粉質(zhì)黏土地層超大直徑泥水盾構(gòu)隧道地表變形與施工參數(shù)相關(guān)關(guān)系研究*

吳 柯 張曉平② 劉 浩 孫文昊 張心悅 張亮亮 張 健 李春林

(①武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072， 中國)

(②武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072， 中國)

(③中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063， 中國)

(④濟(jì)南城市建設(shè)集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250031， 中國)

0 引 言

盾構(gòu)法憑借其安全、經(jīng)濟(jì)、快速等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種隧道項(xiàng)目建設(shè)中。我國盾構(gòu)較早應(yīng)用于上海、廣州、北京等地區(qū)所代表的軟土地層、復(fù)合地層以及砂卵石地層，且在建設(shè)過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，盾構(gòu)法已是一種相對(duì)較為成熟的隧道施工方法(王夢恕， 2014； 唐少輝等， 2020)。隨著城市發(fā)展需求日益多元化，盾構(gòu)隧道目前也朝著長距離、大直徑、高水壓等方向發(fā)展。

盾構(gòu)施工過程中對(duì)沿線地層的擾動(dòng)難以避免。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和工程案例系統(tǒng)分析了盾構(gòu)隧道地層變形的發(fā)展過程、變形大小以及地層擾動(dòng)規(guī)律和土體變形特征(謝文斌等， 2011; 周慶合， 2020)。研究結(jié)果表明：地表變形量與上覆土體物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，隨黏聚力、內(nèi)摩擦角以及壓縮模量的增大而逐漸減小?；趨?shù)敏感性的分析結(jié)果顯示：相較于壓縮模量，地表變形對(duì)黏聚力的敏感性相對(duì)較低(郭樂， 2017; 張洋等， 2019)。袁大軍等(2009)將超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)土體的擾動(dòng)分為4個(gè)階段，并明確指出：盾構(gòu)通過階段對(duì)土體的擾動(dòng)相對(duì)最大，盾構(gòu)推進(jìn)中土體的顯著應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域約為軸線兩側(cè)各一倍洞徑。此外，相關(guān)學(xué)者指出：盾構(gòu)施工引起的地表變形具有很強(qiáng)的時(shí)間和空間效應(yīng)，不同類型地層中采用相同開挖方式的地層變形規(guī)律基本一致，但具體的地表變形量存在顯著差異(郭建濤， 2009; 翟振宇， 2012)。

盾構(gòu)施工參數(shù)與隧道地表變形之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系。通過對(duì)盾構(gòu)施工關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化控制，能夠有效減少對(duì)施工環(huán)境和沿線建構(gòu)筑物的影響(趙曉彥等， 2017; 胡茂興， 2019)。國內(nèi)外眾多學(xué)者通過理論研究、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、深度學(xué)習(xí)、案例調(diào)研等諸多方法分析了大直徑泥水盾構(gòu)在下穿高危管線、堤壩建筑、沉降敏感區(qū)以及不良地質(zhì)層中施工參數(shù)對(duì)地面沉降的影響規(guī)律(周雋， 2015; 黃平等， 2016; 張嚴(yán)等， 2020)。其中：魏綱等(2006)通過彈塑性理論解析法推導(dǎo)了盾構(gòu)施工工程中由正面附加推力、盾殼與土體間的摩擦力引起地面變形的計(jì)算公式。范文超等(2020)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了復(fù)合地層中超大直徑泥水盾構(gòu)施工參數(shù)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了刀盤轉(zhuǎn)矩、泥水壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的定量預(yù)測。張世杰等(2018)研究了砂土層中注漿抬升效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，獲取了地表變形量與注漿量、加固寬度、地層埋深、地層參數(shù)等之間的定量關(guān)系以及計(jì)算公式。王凱等(2019)結(jié)合蘇埃通道工程案例，分析了超大直徑泥水盾構(gòu)刀盤推力和轉(zhuǎn)矩，建立了相應(yīng)的理論計(jì)算模型，提高了軟土地層盾構(gòu)推力和刀盤轉(zhuǎn)矩的計(jì)算準(zhǔn)確性。李方毅等(2021)利用粒子群算法(PSO)對(duì)支持向量機(jī)的超參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，提高了氣壓輔助掘進(jìn)工法中地表變形量預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和適用性。施有志等(2021)考慮施工影響因素，通過建立三維數(shù)值模型精確模擬和研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中施工力學(xué)效應(yīng)。魏綱等(2021)將現(xiàn)有的盾構(gòu)施工對(duì)既有臨近隧道影響的模型試驗(yàn)研究進(jìn)行對(duì)比和歸納，總結(jié)得出在頂推力、隧道間距、穿越順序等因素不同的情況下盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道造成的影響規(guī)律。

