海域圍堰孤石地層超大直徑泥水盾構(gòu)掘進變形規(guī)律分析
——以汕頭海灣隧道盾構(gòu)段為例

李先進， 張文新， 陳海軍

(1. 廣州市南沙區(qū)建設(shè)中心, 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 511458；3. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，為確保城市軌道交通和市政工程中隧道及周邊環(huán)境的安全，盾構(gòu)法施工應(yīng)用日益廣泛。盾構(gòu)隧道施工會破壞原狀地層，打破原有的應(yīng)力平衡，引起隧道周圍土體變形，其變形大小則對新建隧道和周邊建(構(gòu)) 筑物的安全影響至關(guān)重要[1-3]。為此，隧道與地下工程技術(shù)科研人員在隧道施工中不斷總結(jié)不同盾構(gòu)類型、不同地層中的變形規(guī)律，為施工提供指導(dǎo)。文獻[4]分析了軟土地層中小凈距盾構(gòu)隧道施工的地表沉降規(guī)律。文獻[5-6]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析地鐵盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律。文獻[7-10]分析了砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的地表變形過程和分布規(guī)律。文獻[11]采用有限元數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)施工觸發(fā)隧道周圍土體位移變化規(guī)律。文獻[12]分析了圓礫地層雙線地鐵隧道分別采用泥水和土壓平衡盾構(gòu)施工時的地層沉降變形規(guī)律。文獻[13]分析了大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層橫向和縱向變形規(guī)律。文獻[14]采用室內(nèi)試驗與計算模擬相結(jié)合的方法，分析了全黏土地層泥水盾構(gòu)施工開挖面失穩(wěn)原因,提出了開挖面穩(wěn)定性控制措施。文獻[15]分析了粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律。

以上研究主要從理論和實際出發(fā)，針對軟土地層、砂卵石地層、黏土地層等盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律進行分析，但對于海域圍堰內(nèi)上軟下硬地層盾構(gòu)施工對地層的擠壓應(yīng)力、深層土體位移和地表沉降變化規(guī)律的綜合分析鮮見報道。本文結(jié)合汕頭海灣隧道海域圍堰內(nèi)加固區(qū)和回填區(qū)盾構(gòu)掘進施工，在加固區(qū)采用密鉆孔和回填區(qū)采用鉆孔爆破孤石、基巖的處理方式，分析盾構(gòu)掘進引起的地層變形規(guī)律，以期為類似工程積累經(jīng)驗。

1 工程概況

汕頭海灣隧道位于海灣大橋與礐石大橋之間，工程全長6 680 m，隧道長5 300 m，其中盾構(gòu)段為東線3 047.5 m、西線3 045.7 m的雙線隧道，于南岸圍堰內(nèi)始發(fā)井始發(fā)，依次掘進通過加固區(qū)、回填區(qū)、圍堰堤、拋石區(qū)、蘇埃灣、北岸大堤，至華僑公園內(nèi)接收。加固區(qū)和回填區(qū)平面如圖1所示。隧道內(nèi)徑為13.3 m，外徑為14.5 m；隧道管片環(huán)寬2 m、厚600 mm，為通用雙面楔形環(huán)，楔形量為48 mm，分10塊采用“7+2+1”模式錯縫拼裝。

圖1 加固區(qū)和回填區(qū)平面圖(單位： m)

海域圍堰內(nèi)加固區(qū)和回填區(qū)地層主要包含②1淤泥土、②3淤泥混砂、②4粉細(xì)砂、②5中粗砂、③1粉質(zhì)黏土、⑤1砂質(zhì)黏性土、⑥1全風(fēng)化花崗巖、⑥2強風(fēng)化花崗巖。施工區(qū)域存在較厚的②1淤泥層，地層上軟下硬差異大。上部淤泥地層具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、流塑性強的特點，易變形失穩(wěn)； 中部砂層富水，易發(fā)生涌水、涌砂； 下部強風(fēng)化、中風(fēng)化巖層巖石強度高，潛在大量孤石和基巖，分布不規(guī)則，孤石強度為80～100 MPa，基巖強度為100～140 MPa，掘進控制要求高。地層分類評價見表1。

表1 地層分類評價表[16]

南岸地下水與地表水呈互補關(guān)系。地下水劃分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水及塊狀巖類裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水的補給主要為大氣降水和垂直滲入補給。

