1. 引言
随着城市地下空间的不断开发，盾构工程作为地下施工的关键技术，其在复合多样性地层中的应用尤为重要。为了有效控制衬砌变形，深入分析监测数据和优化施工过程显得尤为关键[1]。Peck在1969年的研究中，提出隧道开挖导致的地面沉降通常发生在无排水条件下，沉降区域的体积与土层损失的体积相等，沉降符合正态分布曲线[2]。Kontogianni等对希腊某大断面隧道自1995年开挖到支护失效再进行加固和衬砌闭合时间的监测，发现了施工中的收敛规律[3]。朱合华等采用有限元模拟方法研究了盾构隧道施工阶段的力学行为，强调了注浆材料和管片接头特性的重要性[4]。张顶立等探讨了城市复杂地层中隧道施工引起的地层变形机制，并提出了一种基于地层材料、细观结构和环境的变形预测方法[5]。李炜明等针对岩溶地质和复杂地层条件下的地铁盾构施工衬砌变形机理进行了研究，提出了衬砌结构变形的警戒值[6]。Galván等通过有限元模型研究了隧道掘进机(TBM)推进过程中对分段隧道衬砌结构响应的影响，发现由于TBM推进产生的轴向载荷，衬砌环之间的耦合作用增强，从而提高了衬砌的结构能力，并改变了衬砌的破坏机制[7]。齐永洁等提出了一种简化的随机介质理论方法，用于预测盾构穿越上软下硬土岩复合地层时引起的地表位移[8]。郭东等提出了一种基于内嵌光纤自感知纤维增强复合材料(FRP)筋的隧道衬砌智能监测方法，能够定量给出隧道衬砌环向的实时受力状态[9]。夏才初等则通过现场监测数据分析了大断面小净距公路隧道施工过程中的围岩变形和支护系统受力特点[10]。这些研究成果不仅丰富了盾构工程的理论基础，也为实际工程的设计、施工和监测提供了宝贵的参考。
盾构作为一种地下工程施工的重要方法，以其施工快速、干扰小、环保等特点而受到广泛关注。盾构施工中，衬砌是保证隧道稳定和安全的关键环节。衬砌在盾构施工过程中会承受地下水压力、地层变形等多种因素的影响，会产生一定的变形[11]。拱顶沉降，即隧道顶部在垂直方向上的位移，反映了隧道顶部相对于初始位置的下移或上移情况。这一现象可能源于多种因素，如盾构推进时对周围地层的扰动、地层条件的自然变化、注浆作业的不足以及其他相关的施工活动。同样，净空收敛，即隧道壁面在水平方向上的相对位移，表现为隧道截面宽度或高度的变化，可能由土体对隧道壁面的压力、衬砌结构的不均匀沉降或施工质量问题引起。通过优化施工参数和采取地基加固措施，可以有效控制盾构推进过程中对周围地面和结构物的影响，实现施工优化[12]。
本文结合广州某地铁工程，基于现场盾构施工监测数据，分析了盾构施工穿越中粗砂地层条件下衬砌的变形规律。其次，结合实际监测数据，对盾构施工过程中衬砌的变形情况进行了定量分析，以更全面地评估衬砌稳定性和衬砌力学响应[13]。为今后类似盾构工程设计和施工优化提供借鉴或指导，同时也对地下工程施工中的风险控制和质量保障提出了建议。
2. 工程背景
本文依托广州地铁18线的某区段为背景(HP2中间风井~HP3盾构井区间线路，见图1)，区间左线长度为2817 m，起止桩号为MZR3-HP04DG-88~MZR3-HP06DG-01，对应起止里程为ZDK19+798~ZDK22+615，区间右线长度为2823 m，起止桩号为MZR3-HP04DG-86~MZR3-HP05DG-131，对应的起止里程为YDK19+784~YDK22+607。拱顶沉降、净空收敛监测断面分别布置在左线ZDK20+113~ZDK22+610和右线YDK19+789~YDK22+603范围内。本项目设定的拱顶沉降和隧道净空收敛的安全预警值均为16 mm，而为了确保结构的稳定性，这两个指标的控制极限均被严格限定在20 mm以内。
Figure 1. Geological map of medium-coarse sand stratum from HP2 shield tunnel to HP3 left line
图1. HP2盾构井～HP3左线中粗砂地层地质图
在盾构施工过程中，拱顶沉降和净空收敛的监测工作是至关重要的。对拱顶沉降和净空收敛的监测不仅有助于评估隧道结构的安全性和稳定性，还能为后续的维护和加固工作提供科学依据。在现场监测中，针对盾构隧道2~3区间的左线(ZDK20+113至ZDK22+610)和右线(YDK19+789至YDK22+603)，按照每50米间隔布置断面测点组，每个断面测点组仅记录一个监测数据。共计布置了51个测点组于左线，57个测点组于右线，用以测量施工过程中的拱顶沉降和净空收敛情况，分别获得了108个拱顶沉降数据和108个净空收敛数据。
本文基于左线中粗砂地层的测点监测数据对衬砌管片变形进行分析。该层在本线路局部分布，共23孔揭露，其厚度变化范围在1.60至17.70 m之间，平均厚度约为8.53 m。砂层的顶面埋深介于11.00至40.60 m之间(标高−33.37至−5.55m)，而底面埋深则在13.10至43.10 m之间(标高−35.87至−7.65 m)。针对隧道区段的地质特点，采用了单层衬砌结构作为支护方式，其中管片的内径为7.7 m，外径为8.5 m，厚度为0.4 m，每环管片的宽度为1.6 m。在盾构施工过程中，对于隧道区段左线的中粗砂地层，监测工作从2020年6月12日开始，一直持续到2020年9月15日。监测区域的测点编号为21+358至22+358，共设有21组监测点，包括11个拱顶沉降监测点和11个净空收敛监测点。在所有监测点中，拱顶沉降监测点GGC22+308和GGC22+358，以及净空收敛监测点组ZGGJ22+308和ZGGJ22+358的监测时间最长，达到了50天。相比之下，拱顶沉降监测点GGC21+908、GGC21+958和GGC22+008，以及净空收敛监测点组ZGGJ21+908、ZGGJ21+958和ZGGJ22+008的监测时间最短，仅有5天。通过对监测数据的详细分析，深入理解盾构施工对衬砌影响的具体情况，以及隧道结构在该地层条件下的响应行为，为类似工程提供经验和参考。
