劉國彬，李 青，吳宏偉

（1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.香港科技大學 土木與環(huán)境工程系，香港）

1 引 言

隨著上海城市規(guī)模及社會經(jīng)濟的發(fā)展，修建地鐵已成為緩解城市交通擁堵的有效途徑。自1995年1 號線開通以來，截至2010 年6 月上海已開通運營11 條線路、267 座車站，運營里程達到410 km。預(yù)計到2020 年上海將建成877 km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。然而，上海地鐵1、2 號線實測數(shù)據(jù)顯示，隧道沉降呈持續(xù)發(fā)展的趨勢。較大的隧道沉降可能會引起隧道管片的破壞、滲漏及移位[1]，危及軌道交通系統(tǒng)的安全。隨著越來越多的地鐵建成并投入使用，地鐵隧道長期沉降的問題也將日益突出。

由于現(xiàn)場監(jiān)測通常時間跨度較大且成本昂貴同時影響隧道長期沉降的因素復(fù)雜，因此，關(guān)于隧道長期沉降的實測數(shù)據(jù)相對較少，對沉降機制的認識尚不明確。Grantz[1－2]報道了沉管式隧道使用過程中的長期沉降，并總結(jié)了引起沉管隧道沉降的可能因素，其中包括：下臥層地質(zhì)條件、泥砂淤積、隧道基礎(chǔ)施工方法、超載等。陳基煒等[3]以上海地鐵1號線隧道變形數(shù)據(jù)為背景，分析了1995～1999 年間隧道沉降規(guī)律，指出上海地區(qū)隧道沉降是受地鐵運營、地鐵沿線施工及地表沉陷等因素綜合作用的結(jié)果。黃宏偉等[4]對上海軟土盾構(gòu)隧道因長期沉降引起的縱向變形和結(jié)構(gòu)性狀進行了研究，指出不均勻的下臥土層分布及鄰近隧道的施工荷載是引起隧道縱向變形不均勻的主要因素。但目前對引起上海軟土地區(qū)地鐵隧道長期沉降的主要原因尚無定論。

本文以韋凱等[5]報道的上海2 號線（1 期）隧道沉降為例，結(jié)合地下水開采歷史，通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測對可能引起隧道長期沉降的因素，特別對地下水開采引起的軟土及砂土層次壓縮進行了研究。確定了引起上海軟土地區(qū)隧道長期沉降的主要原因，并提出了緩解隧道長期沉降的措施。

2 2 號線地質(zhì)條件

上海坐落于長江三角洲最東部，與江蘇、浙江兩省相鄰。地鐵2 號線（1 期）所處位置如圖1 所示。1 期工程于1995 年12 月開工建設(shè)，1999 年2月全線貫通，隧道西起中山公園，東至龍陽路，線路全長16.4 km，沿線分布了12 座車站。經(jīng)過多次延伸，目前2 號線（徐涇東－浦東國際機場）全長約60 km，投入運營車站31 座，是一條橫貫上海市連接黃浦江兩岸的東西線路。本文2 號線特指2 號線1 期工程。圖中同時標示出了地質(zhì)勘查剖面A-A的位置，沿該剖面分布了5 個深達基巖的鉆孔（BH1～BH5）。

圖1 地鐵2 號線（1 期）及沿A-A 剖面的鉆孔位置 Fig.1 Locations of Metro Line 2 ( phase I ) and bore holes along sections A-A

圖2 所示為沿A-A 剖面的地質(zhì)條件。上海地區(qū)廣泛分布著200～350 m 的第四紀松散沉積物。受地質(zhì)歷史時期冷熱氣候交替及海平面升降變化的影響，形成了6 個黏土層及5 個承壓含水層（砂層）交替出現(xiàn)的地質(zhì)條件。上述含水層、黏土層在局部缺失，如第5 承壓含水層主要分布在北部的谷溝凹陷區(qū)。從圖中可以看出，第1、2、3 承壓含水層在局部地區(qū)相互聯(lián)通，不同區(qū)域第4 含水層厚度差異明顯。圖中還顯示了2 號線的投影位置。地鐵2 號線隧道中心線至地表的平均深度約為13 m，隧道外徑為6.2 m，因此，隧道覆土厚度C 與隧道直徑D的比值約為1.6。

