淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工地表沉降監(jiān)測(cè)分析

王呼佳 鄒 育 劉川昆 李 策 伍偉林

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,610031,成都；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031, 成都//第一作者,高級(jí)工程師)

地鐵隧道施工多采用盾構(gòu)法。淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂層是盾構(gòu)隧道施工常見的不良地層，是引起地表沉降的關(guān)鍵因素。為此，分析地層沉降原因，總結(jié)地層沉降規(guī)律，變得尤為重要和迫切。

文獻(xiàn)[1]對(duì)淺埋三車道大跨度隧道施工引起的地表沉降變形特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，探討淺埋大跨度隧道的開挖方式，分析采用三臺(tái)階七步平行線流水開挖引起的隧道地表沉降變形特征；文獻(xiàn)[2]通過對(duì)地表沉降和深部土體水平位移的實(shí)測(cè)和分析,得出富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工引起地層變形的基本規(guī)律；文獻(xiàn)[3]通過理論預(yù)測(cè)計(jì)算得到的沉降值與西安地鐵某區(qū)間隧道的地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[4]以成都砂卵石地層中地鐵1 號(hào)線的土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)施工為研究背景，采用室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法，揭示了土壓平衡式盾構(gòu)穿越砂卵石地層的失穩(wěn)機(jī)制和沉降規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際施工參數(shù)和實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[5]分析了城市淺埋隧道開挖引起地表沉降的主要影響因素，并建立了基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)淺埋隧道開挖地表沉降預(yù)測(cè)模型。

以上研究主要從理論分析及數(shù)值模擬對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降進(jìn)行分析，而對(duì)淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂層地表沉降采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的分析方法甚少。為此，本文依托佛山地鐵2號(hào)線工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)在淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂層中造成的地表橫斷面沉降和縱斷面變形進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程概述

花卉世界站—仙涌站區(qū)間線路出花卉世界站后，沿佛陳公路向東北方向前行，先下穿文登河，然后依次下穿2座文登河公路箱涵。區(qū)間隧道采用土壓平衡式盾構(gòu)，左線隧道先施工，右線隧道后施工。隧道內(nèi)徑5.4 m，管片厚度300 mm，平面最小曲線半徑為600 m，左、右線線間距12.0～14.4 m。區(qū)間縱斷面為V型坡，最大縱坡24‰，豎曲線半徑為5 000 m，隧道拱頂埋深為6.0～20.5 m。

擬建區(qū)間附近地表水主要為線路北側(cè)的文登河，寬約14.7 m，水深約4.4 m，常年有水，水流緩慢，水量豐富。

1.2 地質(zhì)條件

區(qū)間斷面地層從上至下依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、中粗砂、全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。區(qū)間盾構(gòu)主要穿越淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂地層，其典型斷面地質(zhì)條件如圖1～2所示。

a) 斷面1

b) 斷面2

c) 斷面3

d) 斷面4

a) 斷面5

b) 斷面6

c) 斷面7

d) 斷面8

2 施工監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向沿隧道中軸線間隔布置，橫向以左、右隧道中軸線為中心等間距布置。主要對(duì)淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂層8個(gè)典型斷面(見圖1～2)進(jìn)行分析。各典型斷面概況見表1。淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂層典型斷面的線間距分別為14.4 m及12.0 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置分別如圖3和圖4所示。

表1 各典型斷面概況

3 淤泥質(zhì)土層沉降監(jiān)測(cè)分析

以斷面3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為代表，對(duì)淤泥質(zhì)土層橫斷面沉降槽進(jìn)行分析。

3.1 單線掘進(jìn)橫斷面沉降槽分析

盾構(gòu)刀盤位于監(jiān)測(cè)斷面3后方3環(huán)時(shí)，地表產(chǎn)生微隆起，最大變形量為1.2 mm，如圖5所示。當(dāng)?shù)侗P位于監(jiān)測(cè)斷面3前方10環(huán)時(shí)，盾構(gòu)通過監(jiān)測(cè)斷面，管片脫出盾構(gòu)機(jī)，地表變形量迅速增加，地表最大沉降值為5.2 mm；隨著盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)，由于淤泥質(zhì)土受前期盾構(gòu)施工的擾動(dòng)，后期固結(jié)沉降量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，地表沉降持續(xù)增大，最大沉降值達(dá)到5.2 mm。在淤泥質(zhì)土層中，單線隧道施工引起的地表橫向沉降曲線近似為V型分布，最大沉降發(fā)生在線路中線。隧道掘進(jìn)引起的橫向地表沉降主要分布在隧道中線兩側(cè)1.5D范圍(D為隧道直徑)，距中線2.0D以外區(qū)域幾乎不受影響。