綜上所述，目前針對(duì)泥水盾構(gòu)施工引起地層變形的規(guī)律特征以及影響因素已形成了相對(duì)一致的理論觀點(diǎn)。然而，有關(guān)盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化的研究適用范圍有限，針對(duì)粉質(zhì)黏土地層超大直徑泥水盾構(gòu)下穿重要建筑結(jié)構(gòu)的研究較少，相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)匱乏。有鑒于此，本文以濟(jì)南黃河隧道為工程背景，結(jié)合盾構(gòu)施工參數(shù)和地表變形數(shù)據(jù)，分析了地表變形特征隨盾構(gòu)施工參數(shù)的變化規(guī)律。并針對(duì)粉質(zhì)黏土地層隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了超大直徑泥水盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物的施工關(guān)鍵控制參數(shù)。相關(guān)研究成果可為類似條件下粉質(zhì)黏土地層超大直徑盾構(gòu)隧道地表變形分析和施工參數(shù)優(yōu)化等提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 工程地質(zhì)概況

濟(jì)南黃河隧道是我國第一條下穿黃河的超大直徑盾構(gòu)隧道，也是國內(nèi)目前開挖斷面直徑最大的公鐵合建隧道。如圖1所示，盾構(gòu)段隧道全長3.7km，最大埋深54.60m，開挖直徑為15.76m，采用泥水平衡盾構(gòu)施工。隧道沿線地層主要以粉質(zhì)黏土為主，也包括黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂以及鈣質(zhì)結(jié)核等，沿線里程WK2+832～WK3+499區(qū)間中地層分布情況以及埋深如圖2所示。其中：上部地層為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，多呈軟塑-可塑狀，壓縮性較高，承載力較低，黏粒含量介于18.9%～33.6%之間，平均含量為26.9%。下部地層為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，多呈可塑-硬塑狀，局部富集有鈣質(zhì)結(jié)核。沿線里程WK2+832～WK3+499中地層的物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。此外，隧道沿線下穿鵲山西村低矮房屋群，穿越總長度為271m，鵲山西村中建筑物均為淺基礎(chǔ)磚砌結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)下穿鵲山西村建筑群時(shí)，隧道埋深為25.2～38.1m，主要位于⑥、⑦、⑧粉質(zhì)黏土地層中。

圖1 隧道縱斷面示意圖(單位： m)

圖2 地層分布以及埋深示意圖(WK2+832～WK3+499)

表1 地層土體物理力學(xué)參數(shù)(WK2+832～WK3+499)

2 超大直徑盾構(gòu)隧道地表變形規(guī)律分析

2.1 超大直徑盾構(gòu)隧道沿線地表變形監(jiān)測方案

盾構(gòu)段地質(zhì)條件復(fù)雜，且下穿建筑物、市政基礎(chǔ)設(shè)施等，對(duì)施工期間隧道沿線地表變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠有效反映盾構(gòu)施工對(duì)周圍地層的影響，便于及時(shí)進(jìn)行隧道施工安全評(píng)估。隧道沿線地表變形監(jiān)測點(diǎn)的布置情況如圖3所示。

