宁波软土地质盾构推进过程地表三维变形规律分析研究

文 / 何 山

宁波市轨道交通第一轮建设工程1、2号线区间隧道洞身主要位于8.0～17.0m厚的海相淤泥质软土和粉质粘土地层中，穿越众多的城市主干道，临近地表分布着重要且密集的建筑群，地下施工环境条件极为复杂。设计、施工方面均缺少盾构法隧道施工对周边环境的影响规律研究和道路与地表建筑物沉降控制及其防治技术的经验可循，许多技术问题尚需进一步探究和解决。因此，通过对宁波轨道交通1、2号线盾构隧道监测数据统计分析，探究宁波软土地质盾构推进过程中地表三维变形规律，对指导工程设计、施工及控制安全风险具有十分重要的意义。

盾构区间地表变形规律

地面沉降的分布模块是三维的。随着盾构推进，所设的测点处的沉降量逐渐增加，沉降区域的宽度也日趋发展。目前对地层位移预测方法主要有经验公式、数值模拟、解析法、模型试验研究、专家系统和灰色理论等。工程实践中常用的隧道上方横断面地表沉降变形预测公式是Peck公式，而沿隧道掘进方向的地表沉降受影响的因素较多，目前尚需大量工程实测数据统计分析。

图1 盾构掘进地表沉降三维分布。

盾构区间地表监测点布点原则

宁波轨道交通隧道工程的周边地表沉降监测断面及监测点布设原则为：

1.监测点沿盾构隧道轴线上方地表布设，监测等级为一级时，监测点间距为5m～10m；监测等级为二级、三级时，监测点间距为10m～30m，始发和接收段适当增加监测点；

2.根据周边环境和地质条件布设垂直于隧道轴线的横向监测断面，监测等级为一级时，监测断面间距为50m～100m；监测等级为二级、三级时，间距为100m～150m；

3.对于二、三级监测，横向断面布置范围不小于隧道边线以外2H，且不小于20m；在深厚淤泥质土层下，布置平面范围不小于3H。垂直于隧道方向的间距宜按照“3m，5m，5m，10m，……”先密后疏布置，数量应根据现场环境确定，且单侧不少于4个点。地表竖向位移监测点的平面布置示意图如图2所示：

图2 地表竖向位移监测点的平面布置示意图。

4.在始发和接收段、联络通道等部位及地质条件不良易产生开挖面坍塌和地表过大变形的部位，应有横向监测断面控制；且除布置一般测点外，还应布置地面深层监测点，布设位置可按图3所示：

区间横向地表沉降变形规律

Peck在总结隧道地表沉降的实测数据，提出的一套方法，他认为假定施工引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度方向上是均匀分布的，地表沉降的横向分布类似于正态分布曲线。如图4所示。

图3 地面深层监测点布置图。

图4 沉降槽横向分布示意图。

Peck横向分布公式为：

Peck公式的提出使沉降预测在数学上大大简化，经过多年的工程实践验证积累了丰富的应用经验，被证明是一个有效的预估沉降的方法，目前已成为经典公式，很多其他的方法都是基于此提出的修正方法。很多学者对peck公式的沉降槽宽度i和底层损失V这两个重要参数进行了研究。

通过对宁波1、2号线泽～大区间、西～鼓区间、大～西区间、泽～望等盾构区间横断面地表沉降所引发的横断面影响范围进行汇总分析，形成统计成果如下：

表1 变形比统计数字特征

图5 盾构施工引发横断面影响范围统计分布图（m）。

基于图5、表1分析，本区段盾构施工引发横断面影响范围（按2.5i进行分析）均值为12.12m(距中心轴线距离)，主要分布区间为5m～28m，说明本软土地质段盾构区间掘进影响范围约为5m～28m，考虑到该四个区间盾构施工埋深取值范围10m～15m，则无量纲的影响范围取值为0.5H～2.8H（H为盾构埋深）。也即，本区段盾构施工引发地表横断面影响范围最大值约为2.8H（28m）左右，说明软土地质段，盾构施工所引发地层变形影响范围较大，施工中应考虑该区段内对周边环境的影响。

