盾構(gòu)施工對上軟下硬地層的沉降分析及防控措施

肖國微，王丁杰

（1、廣東省基礎(chǔ)工程集團有限公司 廣州510620；2、中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢430074）

0 引言

隨著我國城市地下綜合管廊（簡稱“綜合管廊”）建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)法施工在綜合管廊中的應(yīng)用也日益普遍。盾構(gòu)在施工過程中，工程地質(zhì)條件是影響地層擾動以及變形的重要因素。上軟下硬地層是盾構(gòu)施工中一種常見的復(fù)雜地質(zhì)條件，因上部軟弱土體強度較小，穩(wěn)定性較差，而下部硬巖力學(xué)性能較好，盾構(gòu)在掘進過程中易使盾構(gòu)姿態(tài)失穩(wěn)，造成土體超挖，引起較大的地層損失，甚至嚴重的地表沉降等工程問題。

國內(nèi)外學(xué)者通過對復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進所引起的地表沉降等問題，做了一系列的研究與分析，并給出了相應(yīng)的工程建議。文獻［1-3］利用對盾構(gòu)隧道在上軟下硬的工程地質(zhì)條件下，施工引起的橫向地表沉降進行預(yù)測，并通過與實測數(shù)據(jù)的對比分析以驗證預(yù)測模型的可靠性。文獻［4-9］根據(jù)不同的地質(zhì)情況選擇合適的掘進參數(shù)，合適的施工參數(shù)可以有效地提高掘進效率，減少刀具磨損以及保持開挖面穩(wěn)定。

但以上研究只是針對籠統(tǒng)意義上的復(fù)合地層，所研究的復(fù)合土層僅是軟硬土比例各一半，未對地層形式進行細化分析，與工程實際結(jié)合得不太貼切。本文采用在不同軟硬巖高度比的概念去分析支護壓力等施工參數(shù)，結(jié)合工程需求去精細化、優(yōu)化施工過程，減少對地層的擾動和破壞，避免造成不必要的損失。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州某地下綜合管廊與道路快捷化改造配套工程是廣州市政府重點建設(shè)項目，全長約為16.3 km，管廊盾構(gòu)段全場約2.65 km，隧道直徑為6 000 mm，管片厚度300 mm，內(nèi)徑5 400 mm，環(huán)寬1 500 mm，采用一臺直徑為6 300 mm的土壓平衡式盾構(gòu)機，機身長度為8 750 mm。

1.2 工程地質(zhì)

據(jù)地質(zhì)鉆探資料表明，盾構(gòu)段主要出露①第四系人工填土層、②第四系全新統(tǒng)沖積層、③第四系上更新統(tǒng)沖積層及④殘積層、基巖為⑤三疊系和⑧石炭系等沉積巖。始發(fā)段地層主要為①2人工填土層、③4流塑淤泥質(zhì)土、④2可塑粉質(zhì)粘土、⑧1強風(fēng)化帶石灰?guī)r、⑧2微風(fēng)化石灰?guī)r；如圖1 所示。

圖1 區(qū)間隧道地質(zhì)剖面Fig.1 Interval Tunnel Geological Profile

在盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)僅有低洼處分布有零星的地表水，對工程基本無影響。地下水主要為上層滯水以及巖溶裂隙水，上層滯水主要賦存于人工填土層，為第四系孔隙性潛水，但含水量有限；巖溶裂隙水主要賦存在石炭系的石灰?guī)r和炭質(zhì)頁巖溶蝕裂隙中，水位埋深一般介于1.40～3.50 m 之間，故在模型中設(shè)置水位為2.14 m，不考慮地下水與土體的耦合作用。

1.3 施工難點

由于盾構(gòu)掘進路線中存在同一斷面巖性不均一的土體，這給掘進施工造成極大的困難。盾構(gòu)隧道線路周邊管線及建構(gòu)筑較多，需減少地表沉降以確保眾多建構(gòu)筑物的安全。隧道穿越巖溶發(fā)育強度不一的灰?guī)r以及上軟下硬地層，易造成上部土體沉降量過大、刀具磨損嚴重、盾構(gòu)糾偏過大等問題。

2 地表沉降因素的分析以及施工參數(shù)的選定

2.1 地表沉降因素分析

在盾構(gòu)掘進過程中，引起地層損失以及地層固結(jié)沉降的因素是極其復(fù)雜的，其主要因素可總結(jié)為以下幾個方面［10-11］:

