張書豐，高永，孫澤信

南京河西地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道不均勻沉降分析

張書豐1，高永2，孫澤信3

(1.南京地鐵集團有限公司，南京210008;2.南京地鐵資源開發(fā)有限責(zé)任公司，南京210012; 3.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京210014)

依托實測資料，發(fā)現(xiàn)南京河西地區(qū)某盾構(gòu)隧道已經(jīng)形成多個不均勻沉降槽、地面沉降主要發(fā)生在軟土層、②－4土體地下水位具有呈現(xiàn)正弦函數(shù)規(guī)律的季節(jié)性波動，通過構(gòu)建的盾構(gòu)隧道沉降計算公式及典型案例，解釋了盾構(gòu)隧道不均勻沉降是由不均勻分布的下臥軟土與外部影響因素共同作用所造成，明確了地下水位的下降對盾構(gòu)隧道沉降影響最為顯著，外部基坑施工影響次之，地表堆載影響較少。

城市軌道交通;隧道沉降;下臥層軟土;地下水位;外部施工

盾構(gòu)隧道因技術(shù)成熟、施工對周邊環(huán)境影響小、造價較低等原因，在南京地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但由于河西地區(qū)鄰近長江、地下水豐富、土層軟弱，盾構(gòu)隧道運營后縱向發(fā)生了較大的不均勻沉降;過大的不均勻沉降已經(jīng)造成隧道出現(xiàn)了管片裂縫、崩角掉塊及滲漏等病害，情況進一步惡化將會危及軌道交通的運營安全。

目前國內(nèi)有關(guān)學(xué)者對軟土地層盾構(gòu)隧道沉降進行了有關(guān)研究。孟剛［1］提出盾構(gòu)施工對地層的擾動、隧道鄰近建筑活動的影響、長期列車振動的作用以及持續(xù)不斷的大地沉降，隧道很容易發(fā)生滲漏和不均勻沉降;姜洲等［2］、寧茂權(quán)［3］研究了列車荷載對盾構(gòu)隧道沉降的影響;張宇旭等［4］研究了地表堆載對盾構(gòu)隧道沉降的影響;劉國彬等［5］通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測對地下水開采引起的盾構(gòu)隧道長期沉降進行了研究;狄宏規(guī)等［6］對南京地鐵1號線西延線地鐵結(jié)構(gòu)不均勻沉降產(chǎn)生的原因進行了研究。本文以實測資料為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建盾構(gòu)隧道沉降計算公式，對影響盾構(gòu)隧道沉降的因素進行了定量研究，得出結(jié)論:地下水位的下降對盾構(gòu)隧道沉降影響最為顯著，外部基坑施工影響次之，地表堆載影響較少。

1 河西地區(qū)盾構(gòu)隧道

1.1 盾構(gòu)隧道設(shè)計參數(shù)

隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，壁厚0.35 m，環(huán)寬為1.2 m，管片的環(huán)與環(huán)、塊與塊間均以機械性能等級為5.6級的M30彎螺栓連接錯縫拼裝，管片混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為1.0 MPa。

1.2 沿線地質(zhì)概況

河西地區(qū)某盾構(gòu)隧道地層自上而下大致可分為①－1及①－2b填土層、②－1b2－3漫灘硬殼層、②－2b4漫灘淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②－3b3－4漫灘淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②－3c2－3漫灘沖積粉質(zhì)黏土、②－3d2－3漫灘沖積粉細砂、②－4d2－1漫灘沖積粉細砂，局部存在斷層。盾構(gòu)隧道主要坐落于②－3及②－4土層中，詳見圖1。

圖1 運營盾構(gòu)隧道地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of operating shield tunnel

2 河西地區(qū)監(jiān)測成果

2.1 盾構(gòu)隧道長期沉降監(jiān)測

盾構(gòu)區(qū)間通車運營以來，每3個月觀測1次，截至2015年12月，隧道已經(jīng)實施長期沉降監(jiān)測20期，考慮隧道上下行線中心線相距約17 m，上下行線隧道沉降變化規(guī)律基本一致，文中僅以下行線隧道沉降作為分析對象，隧道不同時段沉降曲線見圖2。

從圖2可以清晰明顯看出，盾構(gòu)隧道已經(jīng)形成了11個沉降槽，沉降曲線與隧道下臥軟土層分布曲線相似，其中6個沉降槽周邊現(xiàn)在或曾經(jīng)存在物業(yè)開發(fā)，截至數(shù)據(jù)統(tǒng)計節(jié)點，其中8個沉降槽不均勻沉降已經(jīng)超出規(guī)范控制值［7 8］。

