粉细砂地层盾构施工地层变形规律分析

周灿朗(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州　510010)



粉细砂地层盾构施工地层变形规律分析

周灿朗
(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510010)

摘要:苏州市轨道交通1号线一区间穿越富水粉细砂地层，盾构施工面临涌水、涌砂、开挖面失稳的风险。本文结合现场监测数据，对地层变形进行分析，得到以下规律:地表变形可用经典的Peck公式描述，拟合得到的地层损失率为0.37%～0.66%，沉降槽宽度系数为0.30～0.38;隧道拱顶上方地层埋深与沉降值变化总体呈线性关系，埋深每减小1 m，平均沉降减小0.89 mm;地层变形在向上传播过程中有扩散效应，最大沉降值减小而影响范围增大;不同埋深、不同地层环境下，地层变形仍符合Peck公式;随着埋深的增加，地层损失率没有明显变化，而沉降槽宽度系数呈逐渐增大的趋势;埋深与地表沉降槽宽度系数近似呈线性关系。

关键词:隧道工程盾构施工地层变形Peck公式

1　概述

盾构法施工在城市轨道交通和市政工程中应用日益广泛［1-2］。苏州市轨道交通1号线玉山公园站—苏州乐园站区间为富水粉细砂地层，采用土压平衡式盾构施工。该工程存在的风险有:富水粉细砂层含水量高，透水性强，盾构施工时容易产生流砂或板结;砂土液化而导致的涌水、涌砂可能导致盾构开挖面失稳。北京、上海、广州、深圳等地盾构隧道施工已积累了成熟的经验和技术，但对于富水粉细砂地层中施工经验仍较少，以致频繁出现险情和事故［3］。

盾构隧道施工会打破地层原有的应力平衡，引起周围土体变形。若变形过大则会对新建隧道和周边建(构)筑物的安全产生影响［4-7］。目前国内外学者对粉细砂地层中盾构施工技术［8］、地表变形［6］、施工风险及事故分析［9］进行了一定的研究，但存在地层变形规律不清晰、数值模拟方法众多而实际工程数据不足的问题，地层变形规律分析尚处于起步阶段［8］。

本文以苏州市轨道交通1号线一粉细地层盾构施工工程为背景，基于Peck公式对地表及地层分层沉降监测数据进行分析。

对盾构施工引起的地层变形的研究方法主要有经验法(Peck公式)［10］、随机介质理论［11］、有限单元法［12］、模型试验法［13］和解析法［14］。其中，Peck公式

式中:s(x)为距离隧道中心轴线x处的地表沉降;A为开挖面积;Vl为地层损失率(Volume Loss)，i为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离，即地表沉降槽宽度。

i可表示为

式中:K为地表沉降槽宽度系数(Trough Width Parameter);z0为新建隧道轴线深度。

从式(1)、式(2)可以看出，描述隧道施工引起的地表变形除了隧道开挖面积、隧道轴心埋深以外，还有2个经验参数:地层损失率Vl和沉降槽宽度系数K。Peck公式分析及预测地层变形的准确与否取决V1和K的取值是否合理，而上述2个参数具有明显的地域性。其中，Vl为单位长度的地表沉降槽的体积占隧道开挖的名义面积的百分比，其大小主要与工程地质、水文地质、隧道施工方法、施工技术水平、工程管理经验等因素有关。K主要取决于土性，根据伦敦地区经验，K在无黏性土条件下为0.2～0.3，对硬黏土约为0.4 ～0.5，对软的粉质黏土高达0.7，对北京砂土、黏性土互层为0.3～0.6，对深圳黏性土、砂土、风化岩为0.6 ～0.8，对上海饱和软黏土、粉砂为0.5。含义明确、计算简单、实用性强，在隧道工程设计与研究中被广泛应用。

盾构隧道施工引起的横向地表沉降用Peck公式［15］描述为

2　工程概况

苏州市轨道交通1号线玉山公园站—苏州乐园站区间盾构隧道直径6.2 m。该区间隧道上方覆土厚度为10.7～11.3 m，自上而下分别为:①填土层(厚0.5 ～2.0 m)，③1黏土层(厚2.5～3.5 m)，③2粉质黏土层(厚1.3～3.8 m)，④1粉土层(厚3.0～6.2 m)，④2粉砂层(厚4.2～10.9 m)。隧道全断面位于④2粉砂层。

为观测左线盾构隧道施工引起的地层变形，布置4个地表沉降观测断面及1个分层沉降观测断面，测点平面布置见图1，分层沉降测点布置见图2。

图1　测点平面布置(单位:m)

图2　分层沉降测点布置

3　地表沉降分析

4个观测断面实测地表沉降及其Peck公式拟合曲线如图3所示，拟合参数见表1。

从图3及表1可以看出:

1)粉细砂地层中，用Peck公式拟合盾构隧道施工引起的地表变形效果较好，确定调节系数为0.969～0.996，平均达到0.983。由此说明经典的Peck公式不仅适用于黏性土层，也适用于粉细砂地层。

