南寧富水砂層盾構(gòu)施工變形規(guī)律分析及控制措施研究

廖鵬

（1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

1 引言

目前，對(duì)于南寧地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越富水砂層的研究不多，而富水砂層是南寧地區(qū)比較典型的地層，在施工過程中經(jīng)常遇到。本文以南寧地鐵1 號(hào)線某區(qū)間為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了富水砂層盾構(gòu)施工地表沉降的變形規(guī)律，分析了造成影響的因素，給出富水砂層盾構(gòu)施工的地表沉降控制措施，對(duì)南寧及相關(guān)地區(qū)類似地層中的盾構(gòu)隧道施工具有指導(dǎo)意義。

2 工程概況

本區(qū)間隧道為兩條單洞單線圓形盾構(gòu)隧道，線路長(zhǎng)1 170 m，線間距13~15 m，曲線半徑為800 m；線路埋深14.5~20.7 m；線路最大坡度為23‰，盾構(gòu)管片外徑6 m，寬1.5 m，采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。

本區(qū)間主要穿越地層為雜填土①1、素填土①2、黏土②2-1、粉質(zhì)黏土②2-2、粉質(zhì)黏土②4-2、軟塑狀粉質(zhì)黏土②5-2、粉土③1、粉細(xì)砂④1-1、圓礫⑤1-1、卵石⑤1-2、泥巖、粉砂泥巖⑦1-2泥巖、粉砂泥巖⑦1-3。本區(qū)間地下水主要有兩種類型：上層滯水和松散巖類孔隙水。左右線分別有227 m 和485 m 進(jìn)入粉細(xì)砂層。

3 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)按影響程度分3 個(gè)等級(jí)，隧道正上方0.7H水平距離為強(qiáng)烈影響區(qū)（H為隧道埋深）；（0.7~1.0）H水平距離范圍為顯著影響區(qū)；（1.0~1.5）H水平距離范圍為一般影響區(qū)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)，由道路中線向兩邊對(duì)稱布設(shè)。

對(duì)本區(qū)間地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率為：掘進(jìn)面距監(jiān)測(cè)斷面前后的距離≤20 m 時(shí)，1 次/d；掘進(jìn)面距監(jiān)測(cè)斷面前后的距離≤50 m，1 次/2d；掘進(jìn)面距監(jiān)測(cè)斷面前后的距離＞50 m 時(shí)，1 次/周；基本穩(wěn)定后，1 次/月。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道軸線監(jiān)測(cè)斷面分析

隧道軸線監(jiān)測(cè)斷面圖如圖1 所示。

圖1 隧道軸線監(jiān)測(cè)斷面圖

盾構(gòu)施工引發(fā)的地表沉降可分為以下4 個(gè)階段：（1）盾構(gòu)到達(dá)前方，離切口5~20 m，有少量沉降，不超過3 mm，占總沉降量的15%。（2）盾構(gòu)機(jī)開挖至該位置時(shí)，又出現(xiàn)進(jìn)一步的沉降，大約有5 mm，占總沉降量的25%。（3）盾構(gòu)通過時(shí)大約有12 mm 的沉降，占總沉降量的58%。（4）盾尾脫出后，有2.7 mm的沉降，占總沉降量的2%。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)相符，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)各階段的沉降值所占百分比基本一致，沉降絕對(duì)值有所差異。

4.2 地表沉降監(jiān)測(cè)橫斷面分析

如圖2 所示，在右線隧道掘進(jìn)完成后，橫斷面右側(cè)隧道地表變形大于左側(cè)，沉降最大值-29.6 mm，發(fā)生在右線隧道正上方，地表影響范圍約36 m。左線隧道掘進(jìn)完成后，最大沉降量為-39.3 mm，發(fā)生在左線隧道正上方，地表影響范圍約46 m。

圖2 D16 沉降變形橫斷面

圖4 不同注漿系數(shù)地表沉降曲線

5 隧道施工FLAC模擬

針對(duì)隧道施工建立FLAC 模型，對(duì)隧道正常掘進(jìn)狀態(tài)、超挖施工狀態(tài)、注漿量及注漿是否及時(shí)等方面進(jìn)行模擬[1]。

5.1 超挖量對(duì)地層沉降影響規(guī)律分析

按超挖量分別為40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm 4 種工況進(jìn)行模擬，得出的沉降橫斷面曲線如圖3 所示，地表最大沉降值依次為18.4 mm、20.5 mm、23.0 mm、25.1 mm、27.0 mm。不同超挖量造成地表沉降趨勢(shì)基本一致，影響范圍基本在50~60 m。