圖3 隧道沿線地表變形監(jiān)測點(diǎn)分布情況(WK3+480～WK3+156)

其中：橫向監(jiān)測斷面(DBC)按照10m的間距垂直于隧道軸線方向分布，在盾構(gòu)下穿建筑結(jié)構(gòu)時(shí)按照5m間距進(jìn)行加密布設(shè)(圖3)。橫向監(jiān)測斷面中的監(jiān)測點(diǎn)垂直于隧道軸線按照由近及遠(yuǎn)間距逐漸增大的基本原則依次布設(shè)，相鄰兩監(jiān)測點(diǎn)的間距分別為3m， 5m和8m(或10m)。地表變形的監(jiān)測頻率為1～2次/天，當(dāng)盾構(gòu)下穿構(gòu)筑物時(shí)地表變形監(jiān)測頻率調(diào)整為3～4次/天。本文主要以盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道軸線正上方監(jiān)測點(diǎn)的地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

2.2 粉質(zhì)黏土地層隧道地表變形特征規(guī)律分析

表2為盾構(gòu)10-175環(huán)區(qū)間(里程WK3+480～WK3+156)范圍內(nèi)盾構(gòu)軸線處各監(jiān)測點(diǎn)在測量周期中單次最大變形量和最終變形量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中：監(jiān)測點(diǎn)DBC07-05～DBC09-05的最終變形量小于-13mm，最大變形量小于-4.9mm；

表2 隧道軸線監(jiān)測點(diǎn)處變形量統(tǒng)計(jì)

監(jiān)測點(diǎn)DBC11-05～DBC22-2-06的最終變形量大于20mm，最大變形量普遍大于10mm，且部分監(jiān)測點(diǎn)最終變形量高達(dá)90mm； DBC23-06～DBC28-2-06中最終變形量和最大變形量的絕對(duì)值普遍小于10mm； DBC29-06～DBC35-2-06中最終變形量和最大變形量普遍小于5mm。

根據(jù)盾構(gòu)軸線處地表監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，將粉質(zhì)黏土地層中超大直徑泥水盾構(gòu)隧道軸線處地表變形曲線劃分為沉降型、隆起型、高斯型以及波動(dòng)型4種類型，如圖4所示。其中：沉降型和隆起型是不符合實(shí)際工程預(yù)期的，前者最終均產(chǎn)生13～43mm的沉降變形，后者最終普遍產(chǎn)生20～90mm的隆起變形。若隧道沿線周圍存在建構(gòu)筑物，會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重的損傷破壞。此外，高斯型曲線中最終變形量和最大變形量基本位于0～10mm的范圍，波動(dòng)型曲線中最終變形量和最大變形量控制在5mm以內(nèi)，兩者對(duì)盾構(gòu)隧道沿線環(huán)境的影響程度相對(duì)較小。

圖4為隧道軸線上方部分監(jiān)測點(diǎn)處的地表變形隨監(jiān)測時(shí)間的變化規(guī)律曲線。其中：虛線代表盾構(gòu)刀盤到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)下方。從圖中可以看出：盾構(gòu)施工引起的地表變形在盾構(gòu)到達(dá)前、盾構(gòu)通過、盾尾脫離以及盾構(gòu)遠(yuǎn)離4個(gè)階段呈現(xiàn)出不同的變化特征。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，盾構(gòu)通過和盾尾脫離階段中地表變形量最大，可占到總變形量的50%以上。此外，在盾尾脫離階段中，盾尾同步注漿施工流程均引起不同程度的隆起量。

圖4 4種類型地表變形曲線

圖5為不同盾構(gòu)環(huán)號(hào)的隧道埋深和隧道軸線處地表最終變形量曲線。從圖中可以看出：盾構(gòu)隧道施工過程中， 0～20環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)，隧道軸線上方地表出現(xiàn)沉降變形，其中監(jiān)測點(diǎn)DBC08-05處的最大沉降量達(dá)到45mm； 21～80環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)，隧道軸線上方地表出現(xiàn)隆起變形，其中監(jiān)測點(diǎn)DBC15-06處地表最大隆起量達(dá)到110mm； 在81～175環(huán)范圍內(nèi)，隧道軸線上方地表變形逐漸趨于穩(wěn)定，變形量均控制在10mm以內(nèi)。

