摘　要　本文依據(jù)上海長(zhǎng)江隧道超大型泥水盾構(gòu)穿越上行線長(zhǎng)興島民房段前“試驗(yàn)段”地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)介質(zhì)理論預(yù)測(cè)了上、下行線盾構(gòu)穿越后的累計(jì)地表變形和位移，并結(jié)合盾構(gòu)采集施工參數(shù)及地表變位計(jì)算結(jié)果，據(jù)以制定了穿越民房段的相應(yīng)對(duì)策以有效控制地表變形，確保了盾構(gòu)推進(jìn)不對(duì)所穿越民房構(gòu)成顯著影響。實(shí)例分析證明了采用方法的科學(xué)性和合理性，可供相似工程參考和借鑒。

　　關(guān)鍵詞　超大型泥水盾構(gòu)；地表變形；隨機(jī)介質(zhì)理論；民房；關(guān)鍵技術(shù)

　　1　引言

　　上海長(zhǎng)江隧道是連接浦東、長(zhǎng)興島的交通樞紐工程和重要的地下生命線工程，其南起浦東五好溝，北至崇明長(zhǎng)興島，共設(shè)東線（上行線）和西線（下行線）兩條隧道，單線全長(zhǎng)約8.9km。隧道采用兩臺(tái)迄今世界上直徑最大（D=15.43m）的泥水加壓盾構(gòu)平行施工，其建成后將是世界上直徑最大的盾構(gòu)隧道。

　　在長(zhǎng)興島岸上段，兩臺(tái)超大型泥水盾構(gòu)將先后穿越磚混結(jié)構(gòu)的民房地段，如圖1所示，由于隧道埋深淺（10.7～12.6m）且穿越地層為松軟砂質(zhì)粉土地層，在超大直徑泥水盾構(gòu)的擾動(dòng)下，極易導(dǎo)致過(guò)大的地表變形，從而對(duì)所穿越民房結(jié)構(gòu)構(gòu)成顯著損害（穿越民房大多為20世紀(jì)80年代建造的老民房，結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)剛度較差）。

圖1　民房與下穿盾構(gòu)相對(duì)位置示意圖　　

　　由于本次掘進(jìn)工程難度大、風(fēng)險(xiǎn)高且缺乏可供參考的工程實(shí)例，論文擬將位于民房穿越段前，與民房段下臥地層條件相同的農(nóng)田地段作為“試驗(yàn)段”，通過(guò)對(duì)其地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用隨機(jī)介質(zhì)理論進(jìn)行計(jì)算分析，據(jù)以制定民房段施工相應(yīng)措施，將盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)致的地表變位控制在允許范圍內(nèi)，避免對(duì)穿越民房構(gòu)成顯著危害。

圖2　隧道開(kāi)挖地層變形斷面收縮

2　地表變位計(jì)算分析

　　復(fù)雜環(huán)境條件下，城市隧道施工誘發(fā)的地表變位的預(yù)測(cè)與控制是亟待深入研究的重要課題。隧道施工前或者施工過(guò)程中，需要了解施工可能導(dǎo)致的對(duì)周圍環(huán)境建筑物的損害程度，即在地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要研究隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響程度的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)影響評(píng)價(jià)結(jié)果，針對(duì)性地提出減少開(kāi)挖對(duì)地表及地下已有設(shè)施的不良影響的技術(shù)措施。

　　迄今為止，工程界往往比較關(guān)注地表沉降這一指標(biāo)，而忽視隧道施工導(dǎo)致地表變形的影響。事實(shí)上，盾構(gòu)施工對(duì)上部結(jié)構(gòu)的損害，應(yīng)主要由盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層變形（地表傾斜、地表曲率等）引起。

　　因此本節(jié)擬依據(jù)長(zhǎng)興島上行段“試驗(yàn)段”地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)介質(zhì)理論對(duì)上、下行線盾構(gòu)穿越后的地表位移與變形進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估盾構(gòu)施工對(duì)民房結(jié)構(gòu)的影響，據(jù)以制定民房段施工相應(yīng)對(duì)策。

　　2.1　隨機(jī)介質(zhì)理論基本原理

　　隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者LitwiniszynJ于20世紀(jì)50年代基于采礦沉陷問(wèn)題提出，嗣后，經(jīng)過(guò)我國(guó)陽(yáng)軍生、劉寶琛等學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展和完善，被引入城市地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降的預(yù)測(cè)當(dāng)中，成為目前國(guó)內(nèi)工程中應(yīng)用廣泛的實(shí)用方法。隨機(jī)介質(zhì)理論認(rèn)為巖土體的運(yùn)動(dòng)為大量已知及未知因素所控制，將巖土體視為隨機(jī)介質(zhì)，這樣由隧道開(kāi)挖所引起的巖土體便可以用隨機(jī)方法加以研究。