2 加固區(qū)和回填區(qū)孤石處理

2.1 加固區(qū)孤石處理

根據(jù)加固區(qū)孤石鉆孔補勘，確定了東線隧道范圍存在3塊孤石，西線隧道范圍存在4塊孤石和1處基巖突起。孤石主要為中—微風(fēng)化花崗巖，最大飽和抗壓強度為110 MPa。加固區(qū)已完成三軸攪拌樁施工，孤石上部四周介質(zhì)為攪拌樁加固土體，下部的中粗砂、強風(fēng)化花崗巖采用壓密注漿進行加固，周邊土體穩(wěn)定性較好，對孤石有較強的握裹力。

為保證加固體地層的完整性，采用密布鉆孔破碎孤石的方式處理。密布孔采用φ150 mm潛孔鉆機鉆孔，250 mm×250 mm梅花型布置，孔底至開挖輪廓線下1 m，鉆孔深度為23～27 m。密布鉆孔破碎處理施工步驟為： 測量放線—潛孔鉆機定位—鉆孔至設(shè)計標(biāo)高—驗孔—鉆機移位—水泥砂漿回填。密鉆孔后的孤石如圖2所示。

圖2 密鉆孔后的孤石

2.2 回填區(qū)孤石處理

回填區(qū)按隧道中心線方向橫縱3 m×3 m(由南向北30 m)和5 m×5 m(由南向北116 m)進行孤石孔位探測，鉆孔深度為隧道輪廓線下1 m。對發(fā)現(xiàn)基巖、孤石的鉆孔向周邊按1 m×1 m加密鉆孔，以鎖定孤石分布區(qū)域，摸清孤石邊界，鉆孔兼做爆破孔。

通過鉆孔發(fā)現(xiàn)孤石43處，孤石最大粒徑約為5.3 m×5 m、最小粒徑約為1.1 m ×1 m； 基巖主要分布6個爆破區(qū)，最大跨度為19 m，侵入隧道范圍最高為6.87 m?；靥顓^(qū)孤石和基巖采用爆破處理。由于要求破碎的塊度較小，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，初期爆破炸藥單耗q=1.99×(1+50%)≈3.0 kg/m3，經(jīng)試爆及抽芯檢驗，爆破效果不佳； 將單耗量提升至3.6 kg/m3后，取芯長度在2～18 cm，滿足要求。爆破后芯樣如圖3所示。

圖3 爆破后芯樣圖

3 加固區(qū)和回填區(qū)盾構(gòu)掘進參數(shù)變化分析

盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化是引起地層變形的主要原因，尤其以泥水艙頂部壓力、掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速和總擠壓力為主要因素。

3.1 泥水艙頂部壓力

盾構(gòu)始發(fā)后，先進入加固區(qū)。加固區(qū)中孤石在密鉆孔后，其強度雖然降低，但孤石整體性相對較好，受刀具沖擊碾壓碰撞破碎后排出，對刀具的破壞性較大，導(dǎo)致掘進中多次停機檢查刀具，使得泥水艙頂部壓力變化波動大，尤其是在1環(huán)時，泥漿抽排后，人工常壓進艙檢修刀具,泥水艙房內(nèi)外相通，泥水艙頂部壓力降至0。地層通過加固，泥水艙頂部壓力降低對地層的穩(wěn)定性影響很小。進入回填區(qū)，孤石爆破后破碎程度高，對掘進的影響較小，隨著掘進的連續(xù)進行，泥水艙頂部壓力變化較小，基本維持在134 kPa左右。掘進過程中，地面出現(xiàn)一定程度的漏氣或漏漿，影響地層的沉降。泥水艙頂部壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 泥水艙頂部壓力變化曲線圖

3.2 掘進速度

盾構(gòu)始發(fā)掘進加固區(qū)時，處于掘進參數(shù)試驗調(diào)整階段。初期掘進速度較快，超過8 mm/min，刀具損壞頻率較高； 通過逐步降低掘進速度，到加固區(qū)后半段及回填區(qū)，掘進速度都維持在4 mm/min左右。掘進速度的快慢直接影響其對地層的擠壓作用，進而影響地層應(yīng)力變化和深層位移變化。掘進速度變化曲線如圖5所示。

