上軟下硬地層淺埋盾構(gòu)施工引起地表沉降及施工風險研究

張賀，溫永凱

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 引言

隨著城市人口不斷增加，對市政基礎(chǔ)設(shè)施承載能力的要求越來越高，越來越多的大直徑給排水設(shè)施被列入城市基礎(chǔ)建設(shè)清單。其中，盾構(gòu)法以其安全性、對城市交通影響較小、工程周期短等優(yōu)勢被廣泛用于大直徑城市地下隧道建設(shè)工程中。然而，盾構(gòu)施工擾動引起地層損失會導致地面出現(xiàn)不同程度的地表沉降，在不同的地質(zhì)條件下會產(chǎn)生不同的施工風險。已有眾多學者針對軟土地層、砂卵石地層、黃土地層等地質(zhì)條件下非淺埋隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降及施工風險規(guī)律進行了研究，并得出單一地質(zhì)條件下的經(jīng)驗規(guī)律[1-8]。但目前針對淺埋盾構(gòu)施工穿越上軟下硬地層引起的地表沉降及施工風險規(guī)律研究仍然較少。武漢市某市政排水隧道盾構(gòu)施工段沿現(xiàn)狀市政道路規(guī)劃，盾構(gòu)施工段局部穿越突變地層，地層表現(xiàn)為上軟下硬，分析該地質(zhì)情況下盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律有利于施工風險的控制，相關(guān)經(jīng)驗對類似工程施工也具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

某工程盾構(gòu)隧道沿現(xiàn)狀市政道路修建，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑4250mm，管片厚度250mm，隧道襯砌強度等級為C50，抗?jié)B等級P12。其中，K3+410-K3 +510 里程段盾構(gòu)施工穿越突變地層，掘進方向上地層由土層逐漸變化為巖層，該段管頂覆土約為6.0m，為淺埋隧道。該段盾構(gòu)由大里程向小里程方向掘進，地層變化表現(xiàn)為由粉質(zhì)黏土、黏土向礫巖、泥質(zhì)粉砂巖層變化。

2 有限元模型建立

圖1 盾構(gòu)模型

通過三維有限元軟件MIDAS GTS NX 結(jié)合實際地層構(gòu)建分析模型，本次模型建立擬采用本次勘察查明實際地層，橫向上假設(shè)地層水平分布。為減小邊界效應(yīng)影響，模型左右距隧道邊界距離大于3D，模型底邊界距隧道底部大于3D。模型邊界條件：模型表面為自由表面，模型側(cè)面及底面施加法向約束。

巖土材料采用摩爾-庫倫模型，盾殼及混凝土管片剛度較大，采用彈性模型。盾殼厚度0.05m，管片厚度0.25m，均采用殼單元模擬。掘進壓力70kPa，注漿壓力0.25MPa，注漿層通過改變屬性功能來實現(xiàn)。每次開挖步距為標準節(jié)管片長度。各巖土材料參數(shù)見表1、表2。

表1 巖土材料參數(shù)表

表2 盾構(gòu)掘進參數(shù)表

3 地表沉降特征分析

為重點分析地層性質(zhì)差異引起地表沉降規(guī)律的不同，在地表布置四個監(jiān)測斷面JC1、JC2、JC3、JC4，以隧道軸線為X 軸建立坐標系，以隧道掘進方向為正向。JC1、JC2、JC3 三個橫向監(jiān)測斷面監(jiān)測點以X 軸為中心向兩側(cè)均勻布置，間距約2m，每個橫向監(jiān)測斷面布置17 個監(jiān)測點。JC4 監(jiān)測斷面共布置8 個監(jiān)測點，如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測斷面平面布置圖

3.1 隧道縱向地表沉降

通過分析可知，各監(jiān)測斷面地表沉降具有相似的分布規(guī)律（圖3），沉降最大點位于隧道軸線正上方，沉降呈高斯分布。各監(jiān)測斷面最大沉降量有較大差異，非巖石段沉降大于過渡段及巖石段，地表呈現(xiàn)顯著的不均勻沉降。根據(jù)沉降監(jiān)測計算各橫斷面沉降槽寬度i，由表3 可知，淺埋盾構(gòu)施工引起的地表沉降槽寬度i非巖石段>i過渡段>i巖石段，表明淺埋盾構(gòu)施工對非巖石段造成的地層擾動范圍大于巖石段。

圖3 JC1-3監(jiān)測斷面各監(jiān)測點地表沉降規(guī)律

表3 沉降槽寬度統(tǒng)計表

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，盾構(gòu)施工引起地層損失，進而產(chǎn)生地表沉降。由圖4 可知，JC4 監(jiān)測斷面非巖石段盾構(gòu)施工引起的地表沉降最大值在13～15mm 之間，巖石段淺埋盾構(gòu)施工引起的地表沉降最大值在3～4mm 之間。當盾構(gòu)穿越過渡段地層時，地層上軟下硬，隨著掌子面巖層比例逐漸增加，地表沉降最大值隨之減小，當掌子面完全進入巖層時，地表沉降最大值趨于穩(wěn)定。