上海地下水位埋深約為地面以下1 m 左右。50 m 范圍內(nèi)為地下工程中常見土層。地表以下2 m為填土層，3～22 m 深度范圍內(nèi)普遍分布著淤泥質(zhì)黏土層[6]，地鐵2 號線就位于這一軟弱黏土層中。軟土層下為20 m 厚的粉質(zhì)黏土層，第1 承壓含水層為粉細砂，位于地表下40 m。盡管各承壓含水層厚度及埋深各有不同，第2、3、4、5 承壓含水層大約分布在地表以下60、110、170、260 m 處。

圖2 A-A 剖面工程地質(zhì)剖面圖 Fig.2 Shanghai geological profile along section A-A

3 隧道施工方法及監(jiān)測儀器布置

上海地鐵隧道均采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機身長為6.24 m，直徑為6.34 m，并配備了同步注漿系統(tǒng)以減少因土體擾動引起的地表沉陷。上海地鐵單條隧道因施工引起的地層損失率約為0.5%～2%[7]。2 號線隧道襯砌外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，每環(huán)由6 塊寬為1.0 m，厚為0.35 m 的鋼筋混凝土預(yù)制管片拼裝而成。

圖3 為本文所用測量儀器布置圖。測壓管記錄承壓含水層水位，用以計算其孔隙水壓力的變化。通過布置在地表的水準點來監(jiān)測2 號線隧道沿線的地表沉降值。各黏土及承壓含水層均安裝了一對分層沉降標，測量土體壓縮（或回彈）量。如圖4 所示，隧道沉降測量以地鐵附近基巖標為高程控制點，利用地鐵車站附近的水準點將地面高程精確傳至地鐵站臺水準點，隧道內(nèi)按照Ⅱ級水準測量規(guī)范進行全程觀測。隧道內(nèi)的水準點為不銹鋼材質(zhì)，每隔5 m左右將監(jiān)測點埋設(shè)于整體道床軌枕中間。2 號線隧道監(jiān)測開始于1999 年12 月，監(jiān)測頻率約為半年一次。本文所述為2 號線1999 年12 月至2007 年5月間的隧道沉降。

圖3 測量儀器布置圖 (單位: m) Fig.3 Layout of installed instruments (unit: m)

4 2 號線隧道長期沉降實測結(jié)果及 分析

圖5 為2 號線上行線隧道沉降曲線[5]（以中山公園站為參考點計算里程）。因為東、西行隧道中心線相距約為17 m，兩條隧道沉降具有相似的變化趨勢，所以文中用上行線實測隧道沉降為例進行分析。

2007 年5 月上行線隧道沉降最大值發(fā)生在 6.1 km 處（靠近人民廣場），其大小約為144 mm。值得注意的是，隧道沉降監(jiān)測始于1999 年12 月，距隧道全線貫通（1999 年2 月）已經(jīng)10 個月，因此，實際的隧道沉降可能大于圖中所示隧道沉降量。

圖5 2 號線上行線隧道沉降曲線[5] Fig.5 Measured tunnel settlements along upline of Metro Line 2

2 號線沿線的地質(zhì)條件差異明顯（見圖2），因此，隧道的不均勻沉降（或隆起）十分明顯。然而，在圖中箭頭所示位置隧道沉降量均小于25 mm，甚至小于2 號線人民廣場站附近隧道施工后90 d 內(nèi)的短期固結(jié)沉降量[8]。目前沒有足夠的地質(zhì)勘查資料證明箭頭所示地區(qū)的地質(zhì)條件與其他地方存在明顯差異，因此，這些區(qū)域隧道沉降較小的具體原因尚不明確，可能與隧道施工條件有關(guān)。從2 號線隧道沉降曲線還可以看出，隧道在監(jiān)測初期發(fā)生了隆起。2000 年3 月（距隧道全線貫通已14 個月）上行線隆起量最大值約為8.9 mm。從2000 年7 月開始，由于黏土的固結(jié)作用，初期隆起的隧道逐漸開始沉降。