圖5 掘進速度變化曲線圖

3.3 刀盤轉(zhuǎn)速

初期刀盤轉(zhuǎn)速較快，達到 0.85 r/min； 結(jié)合刀具轉(zhuǎn)速與刀具破壞情況，刀盤轉(zhuǎn)速逐步穩(wěn)定在0.55 r/min左右。刀盤轉(zhuǎn)速的快慢對地層的擠壓作用不同，進而影響地層深層位移變化的幅度。刀盤轉(zhuǎn)速變化曲線如圖6所示。

圖6 刀盤轉(zhuǎn)速變化曲線圖

3.4 總擠壓力

盾構(gòu)始發(fā)掘進后，由于加固體中孤石的完整性較好，造成刀具損壞較多，需要多次停機檢查更換，泥漿抽排又重新注入，泥水艙掘進擠壓力變化頻繁，且幅度較大。進入回填區(qū)，孤石爆破后，地層均勻性得以改善，隨著盾構(gòu)連續(xù)掘進，泥水艙擠壓力變化相對平穩(wěn)。擠壓力的變化直接影響地層應(yīng)力、深層土體位移的變化?？倲D壓力變化曲線如圖7所示。

4 盾構(gòu)掘進地層變形與土體壓力分析

4.1 測點設(shè)置

在加固區(qū)和回填區(qū)各設(shè)置1組斷面，監(jiān)測盾構(gòu)掘進中的地層變化。測點采取鉆孔埋設(shè)，埋設(shè)完成后進行封孔。地表沉降測點埋設(shè)于隧道頂部地面，間距5 m布置； 土壓力測點分別位于隧道邊線、拱腰、拱頂處，共9個測點； 深層土體位移布置在隧道開挖范圍外兩側(cè)1 m位置。地層變形測點布置如圖8所示。

圖7 總擠壓力變化曲線圖

(a) 平面布置圖

4.2 地層變形情況

4.2.1 地表沉降

1)加固區(qū)地表沉降。從洞門破除開始至盾構(gòu)通過，累計最大沉降變形為-7.1 mm； 盾構(gòu)掘進期間最大下沉速度為-1.4 mm/d，在監(jiān)測過程中部分測點出現(xiàn)上升，單次上升幅度為1.0 mm左右，總體變化較小。加固區(qū)盾構(gòu)掘進中，由于刀具損壞造成多次停機檢查更換，雖然泥水艙頂部壓力和總擠壓力變化幅度大，但地面沉降變形很穩(wěn)定，說明加固后地層穩(wěn)定性好，達到了加固效果，盾構(gòu)掘進的參數(shù)變化對盾構(gòu)頂部地層沉降影響較小。加固區(qū)地表沉降歷時曲線如圖9所示。

圖9 加固區(qū)地表沉降歷時曲線圖(2018年)

2)回填區(qū)沉降?；靥顓^(qū)地表在盾構(gòu)掘進期間出現(xiàn)階段性沉降，符合盾構(gòu)掘進地層的沉降變形規(guī)律，即掘進通過后地表持續(xù)沉降，累計達到27 mm。由于回填區(qū)經(jīng)過對孤石和基巖鉆孔爆破，對地層擾動大，雖經(jīng)過注漿加固，但無法恢復(fù)地層的完整性?；靥顓^(qū)掘進中，盾構(gòu)掘進參數(shù)變化較小，相對穩(wěn)定，但盾構(gòu)掘進過程中地面出現(xiàn)冒漿和漏氣，使得地層損失加大，進而地層沉降較大?；靥顓^(qū)地表沉降歷時曲線如圖10所示。

圖10 回填區(qū)地表沉降歷時曲線圖(2018年)

3)由圖9和圖10可知： ①二者沉降規(guī)律表現(xiàn)不同，加固區(qū)沉降變化幅度在3 mm以內(nèi)，基本處于穩(wěn)定； 回填區(qū)沉降變化符合盾構(gòu)推進過程中沉降階段變化規(guī)律。②二者的沉降量不同，由于地層條件不同，回填區(qū)沉降是加固區(qū)沉降的3.86倍。

4.2.2 土壓力

盾構(gòu)施工土壓力監(jiān)測點位于盾構(gòu)隧道周邊輪廓線1 mm范圍外，防止盾構(gòu)掘進中損壞。

1)加固區(qū)盾構(gòu)掘進靠近過程中，盾構(gòu)擠壓力對地層土體的作用傳遞到監(jiān)測元器件，測試土壓力增大； 盾構(gòu)停機檢查過程中，由于泥漿排出，作用于地層的擠壓力下降甚至消失，測試土壓力逐步減??； 盾構(gòu)再次掘進過程中，受擠壓作用，地層受力先增大后減?。?盾尾脫出后受同步注漿影響，地層受力出現(xiàn)峰值，后逐步減小至穩(wěn)定。加固區(qū)內(nèi)隧道兩側(cè)土壓力大于隧道頂部土壓力，邊墻最大土壓力位于25 m處，最大土壓力測值為0.17 MPa。加固區(qū)土壓力變化曲線如圖11所示。