圖3 淤泥質(zhì)土層典型斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

圖4 粉細(xì)砂層典型斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

圖5 淤泥質(zhì)土層單線掘進(jìn)橫斷面地表沉降實(shí)測(cè)曲線

3.2 雙線掘進(jìn)橫斷面沉降槽分析

單線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，地表橫向沉降主要分布在距各自隧道中線1.5D范圍內(nèi)，當(dāng)隧道線間距為2.3D時(shí)，左右線隧道主要影響區(qū)相交，理論上最終的沉降曲線仍為V字型，且沿中軸線對(duì)稱分布;而實(shí)際地表累計(jì)沉降曲線對(duì)稱軸偏向左線隧道(先行隧道)，如圖6所示。左線隧道(先行隧道)地表累計(jì)沉降大于右線隧道(后行隧道)，最大沉降量分別為5.6 mm和7.2 mm。主要原因是成型隧道通過在管片壁后進(jìn)行同步注漿和二次注漿，改善了隧道周圍的土體，減少了土體的孔隙率和含水率，整體上提高了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使得后行隧道對(duì)先行隧道的影響小于先行隧道對(duì)后行隧道的影響。

圖6 淤泥質(zhì)土層雙線掘進(jìn)橫斷面地表沉降實(shí)測(cè)曲線

3.3 變形過程分析

地表沉降除與地層有關(guān)，盾構(gòu)姿態(tài)、土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度、同步注漿和二次注漿等盾構(gòu)施工參數(shù)也起著控制性作用。對(duì)于不同的斷面，由于盾構(gòu)參數(shù)的差異，地表沉降會(huì)有所不同，但沉降曲線趨勢(shì)基本一致。根據(jù)刀盤與測(cè)點(diǎn)的位置可將地表沉降劃分為先行沉降、開挖面沉降和隆起、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、后續(xù)沉降等5個(gè)階段[6]。

盾構(gòu)刀盤在淤泥質(zhì)土層中，土倉(cāng)內(nèi)壓力容易控制，施工過程中一般控制土倉(cāng)內(nèi)壓力稍大于掌子面土體壓力，盾構(gòu)前方土體受到一定擠壓，使得開挖面前方地層有少量隆起，如圖7所示。盾構(gòu)機(jī)通過階段，地層逐步退出土倉(cāng)壓力擠壓影響范圍, 同時(shí)由于盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整、管片拼裝時(shí)的千斤頂回縮以及盾殼與地層間摩阻力引起的“背土”等原因, 地層會(huì)發(fā)生較小的沉降。由于淤泥質(zhì)土靈敏度高、含水量大，管片脫出盾構(gòu)機(jī)盾尾后，受擾動(dòng)地層固結(jié)、漿液凝固、孔隙水壓力消散等引起位于該區(qū)域內(nèi)的斷面地層損失率總體呈線性增大，表現(xiàn)為地表沉降逐漸增加，所產(chǎn)生的地層沉降占施工導(dǎo)致的地層沉降的絕大部分。同時(shí)因盾構(gòu)施工擾動(dòng)的淤泥質(zhì)土固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，后續(xù)地表沉降會(huì)持續(xù)增大。

圖7 淤泥質(zhì)土層左線縱向地表沉降時(shí)程曲線

4 粉細(xì)砂地層沉降監(jiān)測(cè)分析

以斷面5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為代表，對(duì)粉細(xì)砂層橫斷面沉降槽進(jìn)行分析。

4.1 單線掘進(jìn)橫向沉降槽分析

盾構(gòu)刀盤位于監(jiān)測(cè)斷面5后方11環(huán)到后方7環(huán)時(shí)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)幾乎沒有變化，表明盾構(gòu)掘進(jìn)還未對(duì)監(jiān)測(cè)斷面產(chǎn)生擾動(dòng)；盾構(gòu)刀盤位于監(jiān)測(cè)斷面5后方3～4環(huán)時(shí)，由于掘削面土體因土艙壓力不足而向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，盾構(gòu)前方土體將發(fā)生向下和向后的移動(dòng)，造成地表產(chǎn)生沉降，最大沉降為5.0 mm；當(dāng)?shù)侗P位于監(jiān)測(cè)斷面5前方3環(huán)時(shí)，左線隧道上方發(fā)生明顯的地表沉降，最大沉降量達(dá)到10.5 mm；當(dāng)盾構(gòu)管片環(huán)脫離盾尾時(shí)，盾構(gòu)殼體與管片之間存在空隙，而同步注漿施工和漿液硬化存在的滯后性，建筑空隙不能及時(shí)被填充,同時(shí)粉細(xì)砂自穩(wěn)性差，從而引起地層突然產(chǎn)生較大的沉降，最大沉降量達(dá)到21.7 mm。隨著漿液的硬化，盾構(gòu)施工對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的影響越來越小，而粉細(xì)砂層后期沉降量又較小，最終地表沉降保持穩(wěn)定。