2.1.1 掘進壓力

當盾構(gòu)推進施工時，挖掘面土體的水平支護力與原始側(cè)應(yīng)力的平衡關(guān)系決定著地表的沉降或隆起。當土體受到的水平支護應(yīng)力過小時，掘進面上方的土體為彌補地層損失而向隧道內(nèi)部移動，從而導(dǎo)致土體沉陷；當開挖面土體所受水平支護力大于原始側(cè)應(yīng)力時，則掘進面上部土體會向前或向上位移，引起掘進面前部土體隆起。

2.1.2 注漿壓力

當盾構(gòu)機尾部脫出后，因盾構(gòu)外徑和管片之間存在一定的間隙，造成土體應(yīng)力松弛，從而引起地層下沉，適宜的注漿壓力以及注漿量會在一定程度上對沉降量起到控制作用。其作用效果受注漿壓力以及漿液參數(shù)等因素影響，如若注漿壓力過小，則控制效果不明顯，反之，則會導(dǎo)致地表隆起。

2.1.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)機在沿曲線或“仰頭”推進時，需對盾構(gòu)的姿態(tài)進行連續(xù)糾偏，而盾構(gòu)實際的挖掘面不是規(guī)則圓而是橢圓，會導(dǎo)致土體超挖的現(xiàn)象發(fā)生，增大了地層損失的可能性，進而引發(fā)地表沉降。

2.2 模擬土層的選取

2.2.1 土層復(fù)合高度比

在分析過程中，為了能夠更好地對不同比例的上軟下硬復(fù)合地層進行理解，引用軟硬復(fù)合地層高度比B的概念［5］，如圖2 所示。

圖2 某綜合管廊盾構(gòu)區(qū)間復(fù)合地層示意圖Fig.2 Composite Stratigraphic of a Integrated Tunnel Shield Section

軟硬復(fù)合地層高度比B 是指隧道斷面軟弱部分的高度與隧道斷面總高度（隧道直徑）之比：

式中：B 為軟硬復(fù)合地層的高度比；h 為上部軟弱地層的高度；H 為隧道斷面總高度。

2.2.2 分析斷面的選取

當盾構(gòu)在不同地層中掘進時，為了能夠使對比更加直觀和簡便，選取5個埋深約為18 m的典型斷面，斷面（1）、斷面（2）、斷面（3）、斷面（4）、斷面（5）分別相對于隧道位置的354 環(huán)、398 環(huán)、446 環(huán)、485 環(huán)和527環(huán)，其斷面的軟硬土高度復(fù)合比依次為100%、75%、50%、25%、0%。分別在以上管片所對應(yīng)的位置設(shè)置監(jiān)測點，以軸線為中心，測點以3 m、3 m、5 m的距離相隔，如圖3 所示。

圖3 隧道典型斷面位置示意圖Fig.3 Location of Typical Section of Tunnel

3 Midas 有限元模擬

依據(jù)關(guān)于軟硬復(fù)合地層高度比定義的闡述，結(jié)合實際地層分布情況以及地勘資料，本文選用Midas GTS 構(gòu)建5個不同高度比地層的三維有限元模型，來分析在盾構(gòu)隧道掘進過程中，支護壓力的選取對不同復(fù)合比地層的地層沉降影響分析。

3.1 模型的尺寸和網(wǎng)格劃分

本節(jié)擬建立5個大小為80 m（x）×140 m（y）×50 m（z）的隧道分析模型，單元數(shù)總共為36 963個。盾構(gòu)穿過軟硬復(fù)合高度比分別為100%（模型1）、75%（模型2）、50%（模型3）、25%（模型4）、0%（模型5）的典型斷面所在的地層。在三維有限元分析模型中，除盾殼、注漿層、隧道襯砌管片采用2D 板單元模擬外，其余材料均為3D 實體單元。其所分析的三維計算模型如圖4 所示。

圖4 有限元計算模型Fig.4 Finite Element Model

3.2 邊界條件

在盾構(gòu)隧道施工階段應(yīng)力分析中，主要有3 種邊界條件需要考慮；第1 種為位移邊界條件，即對模型土體周圍施加相對應(yīng)的約束（模型前后面約束x 方向移動；左右面約束方向y 移動；模型底部約束x、y、z 方向移動），以此來防止模型的軸向位移和轉(zhuǎn)動，Midas GTS的自動位移邊界能夠滿足所研究對象的位移邊界需求。