　　設(shè)在距離地面一定深度處的地下開(kāi)挖任意現(xiàn)狀斷面的隧道，顯然這是一平面應(yīng)變問(wèn)題。如圖2所示，地下開(kāi)挖斷面的中線埋深為H，對(duì)開(kāi)挖單元巖土體采用坐標(biāo)系統(tǒng)ξOη，對(duì)地表采用坐標(biāo)系統(tǒng)XOY。

　　如果隧道開(kāi)挖初始斷面為Ω，隧道建成后，開(kāi)挖斷面由Ω收縮為ω，則根據(jù)疊加原理，地表下沉等于開(kāi)挖范圍Ω引起的下沉與開(kāi)挖范圍ω引起的地表下沉之差，即

　　式中B——地層主要影響角。

　　隧道施工所引起的不均勻沉降導(dǎo)致的地表傾斜T(X)可通過(guò)對(duì)式（1）進(jìn)行微分求得：

　　對(duì)于某些地面保護(hù)對(duì)象，它們對(duì)地表不均勻沉降所導(dǎo)致的地面彎曲十分敏感，地表下沉曲線的曲率K(X)可近似由下式計(jì)算^[1]

　　對(duì)圓形隧道，設(shè)隧道中心距地表為H，開(kāi)挖初始半徑a，假定斷面變形為均勻變形，隧道建成后，斷面半徑收縮為b，斷面均勻收縮了?A?a?b，則開(kāi)挖影響范圍Ω為距地表為H、半徑為a的圓形面積，?為距離地表為H、半徑為b的面積。將積分區(qū)間代入以上公式即可以得到圓形隧道橫向地表變位預(yù)測(cè)公式。對(duì)雙孔平行隧道，可假定疊加原理仍然適用，這樣雙孔平行隧道引起的地表移動(dòng)及變形可視為單孔隧道開(kāi)挖所引起的地表移動(dòng)及變形的線性疊加。

　　由以上公式可見(jiàn)，對(duì)圓形隧道，只要確定隧道半徑、隧道中心埋深H以及模型參數(shù)tanβ和ΔA就可以對(duì)隧道施工引起的地表變位進(jìn)行計(jì)算。同樣，根據(jù)橫向地表沉降曲線，就可以反演參數(shù)tanβ和ΔA。為此，本文編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，用于計(jì)算單孔隧道及平行雙孔隧道開(kāi)挖引起的地表變形的正分析程序及根據(jù)單孔隧道橫向地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演模型參數(shù)tanβ和ΔA的反分析程序。、

　　進(jìn)行反分析時(shí)，設(shè)單孔隧道施工地表穩(wěn)定以后，實(shí)測(cè)的地表下沉值為Wi⁰，采用正分析程序計(jì)算所得的地表下沉值為W_i。定義目標(biāo)函數(shù)為

式中n——地表下沉測(cè)點(diǎn)數(shù)。

　　由于地表下沉計(jì)算公式是不可積的積分表達(dá)式，因而在優(yōu)化算法中梯度計(jì)算非常復(fù)雜。同時(shí)反分析所需要計(jì)算的參數(shù)較少（變量n=2），因此本次反分析計(jì)算中采用了最優(yōu)化算法中的方向加速法(Powell共軛方向法)。Powell法是一種適應(yīng)于復(fù)雜函數(shù)極小化的先進(jìn)優(yōu)化方法，其迭代過(guò)程是由初始點(diǎn)出發(fā)沿一系列共軛方向求目標(biāo)函數(shù)的極小值，這組共軛方向的形成僅使用迭代點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，不需要計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的梯度，故對(duì)于目標(biāo)函數(shù)復(fù)雜時(shí)尤為適用，具體算法可參見(jiàn)文獻(xiàn)。

　　2.2　地表變位計(jì)算

　　以“試驗(yàn)段”兩個(gè)典型橫斷面K7＋717和K7＋742為例，兩斷面處隧道中心埋深均為19.5m，其地表橫向沉降槽曲線如圖3所示，與K7＋717斷面相比，K7＋742斷面適當(dāng)提高了切口水壓和增加了注漿量。由圖3可見(jiàn)，K7＋742橫斷面沉降量比K7+717橫斷面要小(兩斷面地層損失率分別為3.7‰和6.8‰)。

圖3　地表橫向沉降槽曲線

　　根據(jù)以上兩典型斷面地表沉降槽曲線，采用編寫的程序反演模型參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　反演地層特性參數(shù)

　　采用以上反演參數(shù)，可對(duì)隧道上、下行線穿越后的地表變形值進(jìn)行預(yù)測(cè)（假定同一橫斷面，上、下行線施工對(duì)地層擾動(dòng)相同），計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4　地表橫向沉降