圖11 加固區(qū)土壓力變化曲線圖(2018年)

2)回填區(qū)盾構(gòu)施工土體壓力監(jiān)測點布置與加固區(qū)相同?；靥顓^(qū)孤石和基巖鉆孔爆破后對地層擾動大，回填注漿難以恢復(fù)到原地層狀態(tài)，使得回填區(qū)地層擠壓受力損失大，導(dǎo)致土體壓力值明顯小于加固區(qū)，且總體數(shù)值較小。回填區(qū)測點土壓力在盾構(gòu)掘進通過前開始增大； 刀盤通過后測點土壓力有一定減小； 脫出盾尾后受同步注漿影響，測點土壓力再次增大并出現(xiàn)峰值； 在漿液凝固和地層逐步穩(wěn)定后，土壓力逐步變小并趨于穩(wěn)定?；靥顓^(qū)隧道兩側(cè)土壓力大于隧道頂部土壓力； 隧道兩側(cè)最大土壓力位于距地面15 m深的測點處，為42.69 kPa； 隧道頂部土壓力很小?；靥顓^(qū)土壓力變化曲線如圖12所示。

圖12 回填區(qū)土壓力變化曲線圖(2018年)

3)綜合加固區(qū)和回填區(qū)土壓力曲線變化，盾構(gòu)掘進中對土壓力的影響規(guī)律可分為4個階段： ①緩慢增長階段，刀盤到監(jiān)測點前20 m，土壓力上升； ②快速增長階段，盾構(gòu)刀盤距監(jiān)測點10 m至盾體通過后，土體受擾動嚴(yán)重，土壓力大幅度上升； ③波動階段，盾尾通過斷面1監(jiān)測點4 m，受同步注漿影響，土壓力有一定波動，其峰值也出現(xiàn)在此階段； ④逐步消散階段，盾尾脫離斷面，同步注漿完成后，土壓力逐步回落并趨于穩(wěn)定。

由圖11和圖12可知： 1)二者的曲線規(guī)律表現(xiàn)不同。加固區(qū)土壓力與泥水艙頂部壓力和總擠壓力同步變化明顯，并在盾尾脫出后持續(xù)減?。换靥顓^(qū)隨著盾構(gòu)連續(xù)掘進，土壓力曲線在盾構(gòu)刀盤距測點20 m處開始增大，并在刀盤脫出同步注漿時達到峰值，隨著刀盤的遠離，土壓力逐步下降并趨于穩(wěn)定。2)二者測試最大土壓力值和深度不同。加固區(qū)地層穩(wěn)固，盾構(gòu)掘進時，在擠壓力作用下地層位移變形小，應(yīng)力損失小，土壓力測試值在距地面25 m受力最大，為回填區(qū)的3.95倍； 而回填區(qū)地層受孤石爆破擾動破壞，以及回填注漿效果有限，使得下部地層加固效果差，盾構(gòu)掘進中地層變形較大，受力損失較大，土壓力測試值在距地面15 m受力最大，且遠小于回填區(qū)。

4.2.3 盾構(gòu)隧道兩側(cè)土體水平位移

盾構(gòu)施工土體水平位移監(jiān)測點位于盾構(gòu)隧道兩側(cè)1 mm處位置，以防止被盾構(gòu)掘進損壞，以及泥水艙泥漿擊穿地層沿監(jiān)測孔冒漿。

1)加固區(qū)由于地層穩(wěn)定，盾構(gòu)掘進速度慢，掘進時間長，壓力設(shè)置較低，盾構(gòu)掘進兩側(cè)土體的變形不明顯。以刀盤距測點斷面-5、0、5、15 m統(tǒng)計，盾構(gòu)隧道掘進過程中加固區(qū)變化較小，累計最大位移位于距地面21 m處，為-5.23 mm，土體變化范圍集中在隧道直徑范圍內(nèi)。加固區(qū)土體位移變化曲線如圖13所示。