圖4 JC4監(jiān)測斷面各監(jiān)測點地表沉降規(guī)律

3.2 隧道管片豎向位移分析

將監(jiān)測斷面JC4 沿Z 軸負方向投影至盾構(gòu)管片上，以此作為管片豎向位移監(jiān)測點，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析。由圖5a 可以看出，非巖石段、過渡段、巖石段隧道管片豎向位移具有明顯的位移差，非巖石段豎向位移較大。由圖5b 位移曲線可知，非巖石段隧道管片豎向位移量大于過渡段及巖石段。隨著掌子面巖層占比的增大，過渡段盾構(gòu)管片豎向位移逐漸減小，當掌子面巖層占比增大到約50%時，隨著巖層比例增加，管片豎向位移趨于穩(wěn)定。

圖5 盾構(gòu)管片豎向位移

由圖6 可知，隨著掘進過程中掌子面巖層比例不斷增大，管片頂部監(jiān)測點與相應(yīng)地表監(jiān)測點沉降差逐漸減小，當掌子面完全進入巖層中時，沉降差趨于零，并保持穩(wěn)定，表明盾構(gòu)穿越上軟下硬地層產(chǎn)生的地層損失及地層擾動主要表現(xiàn)在較軟地層中，因此較軟地層的處理是沉降控制的關(guān)鍵。

圖6 隧道及地表監(jiān)測點豎向位移曲線

4 施工風險及應(yīng)對措施

淺埋盾構(gòu)施工穿越上軟下硬不均勻地層時往往會產(chǎn)生諸多問題，主要表現(xiàn)在兩方面：一是地表和管片發(fā)生不均勻沉降；二是盾構(gòu)機姿態(tài)不穩(wěn)定。

4.1 管片及地表沉降風險控制

由第三節(jié)對地表沉降及隧道管片豎向位移分析可知，淺埋盾構(gòu)隧道穿越上軟下硬地層引起的地表沉降差異較大，極易引起地表構(gòu)筑物的不均勻沉降。盾構(gòu)管片在穿越軟硬不均地層時，管片豎向位移表現(xiàn)出明顯的差異。不均勻沉降導致管片應(yīng)力集中，容易引起管線開裂、局部破損及錯臺等問題，降低隧道整體強度及防水功能，在地震等地質(zhì)災(zāi)害工況加持下，極大增加了隧道破壞的風險。由于盾構(gòu)施工擾動在較軟地層中表現(xiàn)較為明顯，因此，針對該類地層，可通過軟弱地層改良加固減小盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層擾動。目前地層改良的方式主要有兩種，一是地面提前加固，在盾構(gòu)掘進前進行注漿或旋噴樁等措施加固處理；二是洞內(nèi)加固，采取注漿的方式在隧道內(nèi)注漿加固，以減小管片的不均勻沉降[9-10]。

4.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)施工穿越過渡段時，由于地層上軟下硬，如盾構(gòu)機控制參數(shù)不及時調(diào)整，極易出現(xiàn)“磕頭”、向地層較軟一側(cè)偏離的現(xiàn)象。針對該地層條件，施工前應(yīng)根據(jù)施工區(qū)間地質(zhì)情況選取合適的刀盤形式，優(yōu)化刀間距和相位角。施工過程中針對過渡段地層，及時調(diào)節(jié)掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、掌子面頂推力及土艙壓力，可有效控制盾構(gòu)機姿態(tài)。當盾構(gòu)施工穿越過渡段地層時，可適當降低掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速，但應(yīng)合理增加土艙壓力，以避免產(chǎn)生過大的地層沉降。為避免出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，可適當減小刀盤上部推力，增加刀盤下部推力。施工過程中應(yīng)加強過渡段的監(jiān)控測量，信息化施工，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)[11-12]。

5 結(jié)論

（1）淺埋盾構(gòu)隧道施工穿越上軟下硬地層時，地表呈現(xiàn)出較明顯的不均勻沉降，隨著掌子面巖層比例逐漸增加，地表沉降最大值逐漸減小，其對應(yīng)的沉降槽寬度也逐漸減小。當掌子面巖層比例達到100%時，地表沉降最大值逐漸趨于穩(wěn)定。隨著掌子面巖層比例逐漸增加，盾構(gòu)管片頂部豎向位移先減小后趨于穩(wěn)定。通過對較軟地層的改良可有效控制因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層沉降。

（2）上軟下硬地層中淺埋隧道盾構(gòu)施工，在合理選取刀盤形式的前提下，應(yīng)合理降低掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速，增加刀盤下部千斤頂推力，降低上部千斤頂推力，適當增加土艙壓力，在達到控制盾構(gòu)機姿態(tài)的同時，減小因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地表沉降。此外，應(yīng)加強相關(guān)監(jiān)控測量。