隧道的差異沉降對于隧道的運營及安全至關(guān)重要。圖5 標出了2 號線沿線坡度最大的4 個位置，其坡度大小分別為0.11%、0.09%、0.08%、0.13%。隧道坡度（亦稱角變形）是指隧道兩點間差異沉降與其之間距離的比值。Grantz[2]在對美國貝敦（Baytown）沉管隧道的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，角變形約為0.16%處的隧道接縫發(fā)生了滲漏。但2 號線隧道坡度均小于0.16%，盡管2 號線隧道接縫處能夠承受的最大角變形尚不明確，但其隨時間不斷增大的趨勢應(yīng)該引起足夠的重視。

5 隧道施工及循環(huán)荷載的影響

軟土中隧道開挖不可避免會引起周圍土體的擾動而導(dǎo)致沉降，同時盾尾注漿材料的固結(jié)也會引起地表和隧道沉降。Lee 等[8]對2 號線人民廣場附近盾構(gòu)施工引起的地表沉降進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)施工過程中隧道上方的地表沉降大都發(fā)生在盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面后的60 d 內(nèi)，因為采用了同步壓力注漿，所以這一階段的沉降主要是由漿液及擾動土體的固結(jié)引起的。隨后由于擾動土體的次固結(jié)，地表沉降有少量的增加。在盾構(gòu)通過后的2 個月內(nèi)，漿液和擾動土體的主固結(jié)基本完成，軟土次固結(jié)對地表沉降的影響很小。盾構(gòu)通過后的3 個月后，地表沉降僅為25 mm。由此可以看出，僅憑盾構(gòu)施工引起的漿液及擾動土體的固結(jié)并不能解釋監(jiān)測開始后2 號線隧道沉降一直發(fā)展，人民廣場附近上行線的最大長期沉降（7.5 a）高達144 mm 這一現(xiàn)象。

地鐵運營過程中，隧道及其周圍軟黏土必然會受到列車運行所產(chǎn)生的循環(huán)荷載的作用。為了研究列車循環(huán)荷載對軟弱黏土壓縮特性的影響，劉明[9]對取自上海某基坑10 m 深的原狀黏土進行了不排水循環(huán)三軸試驗。在較低的循環(huán)荷載下，試樣軸向應(yīng)變在1 000 個循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，最終的軸向應(yīng)變小于0.05%。而2 號線列車產(chǎn)生的循環(huán)荷載小于試驗中采用的循環(huán)荷載[10]，因此，列車循環(huán)荷載的作用有限，也不可能是引起2 號線隧道沉降的主要因素。

6 地下水開采引起的軟土及承壓含水層次壓縮的影響

上海地下水開采歷史已有百年之久，主要為維持工業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展所用。但由于管理無序，地下水開采量逐年增大，使上海飽受地面沉陷的困擾。如前所述，2 號線隧道埋深僅為13 m，從承壓含水層抽取地下水勢必會引起相應(yīng)含水層（砂層）及黏土層的固結(jié)壓縮，進而引起2 號線隧道的沉降。為了研究抽取地下水是否為引起2 號線隧道長期沉降的主要因素，對陸家嘴站隧道沉降以及附近的F 點不同土層沉降進行了分析（陸家嘴站及F 點的相對位置如圖1 所示）。根據(jù)距F 點最接近的BH3的鉆孔資料，F(xiàn) 點的地質(zhì)剖面如圖3 所示，下文中隧道長期沉降的分析均以該地質(zhì)條件為準。F 點安裝了測壓管及分層沉降標以監(jiān)測承壓水位變化及各土層壓縮量。