圖2 盾構(gòu)隧道沉降曲線Fig.2 Settlement curve of shield tunnel

2.2 地下水位監(jiān)測

2006年9月至2009年8月，相關(guān)單位針對河西地區(qū)布設(shè)了12處共18個地下水位監(jiān)測井，其中②－2層布設(shè)了12口井，②－3層布設(shè)了3口井，②－4層布設(shè)了4口井，本文僅對鄰近盾構(gòu)隧道的6口地下水位觀測井進行統(tǒng)計與分析，詳見圖3。雨潤路口HXS11、實驗學(xué)校HXS5、集慶門西HXS6、審計學(xué)院HXS4觀測了②－2層地下水位的變化，審計學(xué)院HXS14觀測了②－3層地下水位的變化，雨潤路口HXS18觀測了②－4層地下水位的變化。

圖3 盾構(gòu)隧道附近地下水位及分層沉降觀測孔Fig.3 Observation of underground water level and layered settlement in shield tunnel

盾構(gòu)隧道沿線自然標高約在7.0～8.0 m附近(吳淞標高)，觀測期間②－2層、②－3層水頭標高約在地下2.0～3.0 m，且標高基本維持不變，②－4層(弱承壓水層)水頭標高在地下5.0～9.0 m，標高存在明顯的季節(jié)性變化，總體上呈現(xiàn)正弦函數(shù)的波動規(guī)律，一般在12月水頭標高降至最低點，在9月達到最高點，年波動幅度約4.0 m，詳見圖4。

圖4 地下水位變化曲線Fig.4 Groundwater level change curve

2.3 土體分層沉降

同地下水位監(jiān)測，相關(guān)單位同時針對河西地區(qū)開展了12孔土體分層沉降監(jiān)測，其中雨潤路口、實驗學(xué)校、工藝廠、審計學(xué)院土體分層沉降觀測點分布于盾構(gòu)隧道附近。觀測時間段均在地鐵運營之前，其中工藝廠分層沉降觀測點受地鐵建設(shè)施工影響較大，文中未對其進行統(tǒng)計與分析。

經(jīng)統(tǒng)計雨潤路口、實驗學(xué)校、審計學(xué)院3個土體分層沉降孔得出，軟土層沉降量占地層總沉降量的57.5%～88.5%，詳見表1，說明地面沉降主要發(fā)生在軟土層。

表1 典型監(jiān)測孔分層沉降統(tǒng)計Tab.1 Stratified settlement statistics of typicalmonitoring holes

3 河西地區(qū)隧道沉降

3.1 隧道沉降與下臥軟土層厚度的關(guān)系

從機理上講，盾構(gòu)隧道沉降即為下臥土層的沉降，任意里程處盾構(gòu)隧道沉降如下:

式中:Δσi為隧道下臥第i層土體的有效附加應(yīng)力，hi為隧道下臥第i層土體的厚度，Esi為隧道下臥第i層土的壓縮模量。

結(jié)合河西地區(qū)土體分層沉降實測成果，地層沉降主要發(fā)生在軟土土層，假定盾構(gòu)隧道沉降即為下臥軟土層的沉降，且在不考慮列車循環(huán)動荷載對下臥軟土長期振陷的影響前提下，根據(jù)彈性力學(xué)線性荷載Boussinesg公式及廣義虎克定律，對式(1)進行如下簡化: i

式中，Es為隧道下臥軟土的壓縮模量，h為隧道下臥軟土層厚度，P、h0為地層表面附加線性荷載及隧道底埋深，k0、Δδ、γ為隧道下臥軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)、側(cè)壓力系數(shù)折損、有效重度，γw、H為水的重度及地下水位降深，k為外部影響的修正系數(shù)。

3.2 外部影響分析

結(jié)合類似漫灘地區(qū)地鐵保護實踐［911］，盾構(gòu)隧道沉降外部影響因素主要為地表堆載、外部基坑土體卸載及地下水位變化，為了進一步定量分析各種因素的影響程度，選取圖1所示勘察孔為典型剖面(見圖5)，各土層參數(shù)詳見表2。

圖5 河西地區(qū)盾構(gòu)隧道典型地層剖面Fig.5 Typical section of shield tunnel in Hexi Area

表2 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標Tab.2 Physical and m echanical properties of soil layers

