为盾构施工造成的水土流失量，即单位长度盾构施工开挖量与完工后隧道体积之差(包括同步灌浆和二次灌浆的体积)；η为区间隧道盾构施工引起的土体损失率；d为区间隧道设计外半径。

Peck经验公式法经工程实践证明，其曲线形状与盾构隧道实测地表沉降曲线一致，已被有关规范广泛采用。Peck经验公式法主要由η和i两个变量来控制，地表沉降最大值由η控制，地表沉降曲线形式由i控制，同时也对地表沉降最大值有所影响。i值计算公式很多，其不仅与地域有关，也与其采纳的计算公式有关，i值在某一地区的经验取值，通常根据该地区的施工经验实测结果来总结验证。朱才辉等[2]以大量的国内地铁隧道实测沉降资料为依据，总结了地表最大沉降量、沉降槽宽度系数和地层损失率变化规律及其关系。韩煊等[3]在分析的过程中重点对中国众多地区(约30组)地表沉降实测数据加以统计和分析，对Peck法于不同地区的适用性加以探究，给出了两个控制计算参数沉降槽宽度系数和土体损失率的推荐值。魏纲[4]在实际分析的过程中统计了13例22个地表沉降实测资料，将黏性土沉降槽宽度系数的计算公式加以总结。蒋彪等[5]通过对长沙地区大量的地表沉降实测数据的统计分析，得到了Peak公式法预测长沙地区土压平衡盾构引起地表沉降的沉降槽宽度系数和地层损失率。王渊等[6]研究了武汉地区盾构施工地表沉降规律，总结了Peck公式中适应于地区经验的2个控制性计算参数i和Vl。同样地，魏刚[7]对中国大陆的71条隧道盾构施工所造成的土体损失率η加以统计和分析，最终将η与隧道埋深h的关联确认出来。陈春舒等[8]通过对武汉地铁长江冲积一级阶地盾构隧道施工地表沉降实测资料的拟合分析，得出了该地区典型砂土层Peck公式中i和η两个控制参数的区域经验推荐值，并对地层损失率进行了统计分析。而针对南京江漫滩这一典型地质条件下的沉降槽宽度系数i和土体损失率η的统计分析研究尚处于空白。

本文对南京地铁12组漫滩段盾构隧道地表沉降实测数据进行了总结和分析，验证了Peck经验公式在漫滩地区的适用性，提出了经典Peck公式的沉降槽宽度系数i和土体损失率η两个主要控制参数的经验推荐值，以及该区施工引起的地表沉降范围影响分区。

1 工程概况

盾构施工是南京江漫滩地铁区间隧道所常用的施工方法，区间隧道埋深一般在8.0～37.0 m之间，隧道在江漫滩中穿越涉及到的主要土层有填土、软塑—流塑状态的黏性土、粉土、粉细砂、细砂、中砂、粗砂、卵石层及砾石层等。南京地铁7个江漫滩地貌区间隧道盾构施工情况见表1。

表1 区间盾构施工工程概况

江漫滩隧道穿越的土层工程地质和水文地质条件复杂，不仅有结构强度低、流变性及触变性强的软黏土，还有透水性较强的砂砾承压含水层。地质剖面图见图3。

2 江漫滩区间隧道盾构施工地表沉降槽变形研究

2.1 沉降槽曲线形态

区间隧道盾构施工短期所造成的地表沉降预测需要通过Peck经验公式而求解，借助于Fang的方法[9]，在分析的过程中需要将区间隧道盾构通过2～3d后的地表沉降量当做具体的研究对象。利用Peck公式拟合实际测量的12组地表沉降数据，拟合曲线见图4，由图4可知，当前可以通过Peck曲线而拟合江漫滩区间隧道盾构施工引起的实测地表沉降。

2.2 沉降槽宽度系数i

本次实际测量的12组地表沉降槽宽度系数i值见表2。由表2可知，临万、京柳、绿梦三个区间隧道上覆土为黏性土时，沉降槽宽度系数与隧道埋深的比值范围在0.49～0.55。柳上区间隧道上覆土为粉土、粉砂层时，k=i/h=0.45。因此，建议该地区粉土、粉砂中地表沉降槽宽度系数的比例系数k经验值可取0.45。黏性土中地表沉降槽宽度系数的比例系数k经验值可取0.5。

对表2中i值和隧道埋深h进行拟合，由此得到的拟合曲线见图5。由图5可知，i/h比值的范围处于0.45～0.51之间，呈高度线性关系，其线性拟合相关系数R2=0.98，由此得到相应的曲线公式为

表2 i值统计表

i=0.45h+0.48

( 3 )

隧道半径d大小直接影响到地表沉降槽宽度系数i的大小。在分析的过程中需要考虑到这一方面[1]，因此对实测的12个i/d和h/2d进行曲线拟合，其关系曲线见图6。由图6可知，i/d与h/2d两者呈线性关系，两条拟合直线线性相关系数要劣于式( 3 )。所以，隧道直径对该系数的影响程度视为0。