6.1 F 點實測承壓水頭及土層壓縮

1965 年以前，上海地區(qū)地下水開采主要集中在第2、3 承壓含水層，為了減小地表沉降，1965 年開始主要開采層轉(zhuǎn)為深層的第4、5 承壓含水層[11]。

圖6(a)為1985－2007 年F點各承壓含水層實測水頭埋深的變化曲線。1985－1990 年間第1～3 承壓含水層水頭大小相近（約地表下1 m）且保持不變，由此可知，地表以下160 m 范圍內(nèi)實測水壓力接近靜止水壓力。1990 年之后，由于開采量的不斷增大，含水層水頭逐漸下降，到2007 年水頭下降至地表下約5 m 處。而第4 含水層1985 年的水頭位于地表下13 m 處，因為第4 含水層是當時最主要地下水開采層。隨后第4 承壓含水層水頭急劇降低，1997 年水頭下降至地表下32 m。由于對開采量進行了控制，1997 年以后水頭逐漸升高，特別是2004－2007 年間水頭上升了4 m。

圖6 F 點實測承壓水頭及土層壓縮 Fig.6 Measured pressure head of each aquifer and compressions of soil layers at location F

圖6(b)為F 點各土層壓縮量隨時間的變化曲線，括號中數(shù)字顯示了各土層的厚度。如圖所示，第1～3 承壓含水層壓縮量隨時間線性增大，與圖6(a)中水頭變化基本一致。第4 含水層的壓縮量遠大于其他土層，與這一層較大的水頭變化密切相關(guān)。 雖然第4 含水層水頭在1985－1993 年間下降了 9 m，但砂層壓縮量只有15 mm 且隨時間線性增大，與前三個承壓含水層的變化規(guī)律相同。而1993－2007 年 間雖然水頭僅下降4 m，但砂層的壓縮卻達到了 203 mm。尤其是1997 年后第4 含水層水頭下降趨勢已得到控制，并略有回升，但砂層仍呈持續(xù)壓縮的狀態(tài)。第4 含水層壓縮量的突然增大可能由這一砂層的塑性變形產(chǎn)生。

6.2 軟弱黏土層的次壓縮

如前所述，2 號線隧道恰好位于軟弱黏土層內(nèi)。為了研究上海軟弱黏土層的次壓縮特性及其對隧道長期沉降的影響，對取自上海某基坑8.5～15.5 m深度范圍內(nèi)的原狀土樣進行一維固結(jié)及長期壓縮試驗。固結(jié)試驗試樣直徑為69 mm，高為19 mm。共進行了6 組試驗，包括2 組常規(guī)固結(jié)試驗及4 組長達70 d 的長期壓縮試驗。同時為了比較，還進行了1 組重塑土樣的常規(guī)壓縮試驗[12]。

次壓縮系數(shù)被廣泛用于評價土體的次壓縮特性。次壓縮系數(shù)αε 可以定義為

式中：Cα.為主固結(jié)完成后e-lgt 曲線的斜率，即 Cα=Δ e / Δ lg t；e 為孔隙比；ε 為豎向應(yīng)變；t 為時間[13]。圖7 為基于一維常規(guī)壓縮及長期壓縮試驗的上海軟黏土次壓縮系數(shù)與天然含水率的關(guān)系曲線。與其他13 種天然土體相比，上海黏土的次壓縮系數(shù)相對較小。Mesri[13]將土體次壓縮系數(shù)大小劃分為極低至極高6 個等級。從圖中可以看出，上海軟弱黏土的次壓縮系數(shù)主要分布在0.2%～0.8%，按照Mesri 提出的土體次壓縮分類標準，上海軟黏土可以劃分為低至中等壓縮性土。Liu 等[14]在對上海某深基坑的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)基坑附近的地表沉降在開挖后的60 d內(nèi)主要是由超孔隙水壓力消散而非軟土次固結(jié)（蠕變）引起的。這與一維固結(jié)試驗的結(jié)果基本相符。同時Lee 等[8]對2 號線人民廣場附近隧道的監(jiān)測也證明上海軟黏土次壓縮對地表及隧道沉降的影響不大。根據(jù)以上室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，有理由相信上海軟黏土的次壓縮并非引起隧道長期沉降的主要原因。

