砂質(zhì)粉土層類矩形隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降

劉鳳華

（上海隧道工程有限公司 上海 200232）

盾構(gòu)法因其具有掘進(jìn)速度快、施工質(zhì)量高、對(duì)周邊的環(huán)境影響教小、施工安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下工程的建設(shè)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］。盾構(gòu)法中的異形盾構(gòu)斷面相較于圓形斷面，其有效使用面積增大20%以上。異形斷面在相等有效空間的情況下能節(jié)約35%以上的地下空間，因此在地下空間工程中的應(yīng)用也越來越多。類矩形盾構(gòu)因其斷面的差異，在開挖后引起的地表沉降影響范圍相較于圓形隧道會(huì)更廣，因而對(duì)周邊的既有結(jié)構(gòu)的影響也更大。

目前對(duì)于盾構(gòu)開挖引起的地表沉降現(xiàn)象的研究已有多種分析方法，如解析法、數(shù)值分析、實(shí)驗(yàn)法和半經(jīng)驗(yàn)法等［2-3］，包括概率和機(jī)器學(xué)習(xí)［4］等方法也已成為解決隧道沉降和其他復(fù)雜巖土問題的有效方法。陳金銘等以國(guó)內(nèi)首例類矩形地鐵盾構(gòu)工程為背景研究了組合施工參數(shù)范圍內(nèi)軟土的地表沉降規(guī)律［5］。邱波通過某軟土地區(qū)普通雙圓盾構(gòu)和類矩形盾構(gòu)施工地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了類矩形與雙圓隧道引起的地表沉降規(guī)律［6］。寇曉勇［7］等基于Peck 公式和雙圓修正Peck 公式的地表沉降計(jì)算方法，提出了類矩形盾構(gòu)隧道施工地表沉降的預(yù)測(cè)方法。

上述研究從多個(gè)角度對(duì)隧道開挖引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，這些研究大多集中在分析黏土中使用盾構(gòu)法開挖隧道的地表沉降規(guī)律，對(duì)于砂質(zhì)粉土中使用類矩形開挖引起的地表沉降則鮮有研究，而類矩形盾構(gòu)引起土層產(chǎn)生的沉降，會(huì)導(dǎo)致類矩形隧道產(chǎn)生不均勻沉降與結(jié)構(gòu)病害。因此，本文基于杭州地鐵9號(hào)線一期工程，通過對(duì)盾構(gòu)區(qū)間段的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)討論了盾構(gòu)施工參數(shù)變化對(duì)砂質(zhì)粉土中類矩形盾構(gòu)引起的地表沉降規(guī)律的影響。

1 工程背景與監(jiān)測(cè)方案

1.1 工程概況

杭州地鐵9號(hào)線一期折返線盾構(gòu)段工程始發(fā)于杭州江干區(qū)四季青站，工程區(qū)間總長(zhǎng)231.1m，如圖1 所示。工程采用國(guó)內(nèi)首臺(tái)11.83m×7.27m 類矩形頂管/盾構(gòu)一體機(jī)掘進(jìn)施工，在中間井段由頂管改制類矩形盾構(gòu)機(jī)完成后從中間井始發(fā)，沿解放東路向西，依次穿越古海塘、新開河和解放東路橋后至接收井接收。區(qū)間最小平面半徑為700m，最大縱坡-0.2%，頂覆土埋深10.94～11.37m。表1列出了所示土層的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 監(jiān)測(cè)方案

工程采用綜合監(jiān)測(cè)方案來采集盾構(gòu)開挖過程中的隧道地表沉降值。在隧道地表上設(shè)置有21 個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，每個(gè)監(jiān)測(cè)剖面布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為：DBCn-1，DBCn-2，…，DBCn-11。其中，DBC為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目代號(hào)，n 代表所監(jiān)測(cè)管節(jié)的環(huán)號(hào)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距以隧道中心軸線為中心，沿左右兩側(cè)對(duì)稱式設(shè)置為4m、8m、12m、32m，見圖1。

圖1 杭州地鐵9號(hào)線四季青工程平面圖及檢測(cè)方案

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與影響因素分析

影響隧道最終沉降剖面幾何形狀的因素很多，這些因素分為三大類，即地質(zhì)、幾何（如隧道直徑、隧道埋深）和盾構(gòu)施工參數(shù)（如掘進(jìn)壓力、掘進(jìn)速度、俯仰角和注漿量）［8-9］。本次研究重點(diǎn)在探索兩個(gè)盾構(gòu)施工參數(shù)：掘進(jìn)壓力、掘進(jìn)速度對(duì)在砂質(zhì)粉土中使用盾構(gòu)法開挖的隧道表面沉降的影響。

2.1 掘進(jìn)壓力

掘進(jìn)壓力在掘進(jìn)過程中可以顯著影響隧道開挖引起的地表沉降峰值的大小。在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)在不同的區(qū)段會(huì)有著不同的掘進(jìn)壓力，從圖2（b）、圖3（b）可以看出，在51～57 環(huán)的區(qū)間掘進(jìn)壓力基本保持在250～270kPa 的范圍，而91～97環(huán)的區(qū)間則保持在220～230kPa的范圍。它們對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線也因此呈現(xiàn)出不同形態(tài)，圖2（a）中沉降槽寬度略大于單圓Peck公式擬合的沉降槽，而圖3（a）中沉降槽寬度則與雙圓Peck修正公式擬合的沉降槽寬度貼近。圖3（a）與圖2（a）沉降槽寬度相比較有略微的增大。可以看出，除了兩沉降剖面的形態(tài)不同外，圖2（a）的沉降量比圖3（a）減少約15mm，這是由于在51～57環(huán)推進(jìn)過程中用了比91～97環(huán)掘進(jìn)過程更高的掘進(jìn)壓力，使得地表沉降量更小。

