復(fù)合地層盾構(gòu)隧道施工環(huán)境影響及參數(shù)敏感性研究

朱小藻

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101110）

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市地下交通系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入了全面發(fā)展階段，地下鐵路、輕軌電車、旅客捷運系統(tǒng)（APM）及地下交通樞紐等地下工程日益增加［1-3］。在上海、廣州等沿海一線城市，富水軟弱的地質(zhì)條件和錯綜復(fù)雜的地下環(huán)境給地下工程施工帶來了大量的困難與風(fēng)險［4-7］。地鐵施工時，由于上軟下硬地質(zhì)、遇水易崩解、含水層分布復(fù)雜等特點，盾構(gòu)施工會對臨近構(gòu)筑物和周圍巖土環(huán)境產(chǎn)生擾動［8-11］。在花崗片麻巖風(fēng)化地層中進(jìn)行車站基坑開挖和區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)，容易發(fā)生流土、管涌、地陷甚至整體失穩(wěn)等工程事故，尤其在建筑密集區(qū)域［12］，地鐵施工的潛在風(fēng)險和環(huán)境效應(yīng)問題更為突出。

廣州地鐵21號線中新站至中新東站隧道工程，通過工程環(huán)境調(diào)查和施工數(shù)據(jù)監(jiān)控，對風(fēng)化花崗片麻巖復(fù)合地層中雙線隧道盾構(gòu)施工及其周圍環(huán)境影響進(jìn)行分析，探究上軟下硬復(fù)合地層中雙線隧道施工的環(huán)境影響機(jī)制，討論環(huán)境影響與施工參數(shù)、措施和地質(zhì)條件的聯(lián)系，從而減少隧道施工對周圍環(huán)境的影響，防止工程地質(zhì)災(zāi)害，同時對廣州地區(qū)的地下工程施工也有較大的借鑒意義。

2 工程概況

廣州地鐵21號線工程中新站-中新東站地鐵區(qū)間全長1.733 2 km，分左右線。中新站線間距24.0 m，中新東站線間距13.0 m。隧道區(qū)間分別設(shè)1#、2#聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)域A1～A3為右線隧道沉降發(fā)展研究區(qū)域，B1～B3為左線隧道沉降發(fā)展研究區(qū)域，平面布置如圖1。

圖1 廣州地鐵21號線中新站至中新東站工程平面布置圖

3 監(jiān)測與環(huán)境影響分析

3．1 測點布置

左右線隧道每隔5 m設(shè)置一個地表沉降監(jiān)測點，每隔3～5個測點設(shè)置一個周圍環(huán)境監(jiān)測點，環(huán)境監(jiān)測點沿隧道線路的正交方向向兩邊布設(shè)各兩個沉降監(jiān)測點，每5 m設(shè)一個。周圍環(huán)境地表沉降及隧道變形監(jiān)測點的布設(shè)如圖2。

圖2 周圍環(huán)境地表沉降及隧道變形監(jiān)測點布設(shè)

3．2 右側(cè)影響分析

3．2．1 沿線地表沉降分析

圖3為右線隧道監(jiān)測點的地表沉降變化圖（共325個）。從圖中可以看出，右線隧道沿線地表沉降變化范圍在-1.3～-73.88 mm之間，其中一半的測點超過沉降限制30 mm，在工程中進(jìn)行了緊急注漿加固。