地表横断面的沉降槽类似于U型槽曲线，最大沉降量发生在隧道中心位置。根据Peck公式提出的横向沉降槽形态近似于正态分布曲线的统计结果，而Peck公式有i（沉降槽半宽度）和Vs（地层损失）2个参数。一般认为沉降槽半宽度i与开挖直径2R、地表至隧道中心线的高度Z、施工条件、土层性质等有直接关系，其中K值取值范围根据韩煊的大量实测资料如表2所示。

表2 我国部分地区K值范围

柳州 4 硬塑状黏土 0.30～0.50北京 13 砂土,黏性土互层 0.30～0.60西北黄土地区 1 均匀致密黄土 0.41台湾 1 砂砾石 0.48香港 1 冲积层,崩积层 0.34

因此，根据宁波地区地层损失半径的统计，如图6所示，盾构施工主要影响区（地层损失半径/i=kz），发现k值取值一般分布在0.46～0.63之间，得出盾构施工主要影响区范围大约在0.46～0.63倍隧道中心埋深（z），最大影响范围可达2-3倍隧道中心埋深（z）。这与宁波目前执行的2-3H监测布点要求相一致。

根据宁波轨道交通2号线二期部分盾构区间典型横断面地表沉降实测数据统计，如图7所示，盾构施工引发地表横断面影响范围最大值约1.8H～2.6H（17～25m），进一步验证了此规律。

图6 地表横断面沉降槽曲线图。

图7 某区间地表横断面地表沉降分布线。

区间纵向地表沉降变形规律

1.区间纵断面地表沉降最大值变化规律

将本次统计的各区间（泽～大区间、西～鼓区间、大～西区间、泽～望区间）横断面地表沉降所引发的纵断面沉降最大值[4]进行汇总分析，形成统计成果如下：

图8 盾构施工引发纵断面沉降最大值统计分布图（mm）。

表3 纵断面沉降最大值统计数字特征

基于上图8、表3分析，本区段盾构施工引发纵断面沉降最大值均值为-16.61mm，主要分布区间为-5mm～-65mm，说明本软土地质段盾构施工引发地层沉降最大值已远超30mm的保护控制值，说明总体沉降量较大，变形不容易控制，特别有小部分区段引发超过80mm的沉降值，不满足风险控制要求，经现场巡查路面已出现裂缝，在今后工程建设中仍应注意控制施工参数，确保环境安全。

2.盾构推进方向地表变形规律

根据国内土压平衡盾构掘进地表变形理论研究，提出隧道掘进方向地表沉降变化的五个阶段，如表4所示。

根据宁波地铁1、2号线大量盾构区间地表沉降实测数据，如图9、图10所示，盾构隧道掘进方向地表沉降变形一般表现为较小的初始沉降、盾构通过时的瞬时沉降和通过后一段时间内较明显的持续沉降，基本符合以上规律。

图9 某盾构典型掘进段沉降分布线。

图10 某盾构轴线地表点沉降变化过程线。

根据目前上海、杭州等地区的施工经验，正常情况下盾构法施工引起的纵向地表沉降曲线一般可分为5个阶段，即起峰起始、起峰、落峰、沉降、收敛。为进一步总结宁波特殊软土地质条件下盾构隧道地表沉降变形规律，继续对1、2号线部分区间隧道上方轴线点监测数据，并剔除一部分异常数据，发现盾构隧道纵向沉降亦基本符合上海、杭州等地的盾构施工纵向变形规律，形成纵向断面速率隆沉及收敛图和纵向断面累计隆沉及收敛图，如图11、图12：

