砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響分析

虞 楊，李洋溢， 秦鮮卓

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

伴隨著城市發(fā)展的需求，盾構(gòu)工法以其地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快、對(duì)周邊環(huán)境干擾少而得到廣泛應(yīng)用，以盾構(gòu)隧道方式跨越江、河、湖、海水域的工程越來越多，目前在城市地下軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用非常廣泛。然而，在城市地區(qū)修建地下軌道交通時(shí)，通常會(huì)面臨地層條件復(fù)雜、水文地質(zhì)狀況多變、建(構(gòu))筑物及城市地下管線分布密集等復(fù)雜建設(shè)環(huán)境。盾構(gòu)法施工雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍不可避免地會(huì)對(duì)隧道周圍環(huán)境造成不良影響。

水下盾構(gòu)隧道沿線經(jīng)常穿越地下水豐富的砂卵石、砂礫石等粗顆粒地層，該類地層結(jié)構(gòu)松散、卵礫石含量高、滲透系數(shù)大、單個(gè)卵石強(qiáng)度大、土體塑流性差，為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)容易破壞地層原先的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，從而引起地層損失和地表沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響鄰近建(構(gòu))筑物及地下管線的正常使用與安全。

近年來，關(guān)于盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響問題開始受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。張忠苗等[1]以杭州慶春路過江盾構(gòu)隧道為研究背景，根據(jù)地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究隧道施工對(duì)堤岸地表沉降規(guī)律，并提出相應(yīng)的地表沉降控制措施；張亞洲等[2]以南京緯三路過江通道江北堤岸盾構(gòu)段為研究背景，利用數(shù)值模擬手段分析了盾構(gòu)施工對(duì)長(zhǎng)江堤岸的整體穩(wěn)定性影響；漆泰岳[3]以廣州地鐵六號(hào)線東湖車站盾構(gòu)區(qū)間隧道為研究背景，利用數(shù)值模擬手段，揭示建筑物與隧道不同空間位置的地層和建筑物的沉降特征，探討了地鐵隧道施工引起建筑物沉降的安全控制標(biāo)準(zhǔn)；龐星等[4]以太原地鐵二號(hào)線雙塔西街-大南門盾構(gòu)區(qū)間隧道為研究背景，分析了隧道與建筑物水平距離及建筑物沉降變形的規(guī)律，以及隧道推進(jìn)過程中對(duì)建筑物進(jìn)行檢測(cè)的重點(diǎn)；魏綱等[5]基于Winkler地基模型，建立地面出入式盾構(gòu)法隧道施工中土體沉降計(jì)算式，探討盾構(gòu)施工對(duì)鄰近地下管線的影響規(guī)律。

目前，關(guān)于砂卵石地層水下盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境影響的研究還較少，本文以下穿黃河某盾構(gòu)隧道區(qū)間為研究背景，研究強(qiáng)透水砂卵石地層條件下的水下盾構(gòu)隧道施工對(duì)黃河堤岸、鄰近建筑物安全性的影響，并提出相應(yīng)的安全控制措施。

1 工程概況及周邊環(huán)境簡(jiǎn)介

某盾構(gòu)隧道區(qū)間設(shè)計(jì)為雙線隧道，采用泥水平衡盾構(gòu)工法施工。隧道左右線間的間距設(shè)計(jì)為6.8 m。左線起訖里程設(shè)計(jì)為ZK13+150～ZK15+057，全長(zhǎng)1 907 m；右線起訖里程為YK13+150～YK15+057，全長(zhǎng)1 907 m。線路總體呈V字型，線路縱坡坡度設(shè)計(jì)為2.8%。盾構(gòu)隧道在銀灘大橋上游附近下穿黃河底部，下穿黃河段長(zhǎng)度為404.0 m，隧道頂部距黃河河床底板約18～24 m。

為避開銀灘大橋橋樁，隧道線位采用雙線單側(cè)繞避措施，縱斷面壓深線路縱坡，從黃河河床底部卵石層中穿行。盾構(gòu)隧道需穿越黃河兩岸河堤，而江河堤防是城市防洪體系的重要屏障，倘若其受到損壞將嚴(yán)重威脅沿線百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，隧址區(qū)為城市建設(shè)規(guī)劃起步階段，周邊建筑物不是很密集，地下管線資料較為完備，該盾構(gòu)隧道下穿強(qiáng)透水砂卵石地層施工對(duì)周邊環(huán)境的影響問題值得關(guān)注。