3.3 材料參數(shù)的設(shè)定

依據(jù)綜合管廊盾構(gòu)段詳細勘察報告以及相關(guān)經(jīng)驗和規(guī)范，該盾構(gòu)隧道內(nèi)各土層、材料的參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 土層材料參數(shù)Tab.1 Soil Material Parameters

表2 材料參數(shù)Tab.2 Material Parameters

3.4 施工階段模擬

施工階段的模擬是以實際開挖工序為基礎(chǔ)，借助Midas GTS 施工階段應(yīng)力分析完成數(shù)值計算。注漿壓力以及千斤頂力的選定，均根據(jù)施工方案以及理論計算的優(yōu)化，如表3 所示。

表3 模擬開挖參數(shù)Tab.3 Simulated Excavation Parameters

4 數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析

分別將5個典型斷面與其監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，其整體沉降云如圖5 所示。

圖5 模型整體沉降云圖Fig.5 Model Overall Settlement Cloud Map

受文章篇幅所限，本節(jié)僅取模型1 截面的沉降曲線進行分析，為了減小邊界效應(yīng)，分析斷面為y=40的中間斷面，如圖6 所示。

圖6 模型1 斷面橫向沉降曲線Fig.6 Model 1 Lateral Settlement Curve

由圖7 可知：由于實際施工中的多重因素對地表沉降產(chǎn)生影響，典型斷面數(shù)值模擬的沉降槽與監(jiān)測數(shù)據(jù)稍有差異，但形態(tài)大體相同，均符合盾構(gòu)開挖致使地表沉降的分布形態(tài)規(guī)律。在隧道目標斷面的軸線處對應(yīng)了地表沉降的最大值，隨著軟硬土復(fù)合高度比的逐漸減小（軟土厚度逐漸減?。?，其沉降值也在不斷降低，100%軟土模型斷面沉降值為4.09 mm，0%軟土的沉降值為2.20 mm。隨著分析模型軟硬土復(fù)合高度比的減小，與軸線距離相同點所對應(yīng)的沉降量也逐漸減小，其沉降槽的寬度逐漸變小。

圖7 橫向地表沉降實測與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of Measured and Simulated Data of Axial Surface Subsidence

5 復(fù)合地層中的沉降控制措施

5.1 姿態(tài)控制應(yīng)對措施

盾構(gòu)在上軟下硬土地層中掘進過程中，由于軟硬土的力學(xué)性質(zhì)差異會造成刀盤受力不均，盾構(gòu)的姿態(tài)容易改變，造成盾構(gòu)的姿態(tài)以及掘進方向的控制較困難。因此采取以下措施：

⑴盾尾與主體的連接方式為鉸接式，以減小盾構(gòu)的長徑比，使盾構(gòu)在調(diào)節(jié)方向時更加靈活。

⑵定期人工測量復(fù)核

為確保盾構(gòu)機掘進方向的可靠性和精準性，盾構(gòu)機內(nèi)裝有SLS-T 盾構(gòu)激光導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Χ軜?gòu)掘進姿態(tài)、軸線以及位置關(guān)系等進行精確的測量和顯示。除此之外，對該系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行周期性的人工校核，以確保盾構(gòu)機能夠沿隧道軸線方向掘進。

⑶在圓周方向設(shè)置4 組推進油缸，每組油缸的推進壓力可以單獨控制調(diào)節(jié)，方便進行糾偏及偏選油壓，以便能夠及時準確地調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)和掘進方向。

⑷刀盤四周加裝8 把保徑刀，確保刀盤在主切削刀磨損后仍能保證開挖范圍，減少盾構(gòu)姿態(tài)糾偏或形成卡筒體情況。

5.2 刀盤受力不均的應(yīng)對措施

在盾構(gòu)的掘進過程中，因刀盤直徑范圍內(nèi)的土體力學(xué)性能差異較大，易造成刀盤和刀具的不均勻磨損以及頻繁地更換刀具等問題，偏磨后的刀具在開挖過程中進一步加大了盾構(gòu)姿態(tài)控制的困難程度。

⑴做好地質(zhì)勘探的補充工作，在地層起伏交界處進行鉆孔取樣，查清上軟下硬地層的具體情況。在盾構(gòu)掘進過程中根據(jù)碴土情況以及軟硬巖的比例，及時調(diào)整掘進參數(shù)。