此外，在0～175環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)，圖5中盾構(gòu)隧道埋深以及隧道軸線處地表最終變形量分析結(jié)果顯示：隨著隧道埋深逐漸增加，隧道軸線上方地表變形量呈下降趨勢。通過與類似盾構(gòu)隧道地表變形進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)隧道埋深增加至一定程度時(shí)，變形量不再隨隧道埋深增加而減小(馮寧寧， 2017)。

圖5 隧道軸線處地表最終變形曲線

3 盾構(gòu)施工參數(shù)與地表變形之間的相關(guān)性分析

3.1 盾構(gòu)施工參數(shù)之間的相關(guān)性分析

郭建濤(2009)通過研究分析發(fā)現(xiàn)，與隧道地表變形密切相關(guān)的泥水平衡盾構(gòu)施工參數(shù)主要包括：泥水壓力、刀盤推力、掘進(jìn)速度、刀盤扭矩、貫入度、注漿量、注漿壓力、水土壓力等。

如表3所示，本文采用SPSS軟件對(duì)8個(gè)泥水盾構(gòu)施工參數(shù)之間的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行了分析，并通過Pearson系數(shù)指標(biāo)描述不同盾構(gòu)施工參數(shù)之間的相關(guān)程度。Pearson系數(shù)取值位于[-1， 1]范圍內(nèi)，正值表示正相關(guān)，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)，等于0時(shí)為無相關(guān)性，Pearson系數(shù)的絕對(duì)值越大表示相關(guān)程度就越高。從表中可以看出：刀盤推力與泥水壓力、注漿壓力和水土壓力的相關(guān)性系數(shù)分別為0.737， 0.625， 0.705，具有顯著的正相關(guān)關(guān)系； 泥水壓力、注漿壓力和水土壓力三者間的相關(guān)性系數(shù)分別為0.776， 0.844， 0.843，三者間具有顯著的正相關(guān)性； 貫入度與掘進(jìn)速度的相關(guān)性系數(shù)為0.697，具有顯著的正相關(guān)關(guān)系； 貫入度與泥水壓力的相關(guān)性系數(shù)為-0.557，具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系； 其他盾構(gòu)施工參數(shù)間相關(guān)關(guān)系不明顯。

表3 盾構(gòu)施工參數(shù)之間的相關(guān)性分析

3.2 盾構(gòu)施工參數(shù)與地表變形之間的相關(guān)性分析

盾構(gòu)施工參數(shù)相關(guān)研究和工程案例(林存剛等， 2012; 葉飛等， 2014)中普遍認(rèn)為泥水壓力、注漿壓力與水土壓力的差值在盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化分析中適用性更好。選取0～350環(huán)的區(qū)間范圍內(nèi)，泥水壓力與水土壓力的差值和比值、注漿壓力與水土壓力的差值和比值、注漿量、刀盤推力、掘進(jìn)速度和刀盤扭矩、貫入度，共9個(gè)參數(shù)指標(biāo)，分析其與隧道軸線處地表最終變形量之間的相關(guān)關(guān)系。

參數(shù)間相關(guān)性分析中采用Pearson系數(shù)和Spearman系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性量化評(píng)估。其中：Spearman系數(shù)是利用單調(diào)方程評(píng)價(jià)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)變量的相關(guān)性，衡量的是兩個(gè)變量的依賴性的非參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

(1)