在粉細(xì)砂地層，單線施工引起的地表沉降曲線形態(tài)近似為V型分布曲線，最大沉降發(fā)生在線路中線。隧道掘進(jìn)引起的橫向地表沉降主要分布在隧道中線兩側(cè)1.0D范圍，距中線1.5D以外區(qū)域幾乎不受影響，如圖8所示。

圖8 粉細(xì)砂地層單線掘進(jìn)橫斷面地表沉降實(shí)測(cè)曲線

4.2 雙線掘進(jìn)橫向沉降槽分析

單線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，地表橫向沉降主要分布在距各自隧道中線1.0D范圍內(nèi)，當(dāng)隧道線間距為2D時(shí)，左、右線隧道主要影響區(qū)不相交，疊加的沉降曲線呈W型分布，雙線最大地表沉降量較單線最大地表沉降量變化不大，如圖9所示。左、右線地表最大沉降發(fā)生在各自中線偏內(nèi)側(cè)(左、右線隧道間為內(nèi)側(cè))，隧道間的地表沉降大于隧道外側(cè)地表沉降，且左線隧道(先行隧道)地表沉降大于右線隧道(后行隧道)地表沉降，最大沉降累計(jì)量分別為25.3 mm和23.4 mm。

圖9 粉細(xì)砂地層雙線掘進(jìn)橫斷面地表沉降實(shí)測(cè)曲線

4.3 變形過程分析

由于粉細(xì)砂沒有黏聚力，土倉(cāng)、螺機(jī)內(nèi)渣土的和易性差，流速不穩(wěn)定，容易引起掌子面土壓力波動(dòng)劇烈，從而導(dǎo)致同一地層不同斷面先行沉降，與開挖面沉降差異很大，如圖10所示。粉細(xì)砂自穩(wěn)性極差，無法形成坍落拱，在刀盤與盾殼、盾殼與管片之間的空隙中土體失去支撐，容易發(fā)生較大變形，故在粉細(xì)砂地層中，地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)開挖和盾尾脫出盾構(gòu)機(jī)階段。

圖10 粉細(xì)砂地層左線縱向地表沉降時(shí)程曲線

5 不同斷面地表沉降對(duì)比分析

5.1 淤泥質(zhì)土層沉降槽對(duì)比

通過Peck公式對(duì)地表沉降進(jìn)行擬合，如圖11所示。除了斷面2外，其他3個(gè)斷面的擬合結(jié)果都比較好，表明Peck公式擬合淤泥質(zhì)土層地表沉降與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際值偏差不大。由表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在淤泥質(zhì)土層中，盾構(gòu)埋深越深，最大地表沉降量越小，且沉降槽寬度越小。這是因?yàn)槎軜?gòu)埋深越淺，地表離盾構(gòu)越近，地表土體受到的擾動(dòng)就越大，因而造成的地層損失、沉降和隨后的固結(jié)沉降也越大，沉降槽也越大。

5.2 粉細(xì)砂地層沉降槽對(duì)比

通過Peck公式對(duì)地表沉降進(jìn)行擬合，如圖12所示，除了斷面7外，其他3個(gè)斷面的擬合結(jié)果都比較好，表明Peck公式擬合粉細(xì)砂地層地表沉降與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際值偏差不大。由于粉細(xì)砂層無黏聚力，下層土體的坍塌會(huì)引起上層粉細(xì)砂的失穩(wěn)，故盾構(gòu)埋深越深，最大地表沉降量越小，而沉降槽寬度越大，如表3所示。

a) 斷面1

b) 斷面2

c) 斷面3

d) 斷面4

表2 淤泥質(zhì)土地層監(jiān)測(cè)斷面擬合結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 在淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂地層中，后行隧道對(duì)先行隧道的影響小于先行隧道對(duì)后行隧道，施工中可以對(duì)靠近重要建筑物的隧道先施工。

表3 粉細(xì)砂土層監(jiān)測(cè)斷面擬合結(jié)果

(2) 在同一埋深條件下，盾構(gòu)施工對(duì)粉細(xì)砂地層的影響大于對(duì)淤泥質(zhì)土層的影響。

(3) 對(duì)于淤泥質(zhì)土層，盾構(gòu)埋深越深，最大地表沉降量越小，沉降槽寬度越小；而對(duì)于粉細(xì)砂地層，盾構(gòu)埋深越深，最大地表沉降量越小，而沉降槽寬度越大。

(4) 在淤泥質(zhì)土層中，地表沉降主要發(fā)生在管片脫出盾尾和后期的固結(jié)沉降階段；在粉細(xì)砂地層中，地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)掘進(jìn)和管片脫出盾尾階段。

a) 斷面5

b) 斷面6

c) 斷面7

d) 斷面8

圖12 粉細(xì)砂地層各監(jiān)測(cè)斷面沉降槽對(duì)比

(5) 當(dāng)線間距大于2倍盾構(gòu)主要影響范圍，最終的沉降槽成W型;當(dāng)線間距小于2倍盾構(gòu)主要影響范圍，最終的沉降槽成V型。