隧道區(qū)間地層由上而下主要為第四系全新統(tǒng)雜填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)中砂層(Q4al)、第四系全新統(tǒng)卵石層(Q4al)以及第四系下更新統(tǒng)卵石層(Q1al)。盾構(gòu)隧道主要穿越下更新統(tǒng)卵石層，該地層結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)較為復(fù)雜，地下水豐富。隧道區(qū)間各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

該盾構(gòu)隧道區(qū)間砂卵石地層的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)卵石含量高。該層卵石含量在55%～70%的范圍，呈中密狀態(tài)；卵石的形狀大多為橢圓狀，級(jí)配不良，磨圓度比較好；卵石形成土體顆粒的骨架，卵石顆粒間的填充物主要有中砂與粗砂等，以薄層或透鏡狀砂層分布，局部呈弱鈣質(zhì)膠結(jié)，分布不規(guī)律且離散性較強(qiáng)。

(2)卵石粒徑大。隧道區(qū)間砂卵石地層的卵石粒徑大多分布在5～10 cm范圍內(nèi)，部分卵石的粒徑可達(dá)10～20 cm。漂石位置分布具有隨機(jī)性，粒徑多數(shù)>20 cm，分層不明顯。根據(jù)鉆孔資料與周邊開挖基坑資料，漂石最大粒徑可達(dá)50 cm，漂石的含量不均勻。

(3)卵石強(qiáng)度高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)試驗(yàn)資料，卵石的天然單軸抗壓強(qiáng)度為47～110 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為36～80 MPa。地下水豐富，滲透系數(shù)大。

2 盾構(gòu)施工對(duì)黃河堤岸位移的影響分析

該盾構(gòu)隧道區(qū)間從黃河河床底部穿行，其施工對(duì)黃河堤岸的沉降影響不可避免。再加上盾構(gòu)隧道穿越強(qiáng)透水砂卵石地層，離散性很強(qiáng)，為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)容易破壞地層原先的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，導(dǎo)致水下盾構(gòu)施工參數(shù)控制變得更為復(fù)雜，使得地層沉降和變形控制及岸坡穩(wěn)定性問題更加突出。

根據(jù)防洪評(píng)價(jià)報(bào)告資料，盾構(gòu)隧道下穿黃河段時(shí)，隧道頂部距離黃河?xùn)|岸河堤基礎(chǔ)凈距約為15.2 m，距離黃河西岸河堤基礎(chǔ)凈距約為9.3 m。再加上黃河岸堤為漿砌片石結(jié)構(gòu)，過大的擾動(dòng)變形也將導(dǎo)致河堤的損壞。盾構(gòu)施工對(duì)堤防沉降和穩(wěn)定性的影響不但是隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也是施工期黃河防洪安全的關(guān)鍵。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)對(duì)河堤沉降進(jìn)行高頻率監(jiān)測(cè)，通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)。

提前在黃河堤岸DK13+838段周邊布置沉降觀測(cè)點(diǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)到達(dá)黃河堤岸前20 m處(盾構(gòu)達(dá)到前12 d)開始監(jiān)測(cè)。正常施工情況下，施工監(jiān)測(cè)頻率為3次/d，確保能及時(shí)掌握黃河堤岸的位移變形情況。根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中對(duì)黃河堤岸造成的不利影響，并及時(shí)反饋信息，以便操作人員及時(shí)對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，必要時(shí)可停止盾構(gòu)掘進(jìn)，對(duì)河堤進(jìn)行相應(yīng)的加固處理。

2.1 河堤縱向沉降變化規(guī)律

以位于黃河堤頂中央處監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為特征點(diǎn)，研究左右線盾構(gòu)隧道穿越堤岸期間及后期的沉降歷時(shí)變化情況。如圖1所示為河堤頂部監(jiān)測(cè)斷面隧道軸線位置處縱向沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線，圖中河堤地表隆起記為正值，地表沉降記為負(fù)值。

圖1 河堤縱向沉降隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，得出河堤縱向沉降變化規(guī)律如下：

(1)左右線盾構(gòu)隧道施工參數(shù)設(shè)定值基本相同，隧道埋深、直徑、坡度等相差不大，地層條件情況也基本相似。從圖1中可以看出，盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)引起上方河堤地層發(fā)生沉降，右線隧道上方河堤最大沉降約為11.24 mm，左線隧道上方河堤最大沉降約為8.9 mm，右線隧道施工引起的河堤縱向沉降值大于左線。