假定典型剖面下臥軟土層(厚度為1.0～10.0 m)隧道底以上土層分布及參數(shù)不變，運用公式(2)，分別計算了地表堆土2 m、外部基坑土體卸載造成隧道下臥軟土層側(cè)壓力系數(shù)折損10%、地下水位下降2.0 m 3種影響因素的盾構(gòu)隧道沉降量，詳見圖6。對應(yīng)上述3種影響因素，隧道沉降量分別為0.3～2.2 mm、1.2～12.2 mm、6.0～59.8 mm，說明地下水位的下降對盾構(gòu)隧道沉降影響最為顯著，外部基坑施工影響次之，地表堆載影響較少。

圖6 外部影響下盾構(gòu)隧道理論沉降Fig.6 Theoretical settlement of shield tunnel under external influence

4 典型案例

4.1 地下水變化單項影響案例

4.1.1 項目概況

以盾構(gòu)區(qū)間3為研究對象，該區(qū)間隧道周邊相繼實施3個大規(guī)模的物業(yè)開發(fā)，物業(yè)開發(fā)項目1與項目2分別于2012年12月與2012年3月完成降水及地下結(jié)構(gòu)施工，項目3于2015年12月份進行基坑土建施工，項目平面見圖7。

圖7 地鐵盾構(gòu)隧道與外部項目關(guān)系Fig.7 Metro shield tunnel and external project plan

項目2基坑平面尺寸為240 m×59 m，基坑支護設(shè)置φ1 200@1 400鉆孔灌注樁、φ650@1 100三軸深攪樁、3層砼支撐加1層鋼管支撐，鄰近地鐵側(cè)鉆孔灌注樁深40.2 m，止水樁深27.0 m，基坑開挖深度18.7 m，距地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近52.9 m，基坑底比隧道頂?shù)?.7～3.6 m。項目于2009年9月至2011年3月實施了坑內(nèi)外降水施工。

4.1.2 施工降水對隧道沉降的影響

項目2坑內(nèi)外降水期間，造成區(qū)間隧道沿著下臥軟土層發(fā)生了明顯的不均勻沉降，詳見圖8，最大沉降量約達90 mm，沉降槽長度約800 m;降水管控后，隧道沉降變化速率得到了有效抑制。

圖8 基坑降水影響下隧道沉降曲線Fig.8 Settlement curve of tunnel under the influence of foundation pit dewatering

4.1.3 地下水位季節(jié)變化對隧道沉降的影響

根據(jù)盾構(gòu)隧道沿線水位觀測資料，②－4土層地下水位出現(xiàn)了明顯的季節(jié)性正弦函數(shù)變化規(guī)律。為了分析盾構(gòu)隧道沉降隨地下水位的季節(jié)性變化規(guī)律，在項目1、項目2施工完至項目3施工前，分別選取K4+ 835(隧道下臥軟土層厚度最大)、K5+405(隧道完全坐落于粉細砂層)作為典型斷面進行研究。

2012年12月至2014年12月期間，盾構(gòu)隧道下臥軟土層斷面及粉細砂斷面，盾構(gòu)隧道沉降速率出現(xiàn)了類似于②－4土地下水位所呈現(xiàn)的季節(jié)性正弦函數(shù)規(guī)律，詳見圖9，波動周期為1年，下臥軟土層斷面振幅明顯大于粉細砂斷面，沉降速率于3月最大，9月最小(略呈現(xiàn)隆起趨勢);2014年12月至2015年12月期間，類似波動的規(guī)律不夠顯著，因缺乏同時段地下水位實測數(shù)據(jù)，具體原因暫無法給予準確的分析。

圖9 典型斷面沉降及沉降速率曲線Fig.9 Typical section settlement and settlement rate curve

4.2 外部綜合影響案例

4.2.1 項目概況

以盾構(gòu)區(qū)間2為研究對象。區(qū)段周邊于2012年3月至2015年10月存在超大規(guī)模的物業(yè)開發(fā)，項目面積為9萬m2，地面密集開發(fā)10幢超高層建筑，建筑高度為100～200 m，總建筑面積為70萬m2，地下設(shè)滿堂4層地下室，最大開挖深度達22.75 m。該物業(yè)開發(fā)在平面上因地鐵隧道及地表景觀河道分4個獨立區(qū)域進行施工，詳見圖10，Ⅰ區(qū)基坑面積約1.13萬m2，Ⅱ區(qū)基坑面積約0.85萬m2，Ⅲ區(qū)基坑面積約3.1萬m2，Ⅳ區(qū)基坑面積約0.73萬m2，并按Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)→Ⅲ區(qū)→Ⅳ區(qū)3個階段進行基坑施工。