6.3 地下水開采引起的承壓含水層的次壓縮

眾所周知，引起上海地面沉降的主要原因是地下水開采[11,15]?？紤]到第4 含水層壓縮遠大于其他土層壓縮，因此，有理由相信第4 含水層的持續(xù)壓縮是引起隧道長期沉降的主要原因。

圖7 上海黏土與其他天然黏土的次壓縮系數(shù)對比曲線[12] Fig.7 Comparison of coefficient of secondary compression between Shanghai Clay and other natural soil deposits

圖8 為各承壓含水層壓縮量與豎向有效應(yīng)力關(guān)系曲線，各砂層平均豎向有效應(yīng)力由承壓含水層水頭變化（見圖6(a)）估算得出。如圖所示，第1～3承壓含水層壓縮量大致隨著豎向有效應(yīng)力增大而線性增加，說明前3 個砂層為彈性壓縮。據(jù)Shi 等[11]報道，1965 年第2、3 承壓含水層水頭下降到歷史最低位（地表下30 m），隨后逐漸回升至地表下5 m左右。從圖6(a)可以看出，1985～2007 年間第2、3含水層水頭均未超過歷史最低水頭，因此，這兩個砂層應(yīng)力始終位于彈性區(qū)域內(nèi)。隨著水頭的下降，有效應(yīng)力不斷增大，含水層砂層發(fā)生彈性壓縮。

圖8 實測承壓含水層壓縮量-豎向有效應(yīng)力關(guān)系曲線 Fig.8 Relationships of measured compression and estimated vertical effective stress of each aquifer from 1985 to 2007

第4含水層在1985－1993年間也表現(xiàn)出彈性壓縮（見圖8 小圖），但1993 年后砂層的壓縮突然增大。第4 含水層歷史最低水頭為地下21 m[11]，隨著開采量的增加，1993 年水位下降至地下22 m，低于歷史最低水位。因此，該承壓含水層的豎向有效應(yīng)力超過了砂層的屈服應(yīng)力，砂層開始塑性變形。據(jù)此，可以估算出第4 承壓含水層的平均屈服應(yīng)力約為2 174 kPa。1993－1997 年隨著水頭的下降，有效應(yīng)力不斷增大，砂層發(fā)生塑性壓縮。1997－2004年由于限制了開采量，第4 承壓水層水位有所上升（見圖6(a)），導(dǎo)致該砂層有效應(yīng)力基本不變，甚至在2004 年之后有所減小。在此期間第4 含水層不但沒有出現(xiàn)回彈、反而產(chǎn)生了持續(xù)壓縮，這說明第4含水層不但有塑性變形還有與時間有關(guān)的次壓縮（蠕變）變形。

如果F 點第4 含水層確實發(fā)生了次壓縮變形，那么這一特性是否是上海地區(qū)第4 含水層的普遍性質(zhì)？圖9 為上海地區(qū)不同地點第4 含水層的壓縮曲線。如圖所示，3 個不同地方的壓縮曲線非常相似，屈服應(yīng)力大致分布在2 174～2 205 kPa 范圍內(nèi)。顯然，與過去認為承壓含水砂層的彈性變形不同，這些地點砂層的變形不僅包含了塑性壓縮而且還有次壓縮變形。張云等[16]在上海其他地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。因此，上海某些地區(qū)第4 含水砂層具有明顯的次壓縮特性，所以較大的隧道長期沉降可能主要由第4 含水層的次壓縮變形引起。