(2)左右線盾構(gòu)隧道引起河堤沉降隨時(shí)間變化的規(guī)律基本相同：在盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，切口泥水壓力與注漿壓力等因素會(huì)引起河堤地表輕微隆起；盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面后，沉降速度和沉降量都出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，后期沉降速率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折開始明顯變慢，總體沉降量顯著減小。分析可知，前期沉降速率過快的主要原因是管片脫離盾尾后，壁后注漿不能及時(shí)填充建筑空隙；后期沉降主要原因是擾動(dòng)土體固結(jié)，土體后期固結(jié)沉降量相對(duì)前期盾尾脫離引起的沉降量要小很多。

(3)左線盾構(gòu)隧道施工對(duì)右線隧道上方河堤沉降也有影響，使得右線盾構(gòu)在盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面45 d后再次出現(xiàn)較大沉降。分析可知，右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)優(yōu)先于左線隧道，使得左線盾構(gòu)隧道施工對(duì)右線隧道上方堤岸地層沉降有影響。再加上左線盾構(gòu)在到達(dá)黃河河堤前，對(duì)右線隧道穿越河堤進(jìn)行過施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，適當(dāng)提高泥漿漿液參數(shù)和同步注漿參數(shù)指標(biāo)，有效控制盾構(gòu)推力設(shè)定值，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)與切口泥水壓力波動(dòng)范圍，使得左線隧道施工引起的河堤沉降值相對(duì)右線較小。

2.2 河堤水平位移變化規(guī)律

以位于黃河堤頂中央處監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為特征點(diǎn)，研究左右線盾構(gòu)隧道穿越期間及后期的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化情況。如圖2所示為河堤頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線。

圖2 河堤水平位移隨盾尾離開時(shí)間的變化曲線圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，得到河堤水平位移變化規(guī)律如下：

(1)泥水盾構(gòu)隧道施工對(duì)河堤水平位移影響不大。右線隧道引起的最大水平位移值為7.7 mm，左線隧道引起的最大水平位移值為6.7 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于施工安全控制值25 mm，左右線隧道施工對(duì)河堤水平位移影響不大。

(2)左右線盾構(gòu)掘進(jìn)引起河堤水平位移的變化規(guī)律基本相同：盾構(gòu)隧道到達(dá)河堤時(shí)，施工對(duì)河堤水平位移影響較??；盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面約15 d后，河堤水平位移先增加后減??；隨著時(shí)間的推移，河堤水平位移值的變化速率顯著增加；盾尾離開河堤監(jiān)測(cè)斷面約3個(gè)月后，水平位移值變化趨于平穩(wěn)，不再產(chǎn)生較大波動(dòng)。

(3)左線隧道經(jīng)過合理優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，適當(dāng)提高泥漿漿液參數(shù)和同步注漿參數(shù)指標(biāo)，有效控制盾構(gòu)推力設(shè)定值，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)與切口泥水壓力波動(dòng)范圍，相對(duì)于右線而言，左線隧道施工對(duì)河堤水平位移值影響較小。

3 盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的影響分析

盾構(gòu)施工不可避免地會(huì)對(duì)周邊地層土體產(chǎn)生擾動(dòng)，會(huì)引發(fā)不同程度的地層位移和變形，通過傳遞的地層變形最終作用于既有結(jié)構(gòu)上，從而引起隧道周邊敏感性建筑物的不均勻沉降。

眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的建筑物變形指標(biāo)進(jìn)行過廣泛研究探討，目前建筑物變形控制指標(biāo)主要通過工程統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算與數(shù)值分析等方法進(jìn)行研究確定。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際工程地質(zhì)條件，由于水下砂卵石地層存在較強(qiáng)的離散性，結(jié)構(gòu)計(jì)算與數(shù)值計(jì)算的計(jì)算結(jié)果將會(huì)與實(shí)際情況的結(jié)果相差較大。因此，本文采用根據(jù)實(shí)際工程統(tǒng)計(jì)分析確定的變形控制指標(biāo)來衡量盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的影響，主要包括沉降量和傾斜率兩個(gè)控制指標(biāo)。

我國(guó)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)對(duì)建筑物的地基變形允許值作出規(guī)定，采用建筑物的最大傾斜率和最大沉降值兩個(gè)指標(biāo)來確定建筑物最終允許變形值，如表2所示。