圖5　地表傾斜

圖6　地表曲率

　　各種工況下地表變位最大值如表2所示，可見(jiàn)：

　?。?）上、下線穿越后，K7＋717斷面地表變形值均相應(yīng)大于K7＋742斷面；

　　（2）下行線盾構(gòu)穿越后，K7＋717和K7＋742兩橫斷面地表最大沉降值增加均很小（分別為1.2mm和1.6mm），可忽略不計(jì)。但最大地表傾斜值增加較大，分別增加了66.1%和55.4%。與此同時(shí)，兩斷面地表曲率均有所減少。

表2　各種工況條件下地表變位最大值

　?。?）如表3所示，對(duì)K7＋717斷面，上行線穿越后，曲率稍大，在下行線穿越后，地表傾斜值超過(guò)了3.0mm/m，即地基發(fā)生了較大不均勻沉降。而K7＋742斷面在下行線通過(guò)后，地表傾斜值仍處于允許范圍內(nèi)。

　　因此，建議參考K7＋742斷面，對(duì)隧道民房段的施工參數(shù)進(jìn)行匹配。

表3　磚石結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級(jí)(保護(hù)等級(jí))

　　3　地表變位控制措施

　　由于上海長(zhǎng)江隧道穿越民房地段覆土淺，且上覆土層為易擾動(dòng)砂質(zhì)粉土，因此需采取相應(yīng)措施，減少因盾構(gòu)施工引起的土體損傷，以避免對(duì)老民房構(gòu)成顯著影響。結(jié)合以上地表變形計(jì)算分析結(jié)果及盾構(gòu)采集施工參數(shù)，現(xiàn)提出以下對(duì)策：

　　（1）合理設(shè)置切口水壓

　　保持開(kāi)挖面的土（水）壓力平衡可以減少開(kāi)挖面土體的坍塌、變形、土體損傷等，從而減少對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的損害。

　　考慮到穿越土層為砂性土及房屋超載，本次泥水壓力按“靜止土壓力＋水壓力＋20kPa”原則設(shè)置，以使切口前方產(chǎn)生微量隆起，以抵消部分后續(xù)沉降。同時(shí)，應(yīng)確保切口水壓的穩(wěn)定，避免壓力波動(dòng)過(guò)大，以較少對(duì)土體的擾動(dòng)和避免擊穿土層。

　　（2）壓漿量充足

　　適當(dāng)增加同步注漿量能使地層上抬，減少最終地表沉降量。如K7＋717（對(duì)應(yīng)3618環(huán)）、K7＋742（對(duì)應(yīng)3630環(huán)）、K7＋755（對(duì)應(yīng)3636環(huán)）處盾尾注漿量分別為27.6m³、29.3m³、31.1m³，對(duì)應(yīng)的最終地表沉降量分別為46.6mm、26.4mm、20.6mm?？梢?jiàn)，注漿量在30m3，即地層注漿填充率為150%左右較為合理。

　?。?）推進(jìn)速度

　　宜本著施工快速、高效的原則，優(yōu)化工序銜接，快速通過(guò)，盡量減少對(duì)地層的擾動(dòng)。同時(shí)，由于穿越土層為砂質(zhì)粉土地層，為避免泥漿滲透導(dǎo)致的切口壓力損失和波動(dòng)，也應(yīng)適當(dāng)快速推進(jìn)。

　　“試驗(yàn)段”試推表明，盾構(gòu)推進(jìn)速控制在35～40mm/min比較合理。

　　除對(duì)以上施工參數(shù)進(jìn)行合理匹配外，還應(yīng)盡量減少糾偏量，避免“蛇行”，以避免對(duì)地層的過(guò)大擾動(dòng)。此外，應(yīng)控制襯砌拼裝偏差，減少工后沉降。

　　通過(guò)采取以上措施，在下行線盾構(gòu)穿越民房后，民房段最大累計(jì)地表沉降值控制在20mm左右，地層損失約為在3‰，盾構(gòu)施工沒(méi)有對(duì)所穿越民房構(gòu)成顯著影響。說(shuō)明以上采取的措施是合理的。

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　上海長(zhǎng)江隧道長(zhǎng)興島民房段穿越工程難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，且缺乏可供參考的工程實(shí)例。

　　論文結(jié)合上行線盾構(gòu)過(guò)民房段前“試驗(yàn)段”地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)介質(zhì)理論預(yù)測(cè)了上、下行線隧道穿越后的累計(jì)地表變形值，據(jù)以合理制定了隧道穿越民房段的相應(yīng)措施，從而避免了盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)所穿越民房構(gòu)成顯著影響。

　　實(shí)例分析證明了本文方法的科學(xué)性和可靠性，可供相似工程參考和借鑒。