3. 衬砌拱顶沉降与净空收敛的差异分析
为分析拱顶沉降值与净空收敛值两者之间的相互关系，本文将对起始的5组拱顶沉降测点和净空收敛测点组，即拱顶沉降测点GGC21+358~GGC21+558，净空收敛测点组ZGGJ21+358~ZGGJ21+558进行拱顶沉降与净空收敛的变形差异值分析，如图2所示。图2中曲线分别表示拱顶沉降及净空收敛的监测值，而柱状图则为两者的变形差异值。
(a) GGC21+358与ZGGJ21+358图
(b) GGC21+408与ZGGJ21+408图
(c) GGC21+458与ZGGJ21+458图
(d) GGC21+508与ZGGJ21+508图
(e) GGC21+558与ZGGJ21+558图
Figure 2. Crown settlement, clear span convergence, and their deformation difference values
图2. 拱顶沉降、净空收敛及其变形差异值
由图2可以看出，拱顶沉降监测值与净空收敛监测值之间存在显著的正相关性。具体而言，拱顶沉降与净空收敛的数值大致相等，这一现象表明在监测周期内，两者的变化趋势具有一致性。共有73组拱顶沉降与净空收敛变形差异值，变形差异值最大值仅为1.3 mm，为测点GGC21+458与测点组ZGGJ21+458在2020年6月21日的监测结果的差异值。变形差异值最小值为0 mm，共有7组监测数据变形差异值为0 mm，即这7组监测结果的拱顶沉降值与净空收敛值完全相等。变形差异值平均值为0.36 mm，这进一步表明两者之间关系的紧密性。由于衬砌的变形主要由拱顶沉降和净空收敛两部分组成，且两者的监测点位于同一断面但空间位置不同，衬砌作为一个整体结构体系，在盾构掘进导致拱顶沉降的同时，断面的水平方向净空也会出现相应的延伸，从而引发净空收敛。因此，在相同断面位置上，净空收敛和拱顶沉降在数值上具有近似相等的关系，在曲线趋势上表现出同向性和一致性的变化规律。
4. 中粗砂地层衬砌变形最大监测值分析
通过结合曲线变化和测点数据最值特点，得到中粗砂地层衬砌监测数据的最值情况，以呈现相关数据分布。图3为中粗砂地层拱顶沉降和净空收敛各测点及测点组监测到的拱顶沉降与净空收敛的最大值柱状图。图中横轴代表左线中粗砂地层区段的测点序号，左纵轴表示拱顶沉降和净空收敛的最大监测值，右纵轴表示拱顶沉降与净空收敛的变形差异值。其中蓝色柱状为拱顶沉降的最大监测值，红色柱子为净空收敛的最大监测值，黑色散点为拱顶沉降与净空收敛最大监测值的变形差异值，红色虚线为右纵轴的0轴线。
由图3可以看出，中粗砂地层拱顶沉降最大值为9.2 mm，净空收敛最大值为8.6 mm。共有21组拱顶沉降最大值与净空收敛最大值的变形差异值，变形差异值的最大值为0.9 mm，最小值为0 mm。并且共有2组拱顶沉降与净空收敛最大值的变形差异值为0 mm，即这2组拱顶沉降与净空收敛的最大值完全相等。拱顶沉降最大值与净空收敛最大值的变形差异值均在小于等于0.9 mm的范围内，最大值的变形差异值平均值为0.49 mm，与差异性分析的结果一致。拱顶沉降和净空收敛变形值存在显著相关性，最大值近似相等，可以认为两者的变化是同趋势、数值上近似同变化量的，与监测曲线规律一致。并且在整个中粗砂地层的监测过程中，净空收敛和拱顶沉降的最大值均控制在小于等于9.2 mm的范围内，没有出现超过安全预警值16 mm的净空收敛或拱顶沉降。这一结果表明，盾构施工过程中的变形控制措施得当，隧道结构的稳定性和安全性得到了有效保障。
Figure 3. Maximum monitoring values of lining deformation in coarse sand stratum
图3. 中粗砂地层衬砌变形最大监测值图
5. 结论和建议
本文基于广州某地铁工程现场监测数据，分析了地铁盾构施工穿越中粗砂地层过程中衬砌管片的变形特性及规律，得到了以下结论和建议：
1) 盾构施工期间，隧道衬砌管片出现连续变形，且随时间推移变形量增加，但增长速率逐渐减缓，最终趋于稳定。
2) 衬砌变形是一个整体的结构体系，衬砌的拱顶沉降和净空收敛在同类地层的变化值存在显著相关性，其最大值也近似相等，整体曲线趋势上呈现同向性、一致性的变化规律。
3) 盾构穿越中粗砂地层时，最大拱顶沉降和净空收敛监测值分别为9.2 mm和8.6 mm，均在预设的预警值和控制值内，表明施工控制措施有效。
本文有关盾构施工穿越中粗砂地层的过程中衬砌变形特性及规律的讨论，可对类似盾构工程设计和施工提供一定参考。然而，本研究结论基于单一工程数据，存在局限性，需要进一步积累其他盾构案例监测数据，进行对比验证。