图3　不同断面地表沉降及Peck公式拟合曲线

表1　不同断面地表沉降拟合参数

2)地层损失率为0.37%～0.66%，平均为0.53%。Vl值与韩煊等［16］的研究成果(0.22%～6.90%)相比偏小，说明尽管在粉细砂地层中土压平衡盾构施工存在较大风险，但采用合理的变形控制对策(及时有效地填充盾构开挖间隙、采用适宜的掘进参数、精细化动态控制)可以有效减小对地层的扰动，从而控制地层变形。

3)苏州市粉细砂地层中，K值为0.30～0.38，平均为0.34，接近无黏性土地层中的值。

4　分层沉降分析

隧道中心线正上方(CK3 + 597)不同埋深处地层沉降见图4。

图4　隧道中心线正上方不同埋深处地层沉降

由图4可知:

1)隧道中心线正上方不同埋深处地层沉降值并不相同，埋深8.6 m时，地层最大沉降为26.4 mm;埋深0.76 m时，地层最大沉降减小为19.4 mm。随着埋深的减小，地层最大沉降呈逐渐减小的趋势，减小速率为0.89 mm/m。

2)埋深与沉降值总体呈线性关系，但在不同地层分界处斜率有所不同。

提取各孔不同埋深处地层沉降值，根据上述研究成果，假定同一个孔中各测点沉降值与埋深呈线性关系，采用差分法得出各分层沉降孔中不同埋深处的沉降值，见图5。在此基础上采用Peck公式对不同埋深处的地层变形进行拟合，结果见表2。

图5　不同埋深处地层沉降

表2　不同埋深处地层沉降拟合参数

从图5和表2可知:

1)埋深1.2 m时，最大沉降19.7 mm，影响范围约为23 m;埋深8.6 m时，最大沉降26.4 mm，影响范围约为13.2 m。由此说明，粉细砂地层盾构隧道施工引起的地层变形在向上传播过程中，有扩散效应，最大沉降值逐渐减小而影响范围逐渐增大。

2)不同埋深处用Peck公式拟合地层变形效果较好，确定调节系数为0.909～0.938，平均为0.922。由此说明在不同埋深、不同地层的情况下，地层变形仍符合Peck公式，但不同埋深处Peck公式中的经验参数不同。

3)拟合得到地层损失率为0.62%～0.68%，平均为0.66%。随着埋深的增加，Vl值没有明显的变化。与相邻截面(里程CK3 + 964.7断面)相比，不同埋深处地层损失率基本相同。由此说明地层变形在向上传播过程中，地层损失没有明显增大和减小。地层损失率与施工方法有关，与地层埋深没有明显的联系。

4)拟合得到K为0.47～1.10。随着埋深的增加，K呈逐渐增大趋势。将表1中相邻断面(里程CK3 + 964.7断面)地表处K值与表2中不同埋深处K值综合进行分析，K值与埋深的关系曲线见图6。

图6中K值与埋深基本呈线性关系，可表示为

式中:h为埋深;a，b为经验参数，分别为0.31，0.08。

5　结论

1)粉细砂地层土压平衡式盾构施工引起的地表变形可用经典的Peck公式描述。拟合得到地层损失率为0.37%～0.66%，地表沉降槽宽度系数为0.30～0.38。

2)隧道中心线正上方不同埋深处地层沉降值并不相同。埋深与沉降值总体呈线性关系，随着埋深的减小，地层沉降逐渐减小，减小速率为0.89 mm/m。地层变形在向上传播过程中，有扩散效应，最大沉降值逐渐减小，而影响范围逐渐增大。

3)不同埋深、不同地层下地层变形仍符合Peck公式。随着埋深的增加，地层损失率没有明显变化，而沉降槽宽度系数呈逐渐增大的趋势，地表沉降槽宽度系数与埋深近似呈线性关系。

参考文献

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(责任审编李付军)

Analysis of Stratum Deformation Law of Silty Fine Sand during Shield Tunnel Driving

ZHOU Canlang

(Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510010，China)

Abstract:In bypassing water-rich silty fine sand stratum，a section of the No.1 M etro Line in Suzhou faced the challenges of water inflow，sand gushing and instability in evacuation face.Drawing on the data collected on site，the paper analyzed stratum deformation and concluded the following.T he Peck equation can be applied in depicting the ground deformation，with the ground loss ratio 0.37%～0.66% and trough with parameter 0.30～0.38.T he relation between embedment depth and the settlement of the arch crown was found to be a linear one，with every 1 m drop in embedment depth bringing about 0.89 mm decrease in average settlement.Stratum deformation has dispersim effect in the upword propagation process，during which the decline of maximum settlement promised more extensive effect.Different embedment depth and ground environment，the stratum deformation was still in accordance with Peck equation.W ith increase of embedment depth，ground loss ratio had not obvions change，but trough width parameter had the trend of increase.T he relation between the two was roughly a linear one.

Key words:T unnel engineering;Shield constriction;Stratum deformation;Peck equation

作者简介:周灿朗(1977—)，男，高级工程师。

收稿日期:2015-09-16;修回日期:2015-10-23

文章编号:1003-1995(2016)03-0079-04

中图分类号:U455.43

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.19