式中：ρ為Spearman系數(shù)；x、y為相關(guān)性分析中的兩組數(shù)據(jù)。

Spearman系數(shù)的取值范圍為[-1， 1]， 正值表示正相關(guān)，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)， 0表示兩個(gè)變量不相關(guān)，絕對(duì)值越大表示相關(guān)性越強(qiáng)。此外，顯著性水平反映相關(guān)關(guān)系的可信度，相關(guān)性分析中假設(shè)兩個(gè)變量間具有相關(guān)性，顯著性水平的值為拒絕接受原有正確假設(shè)的概率，通常取公認(rèn)小概率事件的概率(0.05)，即兩個(gè)變量間具有相關(guān)性假設(shè)正確的概率為95%。

如表4所示，泥水壓力和水土壓力的比值相關(guān)性系數(shù)為0.253，顯著性水平小于0.05，與隧道軸線上方地表最終變形之間的正相關(guān)關(guān)系較弱； 注漿壓力和水土壓力的差值以及比值與盾構(gòu)軸線上方最終地表變形之間基本不具備相關(guān)關(guān)系； 注漿量與隧道軸線上方最終地表變形量的相關(guān)性系數(shù)大于0.55，顯著性水平小于0.05，兩者之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系； 貫入度與隧道軸線上方最終地表變形的相關(guān)性系數(shù)小于0.27，顯著性水平小于0.05，兩者間有正相關(guān)關(guān)系； 刀盤推力與隧道軸線上方最終地表變形的相關(guān)性系數(shù)小于-0.2，兩者間有負(fù)相關(guān)關(guān)系； 刀盤扭矩與地表變形的相關(guān)性系數(shù)大于0.2，顯著性水平小于0.05，兩者間有正相關(guān)關(guān)系； 掘進(jìn)速度與地表變形的相關(guān)性系數(shù)小于0.1，兩者間無明顯相關(guān)關(guān)系。綜上所述，盾構(gòu)施工參數(shù)與隧道軸線上方地表最終變形之間的相關(guān)性程度中，注漿量相對(duì)最大，刀盤扭矩和貫入度相對(duì)次之，刀盤推力、泥水壓力、注漿壓力和掘進(jìn)速度相對(duì)最小。

表4 盾構(gòu)施工參數(shù)與隧道地表變形的相關(guān)性系數(shù)表

此外，參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明掘進(jìn)速度、刀盤扭矩和貫入度3個(gè)施工參數(shù)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，其余盾構(gòu)施工參數(shù)均不滿足正態(tài)分布。表4中顯示，不滿足正態(tài)分布的盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)中，Spearman系數(shù)適用性更好。

3.3 超大直徑泥水盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化分析

隧道地表變形與盾構(gòu)施工參數(shù)、工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素密切相關(guān)(何國軍， 2011; 段寶福等， 2017)。圖6a為不同施工環(huán)數(shù)的注漿量、盾構(gòu)埋深以及隧道軸線上方最終地表變形量，在20～80環(huán)的施工區(qū)間中，隧道軸線上方地表最終變形與注漿量的變化趨勢相似，具體表現(xiàn)為注漿量減少，最終變形量下降。此外，此段施工區(qū)間中，隧道軸線上方地表最終變形量呈較大隆起變形，與80～180環(huán)區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果顯示在20～80環(huán)區(qū)間范圍中，注漿量過大是引起較大隆起變形的主要原因之一。

圖6 注漿量、泥水壓力以及隧道軸線地表變形曲線

葉飛等(2014)通過采用壁后漿液擴(kuò)散理論推算同步注漿引起隆起變形的計(jì)算公式為：

(2)

式中：umax為隧道軸線上方地表隆起變形量；P為注漿壓力與水土壓力差值；R為隧道開挖半徑；E為彈性模量；v為泊松比；h為隧道埋深。

從上式中可以看出隧道軸線上方地表隆起變形與盾構(gòu)隧道埋深呈反比例關(guān)系，與圖6a中20～80環(huán)區(qū)間范圍中隧道軸線處地表變形具有相同的特點(diǎn)：隧道埋深小于一倍洞徑時(shí)，注漿量對(duì)地表隆起變形的影響顯著； 當(dāng)盾構(gòu)埋深大于一倍洞徑時(shí)，影響程度相對(duì)較小。此外，當(dāng)隧道埋深小于一倍洞徑時(shí)，注漿充盈經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(135%～215%)難以滿足工程實(shí)際需求。通過將注漿充盈系數(shù)降低至111%～130%，可以有效防止隧道軸線上方地表過度變形。

