王建
（广东逸华交通工程检测有限公司中山市528455）
摘要：为研究欠固结地层中盾构隧道施工后周边地层的长期沉降特性，以及双曲线和指数曲线数学模型预测周边地层长期沉降的适应性，依托广州市某地铁隧道项目进行长期监测。结果表明：欠固结地层盾构施工后的实测沉降数据包含欠固结地层自身沉降和盾构施工引起的地层沉降。以各测点的增量沉降值绘制曲线，当横向土体增量沉降曲线不成槽后，实测沉降基本为欠固结地层的自身沉降。同一平面位置处，埋深越大的测点，其总长期沉降量越小，相对于盾构隧道施工前的地层原始状态，盾构施工后的隧道周边土体呈现密实化趋势。
0引言
盾构法隧道施工不可避免地会对周边地层产生扰动，导致周边土体产生长期沉降，地层长期沉降会危及到隧道周边构筑物的安全和正常使用。因此，研究盾构隧道施工后周边地层的长期沉降特性，提前预测盾构施工后周边地层的长期沉降具有重要的现实意义。
目前，关于盾构施工期间周边地层扰动响应的研究较多，但盾构施工后长期沉降相关的研究较少，特别是对欠固结地层盾构掘进后长期沉降的研究。肖勤［1］等在进行上海地铁一号线盾构施工实测沉降数据分析时，根据上海不同区域历年大地沉降数据，总结上海不同区域的地面本身沉降预测公式，并运用该公式从盾构施工现场实测的沉降数据中扣除大地的自身沉降值，进而研究盾构施工引起的地表长期沉降。鄢豪杰［2］等基于前人研究理论，推导盾构施工后的地表长期沉降理论计算公式。璩继立［3］等基于人工神经网络方法，建立盾构施工地面长期沉降的非线性预测模型人工神经网络。张冬梅［4］等通过数值模拟，分析隧道衬砌局部渗流对地表沉降、横线地表沉降槽及地层损失的影响。数学模型预测方法参数简单，在公路路基和建筑物地基的工后沉降预测中得到广泛应用，但在预测盾构隧道施工后的沉降方面应用仍较少。魏纲［5］等通过数学模型预测盾构施工后的地表沉降，比较各数学模型的适应性，但未分析指数曲线模型在预测盾构施工后地表长期沉降中的适应性，而目前盾构隧道周边常分布有地下构筑物，如地下管线、桩基、交叠隧道等。因此，预测深层土体长期沉降并研究其特性具有重要意义。
文章依托广州某地铁盾构隧道项目，选取一地层断面对地表沉降和深层土体沉降进行长期监测，详细分析实测数据，以供类似工程参考。
1工程概况及沉降监测方案
1.1工程概况
广州地铁四号线南延段大直径泥水盾构隧道项目的监测断面位于南沙区沿海港大道，断面地质剖面见图1。
盾构隧道处于淤泥和粉质黏土中，隧道顶埋深为14.7ｍ，上覆素填土和淤泥，地下水位于地表以下5.3ｍ。各土层主要物理力学参数见表1。
该项目采用泥水平衡盾构进行掘进，盾构外径11.66ｍ，盾构机长度为12.389ｍ。隧道管片采用通用楔形环，设计内径10.3ｍ，外径11.3ｍ，管片厚度0.5ｍ，环宽2ｍ。盾构拼装管片位置位于刀盘后方8ｍ处，拼装好的管片在盾构继续向前推进4ｍ左右完全脱出盾尾。
1.2沉降监测方案
由于磁环式沉降仪法测试精度较低，无法准确反映土体沉降和隆起变化情况，故该项目采用沉降板法对土体分层沉降进行监测。通过在地层沉降测点处埋设沉降板，采用水准仪＋铟钢尺进行测量，该方法的测量精度可达0.2ｍｍ。地表沉降和深层土体沉降测点布置见图2。
2监测结果分析
2.1沉降界限划分
对盾尾脱出监测断面后的实测土体沉降数据进行处理，绘制相邻两次测试的横向土体增量沉降曲线图，如图3和图4所示。横坐标为沉降测点距隧道轴线的距离，负值表示沉降测点位于隧道轴线左侧，正值表示测点位于隧道轴线右侧，零值代表测点埋设在隧道轴线处。纵坐标为土体每日沉降量，计算方法为相邻两次测试的沉降差△Ｓｉ除以两次测试的间隔天数d。两图中，标注的天数表示盾尾脱离监测断面的天数。
从图3和图4可以看出，在盾尾脱出监测断面后的较长时间内，无论是横向地表增量沉降还是横向深层土体增量沉降，均呈现出沉降槽形状。PeckRB［6］基于大量隧道施工引起的地表沉降实测数据，提出隧道施工引起的横向地表沉降曲线符合正态分布，呈标准的沉降槽形状，以隧道轴线处沉降最大，沿隧道两侧方向沉降逐渐递减。姜忻良［7］等假定地表以下不同深度土体横向沉降槽体积与地层损失体积相等，不同深度处土体横向沉降曲线依旧符合正态分布，并提出沉降槽宽度系数计算公式。PeckRB的发现仅针对盾构施工后的地层损失瞬时沉降，对于横向地表长期沉降的特性并未提及。该公式未考虑盾构施工受扰动土体的固结，无法对盾构施工后的长期沉降进行预测，只能计算盾构施工引起的地面瞬时沉降。侯学渊［8］修正了Peck公式，为Peck公式添加了时间因子，即考虑到受扰动土体的固结。上述研究表明，盾构施工引起的周边地层沉降呈现沉降槽的形状。