⑵在上軟下硬地層中，因上層土體力學(xué)性能相對較差，盾構(gòu)機姿態(tài)易出現(xiàn)上抬現(xiàn)象，應(yīng)當合理控制千斤頂?shù)耐七M油壓，以確保盾構(gòu)機能按照設(shè)計線路掘進。

⑶在上軟下硬地段掘進中，盾構(gòu)機應(yīng)采用高推力、低轉(zhuǎn)速，以減少刀具與巖土分界面的沖擊，以期達到降低磨損的效果。

5.3 盾構(gòu)機具的防磨損措施

由于盾構(gòu)機在含高強度巖層中進行長距離的掘進，刀盤、刀具和螺旋輸送機都會受到較為嚴重的磨損，在盾構(gòu)掘進施工過程中，如何避免盾構(gòu)機關(guān)鍵部位的嚴重磨損，是本工程中需要解決的重難點問題。

⑴通過在刀盤前端及土倉內(nèi)注入足量的流塑狀粘土，對刀盤、刀具以及碴土之間起到全面的潤滑作用，以達到改善碴土和易性的目的，形成不透水的塑流性土層，建立良好的土壓平衡形態(tài)，從而減低機具的磨損程度，提高盾構(gòu)掘進效率。

⑵在盾構(gòu)機選型中適當加大刀盤開率，選用鑲嵌合金塊的寬刃滾刀和重型齒刀，其中心為魚尾刀，周邊為單刃滾刀，滾刀兩側(cè)同一軌跡線加焊貝殼刀來保護滾刀（貝殼刀比滾刀短5～10 mm）；實踐證明此措施能夠有效降低無功消耗，提高盾構(gòu)的掘進效率。

⑶推進時采用土壓平衡模式掘進，其推進速度、掘進壓力以及扭矩等施工參數(shù)要根據(jù)軟硬土比例的不同進行調(diào)整和控制，還應(yīng)經(jīng)常轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向。通過嚴格盾構(gòu)掘進壓力、推進速度、推力以及刀盤扭矩等參數(shù)，既可保持開挖面的平衡和穩(wěn)定，又有利于保護刀具、降低磨損。

⑷加強刀盤的整體耐磨性，在刀盤面、進碴口、刀盤輪緣等部位進行焊接耐磨塊等處理。

⑸進行有計劃的刀具檢查、更換，根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗，及時根據(jù)掘進參數(shù)的變化判斷刀具的磨損量和適應(yīng)性。

⑹合理調(diào)整發(fā)泡劑參數(shù)，以改善碴土的流動性及降低土倉的溫度，能夠有效地降低刀具磨損以及偏磨的程度。

6 結(jié)論

通過模擬分析的土體沉降情況與實測數(shù)據(jù)比對后有較好的吻合，從而得出一些關(guān)于上軟下硬土的結(jié)論。其總結(jié)如下：

⑴沉降曲線以隧道軸線為對稱軸，且在隧道軸線處對應(yīng)著地層沉降的最大值。其地層沉降形態(tài)呈近似正態(tài)曲線分布，與peck 沉降槽大致相似。

⑵因地層軟硬土復(fù)合高度比不同，目標橫斷面的沉降槽的寬度和沉降量也不盡相同，隨著開挖面范圍內(nèi)的上軟下硬土的復(fù)合高度比的增大，其沉降量也逐漸增大。

⑶在全軟土地層掘進過程中，因土層地質(zhì)條件較差，掘進壓力控制值較小，其地層沉降和隆起值均較大；反之，在全硬土地層中，地質(zhì)條件較好的情況下，對應(yīng)的掘進壓力較大，其地層沉降和隆起值均減小，其結(jié)論與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)符合。

⑷當掘進距離大于1 倍的盾構(gòu)外徑時，其地表沉降量較??；在盾構(gòu)1 倍外徑以內(nèi)至過斷面以后，地表沉降量持續(xù)大幅度增加，但在2～3 倍盾構(gòu)外徑以外增幅降低并逐漸趨于穩(wěn)定。

⑸結(jié)合工程中盾構(gòu)區(qū)間的施工技術(shù)方案、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及有限元模擬數(shù)據(jù)等進行分析和總結(jié)，給出相應(yīng)的施工措施，以期達到控制地表沉降的要求。