圖3 不同超挖量工況沉降橫斷面曲線

5.2 注漿量對(duì)地層沉降影響規(guī)律分析

按注漿系數(shù)為0.6、0.7、0.85、1.0 且注漿及時(shí)的4 種工況進(jìn)行模擬，得出的地層沉降橫斷面曲線如圖4 所示。地表沉降量與注漿系數(shù)成反比，當(dāng)注漿系數(shù)a為0.60、0.70、0.85、1.0時(shí)，地表最大的沉降量分別為185 mm、116 mm、77 mm、25 mm。注漿量越少，就會(huì)有越多的孔隙難以被填充，從而導(dǎo)致附近大量土體涌入空隙中，開挖所造成的應(yīng)力重分布其范圍會(huì)更加廣泛，因此，地表容易出現(xiàn)較大的沉降。

5.3 注漿時(shí)間對(duì)地層沉降影響規(guī)律分析

按注漿及時(shí)和不及時(shí)兩種工況進(jìn)行模擬，得出的沉降橫斷面曲線如圖5 所示。若注漿不及時(shí)，引起的地表沉降最大值為44.8 mm，約為及時(shí)注漿時(shí)沉降量的2.2 倍。由于管片在拼裝完成后導(dǎo)致臨空面存在時(shí)間長(zhǎng)，圍巖位移釋放率大，引起極大的地層損失，所以，不及時(shí)注漿會(huì)造成地表沉降大。

圖5 不同注漿時(shí)間地表沉降曲線

5.4 正常掘進(jìn)地層沉降變形情況分析

按超挖量為60 mm，注漿系數(shù)為1.0，注漿及時(shí)的工況進(jìn)行模擬，得出的沉降橫斷面曲線如圖6。右線隧道開挖完成后，地表沉降最大值為-28.8 mm，位于右線正上方，影響范圍約為50 m。左線開挖完成后，地表沉降最大值為-40.6 mm，位于隧道中線處，影響范圍約70 m，最大沉降量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。

6 變形規(guī)律總結(jié)

盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)軸向上的變化規(guī)律為：在監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離掌子面較遠(yuǎn)時(shí)，地表沉降量較小，部分區(qū)域發(fā)生輕微隆起，隨著盾構(gòu)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)越來越近，地表沉降開始增大，當(dāng)盾構(gòu)經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)一定距離后，沉降量達(dá)到最大值[2]。

圖6 正常掘進(jìn)沉降橫斷面曲線

總結(jié)盾構(gòu)推進(jìn)4 階段地表沉降所占比例：（1）盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前方時(shí)該點(diǎn)的沉降量占總沉降量的15%；（2）盾構(gòu)機(jī)開挖至該位置時(shí)該點(diǎn)的沉降量占總沉降量的25%；（3）盾構(gòu)機(jī)通過該監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的沉降量占總沉降量的58%；（4）盾構(gòu)穿越完后期沉降占總沉降量的2%。

7 控制措施研究

通過對(duì)盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)的各種工況模擬可提出以下控制措施。

7.1 控制超挖量

地表沉降的最大值隨著盾構(gòu)機(jī)超挖量的增大而逐漸增加，不同超挖量對(duì)地表沉降影響趨于線性[3]，對(duì)沉降范圍影響不大，施工時(shí)可據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇合適的超挖量，在穿越風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)應(yīng)盡量選用小的超挖量，減小推進(jìn)速度，在非風(fēng)險(xiǎn)源區(qū)段穿越時(shí)可適當(dāng)提高推進(jìn)速度，采用相對(duì)高的超挖量[4]。

7.2 控制注漿量

盾構(gòu)機(jī)注漿量越大，地表沉降量越小，注漿量越少，開挖引起的應(yīng)力重分布的范圍更廣，地表沉降量及影響范圍都隨之增加。由于注漿量對(duì)地表沉降影響較為敏感，因此，建議盾構(gòu)機(jī)在正常段推進(jìn)時(shí)應(yīng)采用大于0.85 的注漿系數(shù)，在通過風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)應(yīng)采用1.0 及以上的注漿系數(shù)，嚴(yán)格控制沉降。

7.3 及時(shí)注漿

盾構(gòu)機(jī)不及時(shí)注漿會(huì)明顯引起地表沉降增大，主要原因是管片拼裝完成后未及時(shí)注漿導(dǎo)致圍巖位移釋放率大，引起較大的地層損失[5]，在本項(xiàng)目條件下，注漿不及時(shí)相比注漿及時(shí)工況沉降值增大了1.2 倍。因此，為保證盾構(gòu)推進(jìn)安全，在全區(qū)段都應(yīng)及時(shí)注漿，避免對(duì)周邊環(huán)境造成較大影響。

8 結(jié)語

本文依托南寧地鐵某區(qū)間項(xiàng)目，通過建立精細(xì)化三維盾構(gòu)模型，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，量化分析了盾構(gòu)穿越富水砂地層推進(jìn)過程的沉降規(guī)律及其盾構(gòu)參數(shù)的影響，提出了控制超挖量、控制注漿量、及時(shí)注漿等多項(xiàng)富水砂層盾構(gòu)施工的地表沉降控制措施，望可對(duì)南寧類似地層的盾構(gòu)施工提供指導(dǎo)。