圖3 中新站至中新東站隧道右線沿線沉降變化

3．2．2 監(jiān)測點地表沉降分析

圖4～圖6分別描述了隧道沿線A1～A3三個區(qū)域的沉降發(fā)展情況。圖5所示，這一區(qū)域的沉降變化基本符合隧道開挖地表縱向沉降計算理論，開始地表發(fā)生先行沉降和開挖面前沉降的監(jiān)測值較小，由于盾構(gòu)推進(jìn)較快，因而推進(jìn)沉降在圖4中沒有明顯表現(xiàn)。該區(qū)域發(fā)生了較為明顯的盾尾空隙沉降，而在盾尾注漿完成后，地表沉降大致趨于穩(wěn)定，后續(xù)為固結(jié)沉降。圖5描繪了A2監(jiān)測區(qū)的地表沉降發(fā)展變化。與A1監(jiān)測區(qū)監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展明顯不同的是，該區(qū)域在先行沉降和開挖面前沉降階段發(fā)生了較大的隆起，查閱盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，該段盾構(gòu)土倉壓力和刀盤扭矩相較之前而言有較大的增加，因而推測在開挖面到達(dá)監(jiān)測點之前，因為盾構(gòu)推力參數(shù)過大，盾構(gòu)前方土體受到過度擠壓，導(dǎo)致該段土壓力失衡，引起監(jiān)測點地表隆起。總體上看，該段地表在發(fā)生隆起之后，最終沉降值減小。在A3監(jiān)測區(qū)，該區(qū)域的沉降發(fā)展過程呈現(xiàn)出了與其他區(qū)域不一樣的變化趨勢，如圖6所示，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在機(jī)頭到達(dá)監(jiān)測點之前的先行沉降和開挖面前沉降就產(chǎn)生了較大的沉降值，查閱施工參數(shù)，由于該段前方掘進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速較快，在機(jī)頭到達(dá)前，盾構(gòu)施工已經(jīng)對開挖面前方的該段監(jiān)測點軟土產(chǎn)生了較大的擾動，導(dǎo)致先行沉降加大。另外，由于該段處于房屋密集區(qū)域，根據(jù)監(jiān)測兩側(cè)房屋沉降，對兩側(cè)房屋鄰近隧道一側(cè)進(jìn)行了緊急注漿，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，第15 d到18 d該段地表高程發(fā)生了小幅度隆起。

圖4 A1區(qū)域Y15～Y17-4監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展變化

圖5 A2區(qū)域Y29～Y34監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展變化

圖6 A3區(qū)域Y206～Y209監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展變化

3．2．3 橫斷面沉降槽分析

選取沉降槽有代表性的Y117和Y33兩個點進(jìn)行分析。

圖7是監(jiān)測點Y117處的橫斷面沉降槽變化圖。該監(jiān)測點的地表沉降槽穩(wěn)定后均呈“V”字型，隧道軸線處的監(jiān)測點沉降變化最為明顯，從軸線向兩邊，沉降槽的沉降量逐漸減小，隨時間的增加量也相對較小，且兩側(cè)沉降較為對稱。此外，沉降槽的形成基本集中在盾構(gòu)刀盤通過后的前6 d，之后沉降槽基本不再發(fā)生變化，Y117測點沉降槽凹陷程度較為平緩。

圖7 Y117監(jiān)測點處橫斷面沉降槽變化

圖8 為監(jiān)測點Y33處的橫斷面沉降槽變化圖。不同于監(jiān)測點Y117的橫斷面沉降槽，該處橫斷面沉降槽在先行沉降和開挖面前沉降階段發(fā)生了較大程度隆起。查閱施工日志，該點處由于隧道管片拼裝后隧道左右有錯臺變形現(xiàn)象。在盾構(gòu)通過后，對該點隧道兩側(cè)進(jìn)行了注漿，因此在1～7 d時，Y33-1和Y33-3兩點沉降量較小，該處上覆土體第四系沉積的黏土和粉細(xì)砂，在經(jīng)歷了盾構(gòu)施工、隆起和注漿擠壓等一系列的擾動之后，上覆軟土發(fā)生較大的擾動，固結(jié)沉降較大，導(dǎo)致Y33點的橫斷面最終沉降槽仍呈“V”字型分布，兩沉降槽范圍大小則由兩點處地質(zhì)條件和施工參數(shù)差異造成。