2.2 掘進(jìn)速度

圖2（c）、圖3（c）顯示了盾構(gòu)通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)間時(shí)的掘進(jìn)速度（以mm/min 為單位）的變化。本次工程中在55環(huán)與95環(huán)范圍出土率設(shè)定在同一數(shù)值浮動(dòng)，出土率的大小對(duì)掘進(jìn)壓力有著直接的影響。掘進(jìn)速度的大小應(yīng)與出土率相當(dāng)，當(dāng)掘進(jìn)速度過高而出土率過低時(shí)地表沉降會(huì)減少，當(dāng)掘進(jìn)速度不及出土率時(shí)地表沉降便會(huì)增大。所以當(dāng)兩環(huán)出土率相當(dāng)時(shí)，從圖2（c）中可以觀察到51～57環(huán)掘進(jìn)速度在9～12mm/min范圍時(shí)，土壓力在250～270kPa，而在當(dāng)圖3（c）中掘進(jìn)速度在3～6mm/min范圍時(shí)，土壓力范圍則在220～230kPa，兩者的地表沉降也顯然是掘進(jìn)速度更大的沉降量更低，這是由于掘進(jìn)速度與出土率的關(guān)系影響掘進(jìn)壓力大小所導(dǎo)致的。

3 地表沉降規(guī)律

3.1 地表橫向規(guī)律

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中由于施工參數(shù)的變化，地表橫向上呈現(xiàn)的曲線形態(tài)會(huì)有所不同，從圖2（a）、圖3（a）中可以觀察到類矩形盾構(gòu)橫向地表沉降總體上符合Peck 公式，其中55 環(huán)與95 環(huán)分別與單圓Peck 公式和雙圓修正Peck公式相吻合，雖然兩者的峰值沉降與形態(tài)有較大差異，但仍然是在單圓與雙圓修正Peck的范圍內(nèi)，造成此種現(xiàn)象的原因是兩者在推進(jìn)過程中使用的掘進(jìn)壓力不同導(dǎo)致沉降曲線受到影響，如果使用更高或者更低的掘進(jìn)壓力沉降曲線會(huì)超出單圓Peck 與雙圓修正Peck 所預(yù)測(cè)的范圍。所以掘進(jìn)壓力應(yīng)選取230～260kPa之間。

圖2 DBC 55 剖面的地表沉降和操作參數(shù)

圖3 DBC 95 剖面的地表沉降和操作參數(shù)

3.2 地表縱向規(guī)律

圖4 顯示了盾構(gòu)機(jī)通過2 個(gè)監(jiān)測(cè)剖面DBC55 與DBC95時(shí)，不同監(jiān)測(cè)剖面中點(diǎn)的地表峰值沉降變化。

圖4 2 個(gè)DBC 的沉降峰值

在55、95 環(huán)開挖過程中，盾構(gòu)機(jī)通過相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)前地表沉降都出現(xiàn)了隆起，這是由于掘進(jìn)面壓力對(duì)前方土體的擠壓所導(dǎo)致的土層變形。且DBC55環(huán)的隆起達(dá)到9.52mm，DBC95 環(huán)達(dá)到5.6mm。在盾構(gòu)通過所監(jiān)測(cè)的開挖環(huán)數(shù)一段時(shí)間后，DBC55 環(huán)沉降為+12.97mm，而DBC95 環(huán)沉降則達(dá)到-28.52mm，兩者的隆起與沉降值分別接近隆起+1cm與沉降-3cm的控制閾值。由此可以得出，在高掘進(jìn)壓力與低掘進(jìn)壓力下盾構(gòu)的隆起與沉降會(huì)分別加大，在較高掘進(jìn)壓力下，雖然隆起增加，但沉降與低掘進(jìn)壓力相比會(huì)明顯減小。因此，在10m 范圍的砂質(zhì)粉土層下類矩形盾構(gòu)施工選擇230～260kPa 之間的掘進(jìn)壓力會(huì)對(duì)地表的隆起與沉降起到很好的控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于杭州9 號(hào)線一期折返線盾構(gòu)段工程的現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)與地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)砂質(zhì)粉土層中類矩形盾構(gòu)開挖引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，同時(shí)還探討了盾構(gòu)施工參數(shù)的變化對(duì)地表沉降的影響。

（1）類矩形盾構(gòu)的地表橫向沉降曲線在掘進(jìn)面壓力與前方土體壓力相平衡的情況下介于單圓Peck 與雙圓Peck 修正公式之間。在沉降與隆起控制在規(guī)范范圍內(nèi)時(shí)，掘進(jìn)壓力過低或者過高的情況下沉降曲線會(huì)分別向單圓Peck 公式與雙圓Peck 修正公式所擬合的曲線趨近。

（2）盾構(gòu)出土率一定情況下，掘進(jìn)速度過快或者過低會(huì)直接影響掘進(jìn)壓力的大小，掘進(jìn)速度快其掘進(jìn)壓力大，掘進(jìn)速度慢則掘進(jìn)壓力小。

（3）通過分析55環(huán)、95環(huán)的縱向沉降曲線，發(fā)現(xiàn)類矩形盾構(gòu)施工在較大的掘進(jìn)壓力下地表的沉降值相對(duì)于較小掘進(jìn)壓力會(huì)明顯減小。當(dāng)掘進(jìn)壓力在230～260kPa時(shí)，地表隆起與沉降得到很好的控制。