摘  要: 以苏州地铁二号线盾构隧道工程实例为研究背景，对近邻平行隧道施工所造成的地层变形进行了深入的研究，分析了隧道埋深、间距、开挖面支护压力、地层损失率对地表沉降的影响，为平行盾构法施工提供了有益的结论。

关键词: 盾构，近邻，平行，地层变形

 

      目前，城市地铁的盾构施工一般为双线施工，各个施工步都将对土体产生一定的扰动，引起施工区周围土体的应力场发生改变^［1］。因此，对于平行盾构施工，需要对其埋深、间距、开挖面支护压力以及地层损失率等因素进行分析。本论文拟以苏州地铁二号线在建盾构施工区间段为实际工程背景展开，通过数值模拟的方法探讨盾构施工对地表沉降影响的机理，确定影响因素，保证盾构机的顺利掘进和控制地表沉降，对我国城市地铁建设具有重要的指导意义。

 

      盾构推进施工引起的地表和土体沉降位移的历时变化一般分为盾构到达前、盾构到达、盾构通过时、盾尾通过、后续沉降五个阶段，如图1 所示。盾构推进方向地表沉降等高线如图2 所示。

      1) 盾构到达前的超前沉降: 测点离盾构切口 3 m ～ 20 m 范围内所发生的隆沉变化。超前沉降主要是盾构掘削面引起的地下水位降低而发生的。当离盾构切口较近时，受开挖面土体的位移而发生隆沉。

      2) 盾构到达时的隆沉: 测点离盾构切口 0 m ～ 3 m 范围内所发生的隆沉变化。不同盾构类型形成不同的隧道掘进方式，由于掘进参数( 如最大千斤顶推力、盾构掘进速度等) 的差别，使掌子面的土体应力状态也有巨大差异。

      3) 盾构通过时的沉降: 在盾构切口至盾尾( 即测点离切口为0 m ～ － 1 m) 范围内，开挖面到达盾体上方时，期间发生的沉降或隆起主要是由于盾体向前移动过程中受盾体自重的影响，盾壳对其周边地层的摩擦和剪切作用引起，主要表现为地表下沉一般发生沉降变化，主要是由盾构超挖、纠偏蛇行引起的土体扰动。

      4) 盾尾通过后的隆沉: 盾尾离开测点 0 m ～ 5 m 范围内，由于盾构机外径大于管片外径，盾尾离开测点后，管片外表面与地层间的建筑空隙需要填充，以控制地表变形。

 

      苏州轨道交通二号线苏州火车车站至三医院站分左右线施工，盾构左线掘进 1121 环; 盾构右线掘进 1137 环。隧道埋深为10． 8 m ～ 14． 4 m，左右隧道设计间距为 6． 5 m。本区间隧道采用一台日本小松公司配制的 TM6340PSX Φ6340 土压平衡式盾构机，盾构机本体长度 7 655 mm，采用预制钢筋混凝土管片，管片宽度为 1． 2 m，外径 6． 2 m，内径 5． 5 m，采取错缝拼装，推进速度0 cm / min ～ 6 cm / min。

      根据地勘资料，隧道施工段土体上部为③₂粉质粘土层，中部为中密状④₃粉土或粉砂层，下部为软 ～ 流塑状④₅粉质粘土层。物理力学参数见表 1。

      TM6340PSX Φ6340 土压平衡式盾构机，盾构机本体长度7 655 mm，采用预制钢筋混凝土管片，管片宽度为 1． 2 m，外径6． 2 m，内径 5． 5 m，采取错缝拼装，推进速度 0 cm / min ～ 6 cm / min。

      为了保证隧道施工安全，控制地表沉降，从隧道埋深、隧道间距、开挖面支护压力及地层损失率四个方面进行分析。

 

      选取标准断面进行分析，采用 FLAC^3D软件进行数值模拟分析^［5，6］。隧道建模图如图 3 所示，平行隧道示意图如图 4 所示。

      分析隧道埋深对地表沉降的影响，采用双线隧道，间距为一倍洞径，根据城市隧道埋深的特点，选取埋深 25 m ～ 5 m 的范围进行分析。随着埋深的不同，地表最大沉降值如表 2 所示，曲线如图 5 所示。

      城市隧道的埋深一般属于浅埋的范围，从表 2 和图 3 可以看出，埋深越大，地表最大沉降值越大，埋深 5 m 时，最大沉降值为－ 5． 56 mm，埋深 25 m 时，最大沉降值为 － 21． 61 mm。基本呈线性增长趋势。