圖8 Y33監(jiān)測點處橫斷面沉降槽變化

3．3 左側(cè)影響分析

3．3．1 沿線地表沉降分析

圖9為左線隧道監(jiān)測點的地表沉降變化圖（共239個）。地表沉降同右線一樣沿線路起伏變化，地表沉降變化范圍在-2.1～-78.2 mm之間，大部分超過沉降限制點，施工中進(jìn)行了注漿加固。

圖9 中新站至中新東站隧道左線沿線沉降變化

如圖10所示，將隧道區(qū)間左右線隧道的沉降曲線放在同一坐標(biāo)系中比較，由于左線后于右線開挖，左線整體地表沉降值也較大，沉降曲線較右線更低。

圖10 中新站至中新東站隧道左右線沿線沉降變化

3．3．2 監(jiān)測點地表沉降分析

由于右線先于左線開挖，右線開挖對左線開挖及其最終沉降產(chǎn)生較大的影響。因而對左線監(jiān)測點的沉降發(fā)展模式進(jìn)行研究時，選取右線開挖對左線影響可能比較大的區(qū)域進(jìn)行分析。圖11描繪了B1監(jiān)測區(qū)的地表沉降發(fā)展變化，在隧道右線相應(yīng)位置的沉降大致在-25 mm左右，而該區(qū)域測點的沉降穩(wěn)定值在-62 mm左右。除了右線先行開挖對左線產(chǎn)生的土體擾動之外，較大的沉降主要來源于上軟下硬地層交界面處開挖產(chǎn)生的土體擾動。該區(qū)域隧道底部位于硬巖花崗片麻巖全風(fēng)化帶向較軟的砂質(zhì)黏性土層過渡的位置。盾構(gòu)在硬巖中切削土體時需要較大的刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速和推力。盾構(gòu)從硬巖向軟土層過渡時，仍舊保持較高刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速，對上部軟土層造成較大擾動，使得軟土層固結(jié)沉降，造成最終地表沉降增大。圖12所示，B2區(qū)域隧道右線的監(jiān)測點發(fā)生了較大的地表沉降，同樣，在左線對應(yīng)的位置上也發(fā)生了較大的地表沉降，最大處達(dá)到了-65.4 mm，該區(qū)的地表發(fā)展模式為標(biāo)準(zhǔn)的“Mair隧道縱向沉降曲線”。圖13描繪了B3監(jiān)測區(qū)的地表沉降發(fā)展變化，4個監(jiān)測點均在開始監(jiān)測后的第9 d～13 d內(nèi)發(fā)生了明顯的沉降回彈，其中兩點甚至發(fā)生了地表隆起現(xiàn)象。查閱施工日志，盾構(gòu)在該區(qū)域前后穿越了含承壓水的花崗片麻巖強(qiáng)風(fēng)化帶。盾構(gòu)在穿越承壓含水層時，由于承壓水的影響引起了隧道管片的浮動，施工時對隧道進(jìn)行了緊急的二次注漿，漿液的注入引起了土層變形的反向回彈，使得地表沉降出現(xiàn)了短時隆起，而在漿液與土層混合加固之后，該監(jiān)測區(qū)的地表沉降又恢復(fù)了正常變化趨勢，但由于二次注漿的影響，該處周圍土體得到了固化，最終沉降較小，最大沉降穩(wěn)定在-16.1 mm左右，因此沉降曲線的非正常發(fā)展主要由二次注漿造成。