圖6b中泥水壓力和隧道軸線處地表最終變形結(jié)果分析顯示：在0～20環(huán)的區(qū)間范圍內(nèi)，隨著泥水壓力逐漸增大，隧道軸線處地表最終沉降變形逐漸減少，該施工區(qū)段中注漿壓力偏小是引起沉降變形的主要原因之一。

盾構(gòu)施工參數(shù)與隧道軸線上方地表變形的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，泥水壓力與地表變形量的相關(guān)性程度很低。但是，通過對(duì)0～20環(huán)施工區(qū)段的地表最終變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，泥水壓力對(duì)開挖面前方土體沉降變形具有顯著影響，結(jié)合兩者可以認(rèn)為合理的參數(shù)控制能夠有效降低施工參數(shù)對(duì)地表變形的影響。如圖5所示，在81～185環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)，隧道軸線上方地表變形量趨于穩(wěn)定，最大變形量小于10mm，盾構(gòu)施工參數(shù)相對(duì)合理。

如圖7所示，通過對(duì)81～185環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行分析，可以看出，泥水壓力、刀盤推力、掘進(jìn)速度、注漿量、注漿壓力和刀盤扭矩具有集中分布的特點(diǎn)。其中：扭矩、掘進(jìn)速度、注漿壓力與水土壓力的比值滿足正態(tài)分布。如表5所示，通過對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)特征值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥水壓力的取值比水土壓力高103～127kPa，注漿壓力比泥水壓力高287～372kPa，注漿量為30～32m3，刀盤推力為77～84MN，刀盤扭矩為5.2～6.4MN·m，掘進(jìn)速度為15～19mm·min-1時(shí)，盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性相對(duì)較好，隧道軸線上方地表沉降相對(duì)較小，可以作為超大直徑泥水盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土地層推薦施工參數(shù)。

圖7 盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表5 盾構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)特征值統(tǒng)計(jì)

4 超大直徑泥水盾構(gòu)下穿建筑物施工控制參數(shù)

如圖8所示，在盾構(gòu)下穿鵲山西村建筑群區(qū)間(175～350環(huán)區(qū)間，里程WK3+156-WK2+832)范圍內(nèi)，泥水壓力的變化范圍為300～400kPa，比水土壓力約大120MPa。注漿壓力變化范圍為600～1000kPa，比水土壓力約大340MPa，泥水壓力和注漿壓力符合超大直徑泥水盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化分析中提出的推薦施工參數(shù)取值范圍。此外，通過分析曲線的變化特征可得，隨著埋深的增加，泥水壓力和注漿壓力呈逐漸上升的趨勢。

圖8 泥水壓力和注漿壓力曲線

表5中統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)果顯示，在81～175環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)，刀盤推力的變化范圍為77～84MN。如圖9中刀盤推力和掘進(jìn)速度變化曲線所示，盾構(gòu)進(jìn)入建筑群區(qū)段(175～350環(huán)區(qū)間范圍)后刀盤推力的變化范圍為 94.2～105.4MN，刀盤推力顯著增大。此外，在81～175環(huán)區(qū)間范圍內(nèi)，掘進(jìn)速度的變化范圍為14.9～19mm·min-1，進(jìn)入建筑群區(qū)段后掘進(jìn)速度的變化范圍為 12.7～18mm·min-1，兩段不同的盾構(gòu)區(qū)段中掘進(jìn)速度基本保持不變。