不论是砂土层还是黏土层，分层土特性对沉降槽宽度系数造成不同影响，所以在分析过程中需要以基于漫滩区域工程经验值为指标，南京江漫滩盾构隧道施工引起地表沉降Peck经验公式也需要使用到O’Reilly-New[10]经验公式，由此才能对i值进行分析

i=k1h1+k2h2+…+knhn

( 4 )

式中:kn为隧道埋深内第n层土的沉降槽宽度系数的比例系数，对于江漫滩黏土层取值0.5，对于粉土、粉砂层取值0.45，隧道埋深内的第n层土层的厚度需要通过hn加以表示。将采用式( 4 )估算的地表沉降槽宽度系数i与实测值对比来看，其与实测值相差甚微，因此采用式( 4 )能够准确的预测地表沉降槽宽度系数i。

2.3 土体损失率η

盾构施工时造成的土体损失体积除以开挖土体的总体积，即为土体损失率η，可以用来衡量盾构施工对周边土体位移的影响。其大小与穿越土层客观条件等有关，也和管理水平、技术水平以及盾构机选型等因素有关联[11]。依据实际测量的最大地表沉降值才能将各个区间土地损失率η计算出来，计算结果见表3。

表3 土体损失率η的计算结果

对表3中土体损失率η累计发生概率区间分布进行统计分析，绘制直方图见图7。由图7可知，此时所得到的土体损失率η分布曲线是完全合乎于正态分布的。土压平衡盾构施工土体损失率的范围在0.11%～5.41%之间，土体损失率主要集中在0.5%～3.0%，占总数的90%，均值为2.91%。泥水平衡盾构施工土体损失率主要集中在0.09%～0.66%，均值为0.5%。泥水平衡盾构施工的土地损失率远远小于前者。当对地表沉降大小进行初步估算的时候，此时，土压平衡盾构施工土体损失率η可取2.9%，相反地，泥水平衡盾构施工土体损失率η可取0.5%。在初步预估地表沉降时，应根据不同的施工方法采取不同的土体损失率经验值，从而更加科学合理预测出地表沉降大小。

2.4 地表沉降影响分区

地层原有应力状态因盾构掘进施工而重新分布，引起土体变形，由此扰动区存在于隧道周边[12]，r′为扰动区半径，见图8。在分析的过程中需要结合土体极限平衡理论，主动土压力角和施工扰动影响区边界线的水平仰角两者是统一的，角度值都是45°+φ/2[13-15]，其中，它和地面交汇地方的沉降量为0。施工影响半径r′的计算公式为

( 5 )

因此，隧道中心线距完全边界线地表处的水平距离r2为

r2=r″+htan(45°-φ/2)=

r′/sin(45°+φ/2)+htan(45°-φ/2)

( 6 )

式中：r为隧道半径，m；D为隧道直径，m；r″为完全边界与隧道中心水平线交汇处至隧道竖向中心线的距离，m。

根据不同的距离分别统计分析隧道盾构施工引起的地表沉降实测数据，详见表4。隧道盾构施工引起的地表沉降的主要影响区域为隧道轴线两侧(2～3)D宽度范围内，在该范围区间内，土体损失量占总损失量的70%左右。地表沉降曲线反弯点计算公式为

r1=i=0.45h+0.48≈0.45h

( 7 )

此时，沉降量sr1=0.6smax，在此范围内为主要影响区，应加密观测点数量。

通过式( 6 )计算得到r2，相应内容见表4。表4中r2/i比值范围为2.3～2.7，平均值为2.5。因此r2≈2.5i，在此处地表沉降接近于0。对r2和h进行线性拟合，所得到的拟合曲线见图9，而拟合公式为

表4 分区沉降数据统计表

r2=1.15h+0.76≈1.15h

( 8 )

因此，可将区间[r1，r2]=[i，2.5i]或[0.45h，1.15h]定义为次要影响区，将r2以外的区域定义为可能影响区。地表沉降影响分区见表5。

表5 江漫滩隧道盾构施工地表沉降影响分区

3 结论

通过对漫滩区地铁隧道地表沉降实测数据规律的研究，证明了peck经验公式可以用于江漫滩地表沉降的预测，提出了沉降槽宽度系数i和土体损失率η的建议值，并对地表沉降范围进行了影响分区。主要结论如下：

(1) Peck公式可以用来拟合江漫滩地铁区间隧道盾构施工引起的地表沉降曲线，拟合结果与peck曲线形态基本一致。

(2) 初步分析江漫滩地铁区间隧道盾构施工引起地表沉降时，Peck经验法中沉降槽宽度系数的比例系数kn，对于黏性土层可取0.5，对于砂性土层可取0.45。

(3) 江漫滩盾构隧道施工引起的地表沉降当需初步被估算时，泥水平衡盾构机施工的土体损失率η可取0.5%，土压平衡盾构机施工的土体损失率η可取2.9%。

(4) 如果地表沉降是因为江漫滩区间隧道盾构施工所造成的，则可将沉降范围分成为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个区，Ⅰ区主要影响区域的范围是[0，0.45h]，Ⅱ区次要影响区范围为[0.45h，1.15h]，Ⅲ区可能影响区范围为[1.15h，+∞]。