圖10 地鐵盾構(gòu)隧道與外部項目平面Fig.10 Metro shield tunnel and external project plan

基坑采用順作法施工，支護設(shè)計采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護體，地下連續(xù)墻厚度為1.0～1.2 m(鄰近地鐵側(cè)1.2 m)，深度約65 m，且入中風(fēng)化巖不少于1.0 m，以切斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，內(nèi)部設(shè)5層鋼筋混凝土支撐，為增加地鐵側(cè)被動區(qū)土體抗力，對地鐵側(cè)在導(dǎo)墻內(nèi)外采用φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁加固，坑內(nèi)加固體寬度為8.65 m，坑外加固體寬度為2.65 m。剖面圖見圖11。

4.2.2 外部項目開發(fā)前盾構(gòu)隧道沉降

外部項目開發(fā)前(2012年3月)，盾構(gòu)區(qū)間自通車運營共計觀測了5期，以下行隧道為例，詳見圖12，運營歷時約2年，區(qū)間隧道最大沉降了13.0 mm，且隧道未呈現(xiàn)明顯加速沉降趨勢，隧道沉降總體穩(wěn)定。

圖11 地鐵盾構(gòu)隧道與外部項目剖面Fig.11 Subway shield tunnel and external project profile

圖12 物業(yè)開發(fā)前隧道沉降曲線Fig.12 Tunnel settlement curve before property development

4.2.3 外部項目對盾構(gòu)隧道沉降的影響

外部項目自2012年3月進行工程樁施工，Ⅰ區(qū)基坑自2013年1月起進行降水及土方開挖，2013年6月底底板澆筑完成，2013年10月底出正負零。

坑內(nèi)群井降水試驗資料顯示，坑內(nèi)外水位存在明顯的水力聯(lián)系(坑內(nèi)水位下降至開挖面以下2.0 m，地鐵側(cè)坑外水位最大下降了5.4 m)，雖然后期對地下連續(xù)墻采取了補強措施，但坑內(nèi)外地下水仍存在一定的聯(lián)系。

此外，在基坑地下室回筑過程中，常將拆卸的砼支撐碎石臨時存放在盾構(gòu)隧道側(cè)方的地表，造成地表荷載的增加。盾構(gòu)隧道在地下水位降深、側(cè)向土體的開挖卸載及地表堆載的共同作用下，隧道沉降量總體上隨著施工進度而逐漸增加，群井降水試驗期間、土方開挖(含砼支撐施作)及底板封閉期間、砼支撐拆除及地下結(jié)構(gòu)回筑期間的沉降量分別占施工期沉降量的12.7%、49.8%及45.5%，Ⅰ區(qū)基坑施工期間最大產(chǎn)生了41.8 mm的沉降量，各施工階段隧道沉降曲線詳見圖13。

圖13 項目Ⅰ區(qū)物業(yè)開發(fā)期間隧道沉降曲線Fig.13 The settlement curve of tunnel during the development of project I

5 結(jié)論

1)經(jīng)實測成果資料統(tǒng)計分析，南京河西地區(qū)地層沉降主要發(fā)生在下臥軟土層，②－2及②－3土層地下水位較為平穩(wěn)，②－4土層地下水位會出現(xiàn)明顯的季節(jié)性正弦函數(shù)變化規(guī)律。

2)河西地區(qū)盾構(gòu)隧道不均勻沉降由不均勻分布的下臥軟土與外部影響因素共同作用所造成，經(jīng)理論計算及典型工程案例分析，地下水位的下降影響最為顯著，外部基坑施工影響次之，地表堆載影響較少。

［1］孟剛.地鐵盾構(gòu)隧道沉降原因分析［J］.四川建筑，2016， 36(1):158- 159.

MENG Gang.Analysis on settlementofmetro shield tunnel［J］.Sichuan architecture，2016，36(1):158 159.

［2］姜洲，高廣運，趙宏.地鐵行車速度對盾構(gòu)隧道運營沉降的影響分析［J］.巖土力學(xué)，2015(11):3283- 3292.