(a) 加固區(qū)隧道左邊線土體位移

2)回填區(qū)地層孤石和基巖爆破對地層擾動大，使地層的穩(wěn)定性變差，地層受盾構(gòu)掘進擠壓土體影響變化明顯，土體位移變形數(shù)值較加固區(qū)明顯偏大。掘進中以刀盤距測點斷面-5、0、5、15 m及盾尾脫出15 m統(tǒng)計，累計最大變形位于距地面25.5 m處，為-17.65 mm，土體位移變化集中在盾構(gòu)隧道底部上下5 mm。盾構(gòu)刀盤掘進過測點8 m前，受盾構(gòu)擠壓作用，土體位移向遠離盾構(gòu)側(cè)變形； 在盾構(gòu)刀盤通過測點8 m以后，測點向靠近盾構(gòu)側(cè)變形；盾構(gòu)刀盤通過測點15 m和盾尾脫出15 m后2階段，受泥水壓力減小、地層收縮和同步注漿漿液固結(jié)的影響，測點向隧道內(nèi)側(cè)變化明顯并趨于穩(wěn)定，說明回填區(qū)盾構(gòu)掘進對兩側(cè)土體的擠壓作用明顯?；靥顓^(qū)土體位移變化曲線如圖14所示。

(a) 回填區(qū)隧道左邊線土體位移

3)由圖13和圖14可知： ①二者土體深層位移變形規(guī)律基本相同，為土體位移向隧道外側(cè)明顯變化(盾構(gòu)刀盤靠近測點至刀盤通過監(jiān)測點8 m)—土體位移向隧道內(nèi)側(cè)緩慢變化(盾構(gòu)繼續(xù)推進至盾尾通過監(jiān)測點)—土體位移向隧道內(nèi)側(cè)變化至穩(wěn)定(盾尾脫出監(jiān)測點至同步注漿凝固)。第1階段變化為盾構(gòu)掘進擠壓隧道周邊土體導(dǎo)致，第2階段開挖泥水壓力的影響逐漸減弱，第3階段為盾尾地層收縮和同步注漿作用導(dǎo)致。②二者土體深層位移變形值不同，由于加固區(qū)地層比回填區(qū)地層穩(wěn)定，所以回填區(qū)地層位移為加固區(qū)地層位移的3.37倍。

5 結(jié)論與討論

通過對海域圍堰內(nèi)孤石基巖采取密鉆孔和爆破的不同處理方式，總結(jié)分析盾構(gòu)掘進的地層變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)孤石和基巖處理中，加固區(qū)密鉆孔方式處理孤石，降低了孤石整體強度，保證了加固區(qū)地層的整體性； 回填區(qū)采用爆破方式處理孤石和基巖，提高了其破碎程度，利于盾構(gòu)掘進順暢。

2)加固區(qū)因地層整體性好，掘進中地面出現(xiàn)略微上浮和沉降，土體深層位移受盾構(gòu)擠壓作用變化幅度小，地表沉降和地層位移變化總體較小。

3)回填區(qū)因孤石基巖爆破對原狀地層擾動，地表沉降變形符合盾構(gòu)掘進過程沉降規(guī)律變化，其沉降是加固區(qū)的3.86倍； 土體深層位移受盾構(gòu)擠壓作用明顯，表現(xiàn)出先遠離后靠近隧道并最終穩(wěn)定，其地層位移為加固區(qū)的3.37倍。

4)土體壓力隨盾構(gòu)隧道掘進靠近監(jiān)測斷面而逐步增大，停機降壓或遠離監(jiān)測斷面后減小，在盾尾脫出同步注漿出現(xiàn)峰值，隨著地層收縮和漿液凝固減小并趨于穩(wěn)定。由于兩者孤石處理方式不同，使加固區(qū)地層最大土壓力為回填區(qū)的3.95倍，且測點位置也不同(加固區(qū)在隧道開挖面底部位置，回填區(qū)在隧道開挖面上部位置)。

5)土體壓力測點是采用鉆孔埋設(shè)，土壓力實際監(jiān)測值小于理論計算值，在后續(xù)施工中應(yīng)進一步加強測點埋設(shè)的穩(wěn)固性和對恢復(fù)地層原始性的研究； 同時，在上軟下硬地層中盾構(gòu)掘進的前方應(yīng)進一步加強對地層縱向位移和孔隙水壓力的變化研究，使盾構(gòu)掘進地層變化規(guī)律分析更加全面。