圖11 B1區(qū)域Z111～Z117監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展變化

圖12 B2區(qū)域Z181～Z185監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展變化

圖13 B3區(qū)域Z230～Z234監(jiān)測點的地表沉降發(fā)展變化

3．3．3 橫斷面沉降槽分析

選取監(jiān)測點 Z39和Z225兩處進(jìn)行分析。圖14～圖15分別是監(jiān)測點Z39和 Z225處的橫斷面沉降槽變化圖。左線隧道橫斷面沉降槽大多具有不對稱發(fā)展的趨勢，即靠右線隧道的地表沉降比另一側(cè)的地表沉降要大，呈現(xiàn)出“勺狀”的沉降槽。Z225測點位置的地表沉降逼近軸線位置地表沉降，這與雙線盾構(gòu)地面變形的“Peck疊加沉降槽”模式十分契合。如圖16中加粗黑線所示，雙線盾構(gòu)采用“Peck沉降曲線”相疊加的簡化計算理論可得到左線隧道的實際沉降槽曲線，正是呈Z225所監(jiān)測到的“勺狀”模式。Z39橫斷面距軸線5 m處的地表沉降超過軸線處地表沉降，查閱右線Y39點處最大地表沉降為-40.4 mm，大于Z39點處的-22.0 mm。由于地質(zhì)條件和施工差異，右線Y39處產(chǎn)生了比左線Z39處更大的獨立沉降槽，導(dǎo)致Z39處的沉降槽右側(cè)地表沉降超出隧道軸線沉降，其機(jī)理如圖17所示。

圖14 Z39監(jiān)測點處橫斷面沉降槽變化

圖15 Z225監(jiān)測點處橫斷面沉降槽變化

圖16 左線監(jiān)測點橫斷面沉降槽成因示意

圖17 Z39處橫斷面沉降槽實際形成機(jī)理

4 參數(shù)敏感性分析

4．1 灰色關(guān)聯(lián)度分析方法

灰色關(guān)聯(lián)分析方法主要用于判別一個系統(tǒng)中兩個因素發(fā)展趨勢的相似或相異程度，即“灰色關(guān)聯(lián)度”。若兩個因素的變化趨勢具有較高的相似性，可稱兩者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，若兩個因素的變化趨勢相似性較低，則稱兩者關(guān)聯(lián)程度較低。主要包含以下步驟：

（1）數(shù)據(jù)的無量綱化

首先將反映系統(tǒng)行為特征的指標(biāo)因素的所有數(shù)據(jù)建立一個參考數(shù)列x′0，將影響系統(tǒng)行為的影響因素的所有數(shù)據(jù)建立比較數(shù)列x′i；將每個因素中的所有數(shù)據(jù)都除以該因素所有數(shù)據(jù)的平均值，進(jìn)行無量綱化處理。

（2）關(guān)聯(lián)度系數(shù)計算

所謂關(guān)聯(lián)程度，實際上是各影響曲線之間幾何形狀的差別程度。因此曲線間在各狀態(tài)點的差值大小，可用于衡量因素間的關(guān)聯(lián)程度。各點關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ（xi）可由下列公式算出：式中，ρ為分辨系數(shù)，其取值一般在0～1．0之間，ρ值越小分辨能力越好，通常取 0．5；Δi（k）是參考數(shù)列與比較數(shù)列間差值的絕對值

（3）關(guān)聯(lián)度計算和排序

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個狀態(tài)點的關(guān)聯(lián)程度值，因此有必要將各個狀態(tài)點的關(guān)聯(lián)系數(shù)集成為一個具體的值。關(guān)聯(lián)度的值取所有關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值，記為ri，其計算公式如下：

4．2 參數(shù)敏感性

除地質(zhì)條件之外，盾構(gòu)掘進(jìn)時的施工參數(shù)也是影響地表沉降的一個重要因素。在上軟下硬的復(fù)合地層中，隧道開挖時重要的影響因素包括土倉壓力、盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、同步注漿量、同步注漿壓力、盾構(gòu)姿態(tài)偏移、盾尾間隙量等。廣州地鐵21號線中新站至中新東站隧道區(qū)間右線為實測施工參數(shù)與地表沉降，對盾構(gòu)總推力、土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和同步注漿壓力5個施工參數(shù)對地表沉降的影響大小按照表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

表1 灰色關(guān)聯(lián)度原始數(shù)列

得到各施工參數(shù)關(guān)于地表沉降的灰色關(guān)聯(lián)度為r2≈ r3＞r4＞r1＞r5，具體數(shù)值見表2各施工參數(shù)與地表沉降的灰色關(guān)聯(lián)度。即對地表沉降各施工因素的敏感性為：土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、同步注漿壓力。