JIANG Zhou，GAOGuangyun，ZHAO Hong.Influence of subway train speed on operation- induced settlement of shield tunnel［J］.Rock and soilmechanics，2015(11):3283 3292.

［3］寧茂權(quán).列車荷載作用下深厚飽和軟土盾構(gòu)隧道沉降分析［J］.鐵道標準設(shè)計，2015(10):94- 98.

NING Maoquan.Analysis of shield tunnel settlement in deep saturated soft soil under train load［J］.Railway standand design，2015(10):94- 98.

［4］張宇旭，占鸚.某地鐵區(qū)間隧道在地面超載作用下的沉降分析［J］.黃石理工學(xué)院學(xué)報，2011(3):37 40.

ZHANG Yuxu，ZHAN Ying.Settlement analysis of subway tunnel underoverload［J］.Journal of Huangshi Institute of Technology，2011(3):37- 40.

［5］劉國彬，李青，吳宏偉.地下水開采引起的次壓縮對隧道長期沉降的影響［J］.巖土力學(xué)，2012(12):3729 3735.

LIU Guobin，LIQing，WU Hongwei.Influence of secondary compression due to groundwater mining on long term tunnel settlement［J］.Rock and soilmechanics，2012(12):3729 3735.

［6］狄宏規(guī)，周順華，宮全美，等.軟土地區(qū)地鐵隧道不均勻沉降特征及分區(qū)控制［J］.巖土工程學(xué)報，2015，37 (S2):74- 79.

DI Honggui，ZHOU Shunhua，GONG Quanmei，et al.Differential settlement of metro tunnels and its zonal control in soft deposits［J］.Chinese journal of geotechnical engineering，2015，37(S2):74 79.

［7］城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范:CJJ/T 202—2013［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Technical code for protection structures of urban rail transit:CJJ/T 202—2013［S］.Beijing:China Architecture＆Building Press，2014.

［8］江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程:DGJ32/J 195—2015［S］.南京:江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

Jiangsu urban rail transit engineering monitoring rules: DGJ32/J195—2015［S］.Nanjing:Jiangsu Phoenix Science and Technology Publishing House，2016.

［9］王如路.上海軟土地鐵隧道變形影響因素及變形特性分析［J］.地下工程與隧道，2009(1):1- 6.

WANG Rulu.Factors influencing deformation of shanghai soft soilmetro tunnel and deformation analysis［J］.Underground engineering and tunnel，2009(1):1- 6.

［10］王如路，劉建航.上海地鐵監(jiān)護實踐［J］.地下工程與隧道，2004(1):27- 32.

WANG Rulu，LIU Jianhang.Practice of shanghai meteo monitoring［J］.Underground engineering and tunnel，2004 (1):27- 32.

［11］張震.盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長期沉降研究綜述［J］.城市軌道交通研究，2013(3):135- 140.

ZHANG Zhen.On the long- term settlement of shield tunnel structure［J］.Urban mass transit，2013(3):135 -140.

(編輯:郝京紅)

Causes of the Uneven Settlement of Shield Metro Tunnel in HexiDistrict of Nanjing

ZHANG Shu feng1，GAO Yong2，SUN Zexin3
(1.Nanjing Metro Group Co.，Ltd.，Nanjing 210008;2.Nanjing Metro Resources Development Co.，Ltd.，Nanjing 210012;3.China Design Group Co.，Ltd.，Nanjing 210014)

Data collected in survey indicate thatmultiple uneven settling tanks have formed in the shield tunnel in themetro of Hexi district in Nanjing，with the ground settlementmainly occurring in the soft soil in the underlying stratum.In addition，the groundwater level of②－4soil presents seasonal fluctuation w ith the law of sine function.According to the construction of the shield tunnel settlement calculation formula and the typical case，it can be explained that the uneven settlementof the shield tunnel in Hexi district is caused by the interaction between the uneven distribution of the soft soil and the external factors，and it is shown that the decrease of the groundwater level had themostsignificant influence on the tunnel settlement.The second influencing factor is external foundation pit construction and the last one is the surface load.

urban railway transit;tunnel settlement;soft soil in the underlying stratum;groundwater level;external construction

U231.3

A

1672- 6073(2017)02- 0052- 06

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.011

2016- 06 22

2017 01 06

張書豐，男，博士，高級工程師，從事地下工程及地鐵結(jié)構(gòu)保護的研究與管理，m yuniqueid@163.com