圖9 上海地區(qū)不同地點的第4 含水層壓縮曲線 Fig.9 Comparison of compressions of aquifer IV at various locations in Shanghai

7 隧道長期沉降的預(yù)測

較大的隧道沉降不僅會危及地鐵系統(tǒng)的安全運營，而且還會影響隧道上方的建筑物的使用。若能預(yù)測隧道長期沉降的發(fā)展趨勢，將能幫助巖土工程師采取有效措施以減緩沉降的不斷發(fā)展。Fujita[17]指出，盾構(gòu)通過后任意時刻t 隧道上方地表長期沉降td 可用如下雙曲線公式表示：

式中：a 為t 和 t / δt線性擬合曲線在縱坐標上的截距；b 為該擬合曲線的斜率。

Tan 等[18]指出，雙曲線公式對于預(yù)測黏土、砂層夾雜的復(fù)雜土層的地表沉降同樣適用。如前所述，2 號線隧道沉降主要是由地下水開采引起的黏土及承壓砂層引起的，且隧道埋深較淺，因此，隧道沉降應(yīng)與地表沉降具有相似的規(guī)律。式（2）可以改寫為 t / δt= a + bt ，本文用該式預(yù)測2 號線隧道長期沉降。a、b 分別是初始沉降速率和隧道最終沉降的倒數(shù)，因此，根據(jù)該雙曲線公式，隧道的最終沉降為：δu= 1/b 。

圖10 為2 號線近人民廣場站（6.1 km）及陸家嘴站（8.7 km）隧道的長期沉降。因為目前關(guān)于隧道沉降的實測數(shù)據(jù)較少，圖中用臺北地鐵盾構(gòu)施工后地表長期沉降作為比較。如圖所示，上海2 號線兩處截面隧道沉降明顯大于臺北地鐵，且呈不斷增大的趨勢。2 號線擬合參數(shù)a、b 也與臺北地鐵隧道存在較大差異，可能與其地質(zhì)條件不同有關(guān)。根據(jù)雙曲線公式，人民廣場和陸家嘴處隧道的最終沉降分別為333、250 mm。而在2007 年5 月（距監(jiān)測開始7.5 a）時兩處的沉降僅為144、113 mm，分別占最終沉降的43%和45%。而第4 含水層的壓縮量就占到實測隧道沉降的75%左右。由此可以看出，若維持目前地下水開采量，2 號線隧道沉降量將會持續(xù)增大，可能會嚴重危及地鐵的安全運營。因此，目前減緩2 號線隧道的沉降當務(wù)之急是要合理控制地下水開采，特別是第4 承壓含水層的開采。

圖10 2 號線隧道長期沉降預(yù)測 Fig.10 Prediction of long-term tunnel settlement of Line 2

2 號線隧道沉降速率在2004 年后有減小的趨勢。如近人民廣場站，1999 年12 月后的4.5 a 內(nèi)隧道沉降了83 mm（18.4 mm/a）；2004－2007 年間，隧道沉降從83 mm 增大到113 mm（10 mm/a）。隧道沉降速率的減小與上海對地下水開采采取了嚴格的限制措施有關(guān)，說明目前采用的地下水回灌措施能一定程度上減緩隧道的長期沉降。

8 結(jié) 論

（1）上海地區(qū)第4 含水層變形不僅包含塑性變形，同時還具有與時間有關(guān)的次壓縮（蠕變）變形。相較于軟弱黏土層，抽取地下水引起的第4 承壓含水砂層的次壓縮尤為明顯。

（2）地下水開采引起的黏土層和承壓含水層壓縮是引起上海地鐵盾構(gòu)隧道長期沉降的主要因素。特別是第4 含水層的壓縮約占隧道沉降的75%左右。

（3）合理控制地下水開采，特別是第4 含水層的開采對緩解隧道長期沉降至關(guān)重要。目前上海地區(qū)采用的地下水回灌措施能夠一定程度上減緩隧道的長期沉降。

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