表2 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑物的地基變形允許值一覽表

3.1 建筑物沉降影響分析

泥水盾構(gòu)隧道施工不可避免地會(huì)對(duì)地層造成擾動(dòng)，從而引起建筑物沉降位移的變化，以及建筑物發(fā)生水平方向的傾斜。選取隧道區(qū)間K14+270樁號(hào)附近某處典型建筑物為研究對(duì)象，該建筑物位于右線隧道斜上方，距離右線隧道軸線水平距離約7.5 m，建筑物高度為26.5 m。為得到盾構(gòu)隧道施工引起的建筑物沉降和傾斜情況，實(shí)際工程在該建筑物頂部布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和在底部布置1個(gè)固定點(diǎn)，利用高精度電子水準(zhǔn)儀和萊卡全站儀TS15分別測(cè)量建筑物的沉降和傾斜情況。

根據(jù)我國(guó)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)建筑物高度<100 m時(shí)，最大允許沉降量為400 mm。如圖3所示為盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，圖中建筑物基礎(chǔ)地層隆起記為正值，建筑物基礎(chǔ)地層沉降記為負(fù)值。

圖3 盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降隨時(shí)間變化規(guī)律曲線圖

分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，該典型建筑物最大沉降值約為-8.2 mm，位于測(cè)點(diǎn)4位置，遠(yuǎn)小于規(guī)范最大允許值?，F(xiàn)場(chǎng)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)關(guān)于建筑物縱向沉降變化規(guī)律基本相似：盾構(gòu)剛到達(dá)建筑物附近時(shí)，會(huì)造成地表輕微的隆起，15～60 d范圍內(nèi)建筑物沉降速率較大，盾構(gòu)隧道施工帶來的影響較大，2個(gè)月后建筑物沉降基本區(qū)域平穩(wěn)。

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，盾構(gòu)隧道經(jīng)過該典型建筑物時(shí)，不需要過大調(diào)整盾構(gòu)隧道施工參數(shù)，保持正常掘進(jìn)速率，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)范圍即可。

3.2 建筑物傾斜率影響分析

建筑物的傾斜量等于頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于底部固定點(diǎn)的x偏移量平方加上y偏移量平方的平方根，建筑物傾斜率則為傾斜量除以建筑物的高度H。如圖4所示為盾構(gòu)施工引起的建筑物傾斜率隨時(shí)間的變化規(guī)律曲線。建筑物傾斜率值反映的是建筑物水平位移的變化情況。

圖4 盾構(gòu)施工引起的建筑物傾斜率隨時(shí)間變化規(guī)律曲線圖

根據(jù)我國(guó)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)建筑物高度在24～60 m時(shí)，最大允許傾斜率為0.003。分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)計(jì)算后可知，該典型建筑物最大傾斜率約為0.000 38，位于測(cè)點(diǎn)3位置，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)范允許值。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，盾構(gòu)隧道經(jīng)過該典型建筑物時(shí)，不需要過大調(diào)整盾構(gòu)隧道施工參數(shù)，保持正常掘進(jìn)速率，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)范圍即可。

4 結(jié)語

本文以下穿黃河某盾構(gòu)隧道區(qū)間為研究背景，研究砂卵石地層條件下的水下盾構(gòu)隧道施工對(duì)黃河堤岸、鄰近建筑物等安全性的影響，并提出相應(yīng)的安全控制措施。研究結(jié)果表明：

(1)該盾構(gòu)隧道區(qū)間從黃河河床底部穿行，而黃河階地砂卵石地層表現(xiàn)出明顯的離散性和不穩(wěn)定性，為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)容易破壞地層原先的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，導(dǎo)致水下盾構(gòu)施工參數(shù)控制變得更為復(fù)雜，其施工對(duì)黃河堤岸的沉降影響不可避免。

(2)左右線盾構(gòu)隧道引起河堤沉降隨時(shí)間變化的規(guī)律基本相同：在盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，切口泥水壓力與注漿壓力等因素會(huì)引起河堤地表輕微隆起；盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面后，沉降速度和沉降量都出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，后期沉降速率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折開始明顯變慢，總體沉降量顯著減小。

(3)左線盾構(gòu)隧道施工對(duì)黃河堤岸位移影響較小，左線隧道上方河堤最大沉降約為8.9 mm。通過對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，適當(dāng)提高盾構(gòu)推力設(shè)定值，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和泥水壓力波動(dòng)范圍，可有效避免對(duì)堤岸結(jié)構(gòu)安全性的影響。

(4)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，盾構(gòu)隧道經(jīng)過該典型建筑物時(shí)，引起的最大沉降值約為-8.2 mm，最大傾斜率約為0.000 38，不需要過大調(diào)整盾構(gòu)隧道施工參數(shù)，保持正常掘進(jìn)速率，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)范圍即可。