表2 各施工參數(shù)與地表沉降的灰色關(guān)聯(lián)度

分析可得，盾構(gòu)開挖時，對地表沉降影響最大的因素為土倉壓力和刀盤扭矩。盾構(gòu)掘進(jìn)時，控制土倉壓力保證盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，是防止地表過度沉降或隆起最關(guān)鍵的措施。刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速對隧道穿越復(fù)合地層時地表沉降的影響也較大，由于所選監(jiān)測點均位于復(fù)合地層中，刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速的改變或不均衡均會導(dǎo)致上下地層的超挖和過度擾動。因此，復(fù)合地層中保證刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速的均衡協(xié)調(diào)也是減小周圍土體過度擾動、降低地表沉降的重要因素。相對于土倉壓力和刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速，地表沉降對盾構(gòu)的總推力敏感性較小。相對于開挖時的影響因素，同步注漿壓力對地表沉降的影響要小，但不代表同步注漿量對地表沉降的影響不大。

5 結(jié)論與建議

通過廣州地鐵21號線中新站至中新東站隧道施工中的實測數(shù)據(jù)，分析了盾構(gòu)穿越花崗巖殘積層復(fù)合地層時地表沉降發(fā)展規(guī)律及其與沿線地質(zhì)間的關(guān)系，研究了雙線隧道開挖間的相互影響及其沉降槽的變化規(guī)律。同時，針對實測中引起較大環(huán)境影響的一些問題提出盾構(gòu)施工的相關(guān)注意事項。經(jīng)過分析研究，可得到以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場監(jiān)測點地表沉降的發(fā)展與Mair提出的理論相符，存在先行沉降、開挖面前沉降、推進(jìn)沉降、盾尾空隙沉降和后續(xù)沉降五個階段。其中先行沉降和開挖面前沉降較小，大概占最終沉降的20%。盾構(gòu)未達(dá)到監(jiān)測點時，還可能因土倉壓力過大造成監(jiān)測點地表隆起。盾尾空隙沉降是盾構(gòu)開挖造成地表沉降的主要原因，大致占地表沉降的50%，盾尾空隙沉降一般在一天內(nèi)完成；后續(xù)沉降是隧道開挖引起的超凈孔隙水壓力消散導(dǎo)致的土體固結(jié)沉降，大致占最終沉降的10%。

（2）雙線隧道先行線開挖引起的地表沉降槽為“碗狀”，沉降中間大，兩端小，且左右對稱。從隧道軸線向兩側(cè)，沉降迅速減小，減小速度先快后慢。雙線隧道中后行線開挖引起的地表沉降槽為“勺狀”，左右不對稱，后行線地表沉降槽形狀受先行線影響，最大沉降點偏離雙線隧道的中心線，靠近先行線一側(cè)的沉降大，另一側(cè)沉降小。雙線隧道中后行線隧道的最終沉降并非“Peck疊加理論”簡單疊加的結(jié)果，先行隧道開挖對后行線圍巖條件引起的地層擾動和超凈孔隙水壓力等因素都將對后行線隧道周圍土體的變形沉降產(chǎn)生較大影響。

（3）地表沉降各施工因素的敏感性為：土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、同步注漿壓力。隧道開挖時，控制土倉壓力、保證開挖面穩(wěn)定是降低沉降的關(guān)鍵措施。同時，保證刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速的均衡也有利于控制地表沉降。

（4）復(fù)合地層中隧道施工易造成土體超挖、盾構(gòu)抬頭及盾構(gòu)磕碰等問題。施工時應(yīng)注意開挖面的土壓平衡，改變千斤頂?shù)暮侠砦恢茫乐苟軜?gòu)機(jī)抬頭。同時合理掌握注漿壓力，使注漿量、注漿流量與推進(jìn)速度等施工參數(shù)匹配，減小盾尾間隙沉降。