圖9 刀盤推力和掘進(jìn)速度曲線

圖10為注漿量和刀盤扭矩的變化曲線，在建筑群區(qū)段(175～350環(huán)區(qū)間范圍)注漿量的變化范圍為39～48m3，刀盤扭矩的變化范圍為7.2～9.6MN·m，相較于81～175環(huán)區(qū)間范圍，注漿量和刀盤扭矩均有顯著的增長。

圖10 刀盤扭矩和注漿量曲線

JZ01-04，JZ03-04，JZ05-03，JZ07-03，JZ08-03，JZ17-03，JZ19-05，JZ21-03，JZ23-03，JZ25-05，JZ25-05共10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)為位于鵲山西村建筑群中隧道軸線處的地表變形監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)的地表最終變形量以及施工參數(shù)情況如表6所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示建筑群區(qū)段(175～350環(huán)區(qū)間范圍)地表變形控制良好，累計(jì)變形量均在2mm內(nèi)。此外，盾構(gòu)施工參數(shù)變化趨勢分析結(jié)果表明，在盾構(gòu)進(jìn)入建筑群區(qū)后，泥水壓力、注漿壓力、刀盤推力、刀盤扭矩以及注漿量均有不同程度的增加。此外，建筑群區(qū)段中盾構(gòu)埋深從26.5m逐漸增加到37.7m，水土壓力從150.4kPa增加到285.6kPa，結(jié)合表3中盾構(gòu)施工參數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，刀盤推力、注漿量、泥水壓力、注漿壓力與水土壓力間均有較好的正相關(guān)關(guān)系，埋深和水土壓力的增大會(huì)加大掘進(jìn)過程中盾殼與土體的摩擦，影響刀盤推力、刀盤扭矩等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，也會(huì)影響泥漿壓力和注漿壓力的取值。

表6 建筑群區(qū)段盾構(gòu)軸線處地表最終變形量與施工參數(shù)

結(jié)合81～175環(huán)區(qū)間范圍以及建筑群區(qū)段(175～350環(huán)區(qū)間范圍)的分析結(jié)果，泥水壓力的取值比水土壓力高103～127kPa，注漿壓力比泥水壓力高287～372kPa的推薦取值區(qū)間在兩段施工區(qū)間中均具有較好適用性； 刀盤扭矩、刀盤推力以及注漿量則需根據(jù)盾構(gòu)埋深的增大而相應(yīng)增加。

5 結(jié) 論

本文以濟(jì)南黃河隧道為例，分析了地表變形特征隨盾構(gòu)施工參數(shù)的變化規(guī)律。針對(duì)粉質(zhì)黏土地層隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了超大直徑泥水盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物的施工關(guān)鍵控制參數(shù)。通過研究分析主要可以得到以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)隧道軸線處地表最終變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)引起地表變形具有較強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)，盾構(gòu)通過和盾尾脫離階段引起的地表變形量占比最大。根據(jù)變形曲線特征，可將其分為沉降型、隆起型、高斯型和波動(dòng)型4種類型。

(2)不同盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)隧道軸線上方地表最終變形的影響存在顯著差異，注漿量影響程度相對(duì)最大，扭矩和貫入度相對(duì)次之，刀盤推力、泥水壓力、注漿壓力和掘進(jìn)速度相對(duì)最小。當(dāng)隧道埋深小于一倍洞徑時(shí)，注漿量對(duì)地表變形影響相對(duì)較大； 當(dāng)隧道埋深大于一倍洞徑時(shí)，注漿量的影響相對(duì)較小。隧道軸線上方地表最終變形量隨盾構(gòu)埋深的增加呈下降趨勢。

(3)刀盤推力與泥水壓力、注漿壓力以及水土壓力之間具有較好的相關(guān)關(guān)系，相應(yīng)的Pearson系數(shù)大于0.6。當(dāng)泥水壓力比水土壓力約大0.1MPa，注漿壓力比水土壓力約大0.3MPa時(shí)，盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物地表變形相對(duì)較小，盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性得以顯著優(yōu)化。