表4 盾构施工引起地表纵向变形规律分析表

图11 纵向断面速率隆沉及收敛图。

图12 纵向断面累计变形曲线图。

盾构掘进过程中，盾构机切口前方20环至切口后方10环（盾尾位置）为隆起区域，切口后方10环至切口后方50环为沉降区域。从这个角度来说，地表沉降测点覆盖到盾尾40环较为合适，这与宁波提出盾构监测前20环后50环的要求基本符合。统计过程我们发现部分工点在监测数据未收敛的情况下停止监测，而不是根据实际情况调整监测范围，这是下阶段盾构监测监控实施过程中应当引起关注的。

工后沉降规律

盾构贯通后开始下一步铺轨等相关工序，直至交付运营监测，一般要超过一年以上的时间，期间盾构地表或轨道结构可能会持续沉降，需要加以监测，此段时间的监测工作我们习惯称之为工后监测。一方面，隧道上方地表受土体固结、地面荷载等影响，往往会持续数月较明显沉降时期，据宁波1、2号线统计数据，如图13所示，一般盾构通过某断面3个月后，地表沉降平均变形速率不超过0.4mm/d，4～6个月后，平均变形速率一般不超过0.25mm/d。因此，宁波轨道交通监测监控管理办法对施工期变形监测停测标准制定为：将隧道施工对环境影响监测延续至隧道主体结构贯通后不少于三个月，当影响范围内重要建（构）筑物最后100天平均沉降速率小于0.025mm/d时，认为建（构）筑物基本稳定，可停止监测。

图13 某区间隧道贯通后盾构轴线上方地表沉降累计值分布线。

另一方面，对宁波2号线数个盾构区间轨通后24个月的隧道结构沉降及收敛监测数据统计分析，得出以下结论：2号线区间隧道结构的大部分监测点累计沉降量在-10mm以内，各隧道区间的平均沉降量-1.7mm--6.4mm，相邻测点的差异沉降基本都在1mm以内。表明隧道结构变形沉降总体可控，施工期的精细化管控施工取得较好效果。

结束语

宁波轨道交通强化了施工安全质量管控手段，对盾构机掘进参数实时随机自动化采集盾构机械参数并结合地表监测和施工空间几何（平偏和高偏）控制和注浆双控（浆液量和注浆压力）等进行系统的动态分析和动态调整，甚至采用类矩形盾构将左右线合一推进以期减少地面影响范围。通过对1、2号线盾构隧道监测数据统计分析，得出以下主要结论：

1.盾构施工主要影响区（地层损失半径/i=kz），k值一般分布在0.46～0.63之间，得出盾构施工主要影响区范围大约在0.46～0.63倍隧道中心埋深（z），最大影响范围可达2-3倍隧道中心埋深（z）。

2.软土地质段盾构施工引发地层沉降最大值已远超30mm的保护控制值，说明总体沉降量较大，变形不容易控制。

3.盾构掘进过程中，盾构机切口前方20环至切口后方10环（盾尾位置）为隆起区域，切口后方10环至切口后方50环为沉降区域，符合软土地区盾构隧道轴线上方地表一般变形规律。

4.盾构隧道贯通后，隧道上方地表一定时期内仍在持续沉降变形，根据宁波1、2号线统计数据，一般隧道贯通后3个月后地表沉降完全收敛稳定。轨通后至试运营期间，隧道结构沉降总体可控，满足变形控制要求。

盾构区间施工监测数据庞大，虽经各区间分别总结，但仍难以一窥全。故此，只有对各区间监测规律进行全线再整合和再分析，才能从局部到整体地形成更为概括的结论。本文总结的经验对后续类似问题深入研究及工程实践有积极意义。我们将继续对宁波轨道交通盾构区间施工各阶段的空间、轴线和横断面进行进一步的“三维”综合分析研究，并利用过程管理资料对盾构区间施工过程的技术和安全管理进行科学的分项评分和综合评分，从而得到盾构区间总体评估结论。在此基础上，形成对环境安全风险的概括性总体评价，以期使宁波轨道交通工程建设未来的安全管控工作更科学合理，并为其他地区的软土地质盾构安全管控提供参考。