 

      分析隧道间距对地表沉降的影响，分别对单隧道、间距一倍洞径、间距二倍洞径、间距三倍洞径四种情况进行分析。随着间距的不同，地表最大沉降值如表 3 所示，曲线如图 6 所示。

      从表3和图4可以看出，单隧道开挖沉降最小，为－ 5． 09 mm，影响范围最小，为 86 m; 一倍洞径时沉降最大，为－ 10． 31 mm，影响范围最大，为 96 m; 当洞径扩大为三倍时，沉降值接近于单隧道开挖，为 －5． 13 mm，影响范围较大，为 144 m。

 

      TM6340PSX Φ6340 为土压平衡式盾构机，选取支护压力0． 14 MPa，0． 17 MPa，0． 2 MPa，0． 23 MPa，0． 26 MPa 五种情况进行分析( 见表 4) 。随着支护压力的不同，曲线如图 7 所示。

      从图 7 可以看出，当开挖面压力为 0． 14 MPa 时，掌子面前方15 m 处地表开始出现沉降，最大地表沉降达 － 22 mm; 在开挖面后方 20 m 以外，地表沉降趋于稳定。当开挖面压力为 0． 2 MPa时，在掌子面前方 10 m 处地表开始出现沉降，正上方地表最大沉降值为 －14． 4 mm; 在掌子面后方 18 m 以外，地表沉降趋于稳定，最大沉降值约为 －10 mm，最大沉降值约为 －19． 4 mm。当开挖面压力达到 0． 26 MPa 时，掌子面前方 6 m 处地表出现隆起，前方10． 8 m 处地表出现最大隆起值为 － 1． 5 mm; 在掌子面后方 20m以外，地表沉降趋于稳定，最大沉降值约为 －22． 5 mm。分析不同支护压力数据可以看出在开挖面支护压力小于或大于 0． 2 MPa时，即对于土压平衡盾构，当土仓压力小于静止或稍高于静止土压时，后建隧道开挖后，地表的最大沉降值均发生了增大的变化。

 

      盾构施工中，地层损失是造成地表变形的重要原因。本文中采取刀盘切削内轮廓断面一般大于管片外轮廓断面，这种扩大部分以及曲线段和收幅过程的扩挖部分地段为超挖。

      为研究不同地层损失对地表沉降的影响，本文选取地层损失率分别为 0． 5%，0． 7%，1． 0%，1． 2% 四种工况进行模拟分析。不同地层损失率下地表最大沉降值如表 5 所示，地表沉降曲线如图 8所示。

      从图 8 可以看出，最大地表沉降量随着地层损失率的增加而增加，基本呈线性增长的趋势。

 

      通过对盾构开挖地层变形的机理研究，并结合苏州地铁二号线近邻平行盾构隧道的数值模拟，分析埋深、间距、开挖面支护压力及地层损失率等因素对地表变形的影响，得出了如下结论:

      1) 在城市浅埋隧道中，埋深越深，地表变形越大; 2) 平行近距隧道施工，间距越小，地表沉降值越大，间距越大，地表沉降值越小。当间距大于三倍洞径时，最大沉降值与单隧道施工沉降值接近，但影响范围略大; 3) 当开挖面压力小于静止或稍高于静止土压时，前方土体不隆起，但后期位移增长较大; 当开挖面压力大于静止土压时，前方土体隆起，后期位移增长较小; 4) 最大地表沉降量随着地层损失率的增加而增加，基本呈线性增长的趋势。

 

［1］ 杨其新，王明年． 地下工程施工与管理［M］． 成都: 西南交通大学出版社，2005．

［2］ 齐静静，徐日庆，魏 纲． 盾构施工引起土体三维变形的计算方法研究［J］． 岩土力学，2009( 8) :2442-2446．

［3］ 魏 纲，徐日庆． 软土隧道盾构法施工引起的纵向地面变形预测［J］． 岩土工程学报，2005，27( 9) :1077-1081．

［4］ 陶龙光，刘 波，丁城刚，等． 盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟［J］． 中国矿业大学学报，2003，32( 3) : 236-240．

［5］ 王占生，王梦恕． 盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施［J］． 中国安全科学报，2002，12( 2) :45-50．

［6］ 彭 畅，伋雨林，骆汉宾，等． 双线盾构施工对邻近建筑物影响的数值分析［J］． 岩石力学与工程学报，2008，27( A02) :3868-3874．