广州地铁四号线南延段大直径盾构隧道位于南沙区，区域地貌为海陆交互相沉积平原，隧道上覆地层普遍存在深厚的欠固结软土层，场地存在大面积沉降。在现有的自重应力下，欠固结地层产生沉降，自身沉降尚未稳定，欠固结地层引起的场地大面积沉降曲线通常不规则或地层表现出整体向下沉的特征。利用盾构施工引起的周边扰动土体沉降和欠固结地层自身沉降的特征差异性，可取横向土体增量沉降曲线不成槽的时间点作为盾构施工引起的土体沉降和欠固结地层本身沉降的时间界限。界限前，以盾构施工引起的土体沉降为主；界限后，盾构施工引起的土体工后沉降基本完成，土体沉降基本是欠固结地层自身的沉降。
从图3和图4还可以看出，无论是地表沉降还是深层土体沉降，其横向增量沉降曲线在11月5日不成沉降槽形状，但由于11月5日监测与上次监测日期（8月14日）间隔的时间较长，接近3个月，所以无法得知监测断面的增量沉降曲线开始不成槽的具体日期，只能判断增量沉降曲线开始不成槽的时间点位于8月14日至11月5日这一时间区段。盾构施工引起监测断面的土体长期沉降在该时间点基本完成，以盾尾脱出试验断面为时间起点，持续时间为63～146d。此外，从两图中还可以看出，欠固结地层本身沉降不均匀，监测断面位置处的地层自身沉降速率表现出隧道右侧稍大于左侧的现象，地层自身沉降速率约为0.1ｍｍ／d。
2.2长期沉降随时间的变化特性
盾构施工引起的土体长期沉降随盾尾脱离监测断面时间的变化情况如图5所示。沉降板FC13-2埋设后未进行回填土处理，正式监测时沉降板本身沉降未稳定，FC13-2沉降数据失真，剔除FC13-2沉降数据。
由图5可见，随着时间增长，土体不断下沉变形，沉降速率逐渐减小。同一平面位置处，埋深越大的测点，其总沉降量越小，换言之，相对于土体的原始状态（进行盾构隧道施工前），盾构施工后的隧道周边土体呈现密实化趋势。从图5还可发现，同一位置、不同埋深的各测点沉降曲线的间隙随着时间增长而变宽，即测点与测点之间的地层发生了固结压缩变形。比较各测点之间的地层固结压缩量可知，埋深12.1ｍ测点与埋深8ｍ测点之间的地层固结压缩量较大，而地表与埋深４ｍ测点之间的地层固结压缩量极小，这是因为埋深8～12.1ｍ的地层为淤泥层，而地表与埋深4ｍ之间的地层为素填土，淤泥层更容易被施工扰动，形成较大的超孔隙水压力，从而产生更大的工后固结沉降量。
2.3长期沉降的拟合分析
双曲线是预估长期沉降的经验公式。指数曲线模型有坚实的理论依据，其基于太沙基一维固结理论提出，即固结度随时间呈指数变化，固结长期沉降也呈指数变化。双曲线模型、指数曲线模型公式分别见式1和式2。
为进一步探析盾构施工后的土体长期沉降特性，以及双曲线和指数曲线数学模型预测沉降的适应性，利用式1和式2对盾构隧道施工后的实测沉降数据进行拟合分析。拟合结果见图6和表2。
从图6和表2可见，除FC13-3测点为0.945外，指数曲线模型拟合相关系数R2均在0.98以上，拟合程度较高且稳定，146d预测沉降误差在0～0.25ｍｍ范围，预测沉降精度高且稳定。双曲线模型拟合相关系数R2在0.69～0.969，拟合程度不稳定，146d拟合沉降误差在1.08～2.84ｍｍ，预测沉降精度波动较大。指数曲线模型的拟合程度较双曲线模型高，预测沉降精度较好，对地表沉降和深层土体沉降的所有测点数据均能较好地拟合。
3结论
依托广州某地铁隧道项目，对地表沉降和深层土体沉降进行长期监测，研究欠固结地层中盾构隧道施工后的周边地层长期沉降特性和数学模型在盾构施工后的周边地层长期沉降预测中的适应性，得出以下结论：
（1）欠固结地层盾构施工时，实测沉降数据包括两部分：欠固结地层自身沉降和盾构施工引起的地层沉降。以各测点的增量沉降值绘制曲线，当横向土体增量沉降曲线不成槽后，实测沉降基本为欠固结地层的自身沉降。
（2）同一平面位置处，埋深越大的测点，总长期沉降量越小，相对于盾构隧道施工前的地层原始状态，盾构施工后的隧道周边土体呈现密实化趋势。
（3）指数曲线模型的拟合程度较双曲线模型更高且稳定，预测沉降精度更好。对于地表沉降和深层土体沉降，指数曲线模型均可适应，所有测点数据都能较好地拟合。
转载文献来源：中国知网-北方交通
