基于長期監(jiān)測的盾構(gòu)連續(xù)穿越復(fù)合多樣性地層襯砌變形研究

連 杰，韓馨茹，曾愛軍，李煒明，吳 政

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510330；3.中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040)

0 引言

朱合華等[1]通過對盾構(gòu)施工各過程進(jìn)行數(shù)值模擬，提出等效法來模擬不連續(xù)模型力學(xué)變化，依托大阪地鐵現(xiàn)場施工作為背景，分析不同方式注漿壓力下計(jì)算值與實(shí)測值的區(qū)別。朱偉等[2]通過對比盾構(gòu)隧道施工過程中各種問題，總結(jié)國內(nèi)外目前施工中較常見的4種管片設(shè)計(jì)方案，針對深圳地鐵進(jìn)行幾種方案對比研究，提出方案選擇的原則。張志強(qiáng)等[3]以南京地鐵盾構(gòu)施工為背景，基于有限元模型模擬了盾構(gòu)施工過程中管片變形、應(yīng)力等參數(shù)，并與實(shí)測值進(jìn)行對比分析，為實(shí)際施工提供參考。譚忠盛等[4]對廣州地鐵不均勻地層盾構(gòu)施工進(jìn)行分析，復(fù)合盾構(gòu)模式解決不均地層施工過程中的技術(shù)難題，調(diào)整和控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，改良施工技術(shù)并加強(qiáng)監(jiān)測。方勇等[5]借助三維有限元模型分析隧道施工過程中變形受施工的影響，分析了彎矩及軸力等參數(shù)不同程度的影響，施工過程中推力、注漿壓力等對既有隧道影響較大。何川等[6]依托盾構(gòu)隧道襯砌特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證管片原型實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)方法，將其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用到南京長江隧道等現(xiàn)場施工過程中，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證加載對結(jié)構(gòu)體系的可靠度。何祥凡等[7]對深圳地鐵上軟下硬地層盾構(gòu)施工中的內(nèi)頂推力進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整掌子面分區(qū)內(nèi)頂推力比例來減小管片由軟入硬段應(yīng)力。

1 復(fù)合地層盾構(gòu)施工襯砌變形監(jiān)測

廣州地鐵18號線橫跨天河、海珠等區(qū)域，HP2中間風(fēng)井-HP3盾構(gòu)井為其中一個盾構(gòu)區(qū)間，此盾構(gòu)區(qū)間施工采用盾構(gòu)的施工工法。盾構(gòu)在區(qū)間施工過程中穿越不同風(fēng)化程度的巖層及砂層，管片采用單層襯砌結(jié)構(gòu)，施工過程中對管片變形進(jìn)行監(jiān)測。

盾構(gòu)管片在施工過程中需要對凈空收斂以及拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測。凈空收斂是盾構(gòu)管片安裝完成后周圍圍巖對其作用，通過對兩個對稱監(jiān)測點(diǎn)水平距離進(jìn)行監(jiān)測，初次監(jiān)測值為初始值，后續(xù)每日施工基于前一天監(jiān)測值引起的變形值稱為日變形值，其日變形值的累計(jì)變形值即凈空收斂值；拱頂沉降則是對拱頂監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，初始監(jiān)測值以及累計(jì)監(jiān)測值與凈空收斂監(jiān)測定義相同，不同點(diǎn)在于拱頂沉降只有一個監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)示意圖如圖1所示，A，B，C為管片未安裝前所在結(jié)點(diǎn)位置，虛線為管片在初次施工產(chǎn)生變形后的位置，其中：A＇，B＇距離為凈空收斂首次觀測結(jié)果，后續(xù)凈空收斂變形值在此基礎(chǔ)上進(jìn)行累計(jì)；C＇為拱頂沉降首次觀測結(jié)果，后續(xù)拱頂沉降值以此為基礎(chǔ)。無論是凈空收斂還是拱頂沉降，在監(jiān)測過程中需設(shè)置預(yù)警值及控制值，當(dāng)變形達(dá)到這一限度后，需對施工工藝及方案進(jìn)行調(diào)整，對于HP2-HP3盾構(gòu)井監(jiān)測預(yù)警值均設(shè)置為16 mm，控制值均設(shè)為20 mm。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)示意

施工過程中為防止變形過大影響后續(xù)施工及使用需不斷進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)需均勻分布在施工線路中，監(jiān)測點(diǎn)按間距50 m布置。右線2020年7月19日測點(diǎn)分布如圖2所示，刀盤所在位置為黑色虛線處，其里程為YDK21+770，其中凈空收斂監(jiān)測點(diǎn)為YGGJ21+434-1，YGGJ21+434-2，YGGJ21+484-1，YGGJ21+484-2，YGGJ21+534-1，YGGJ21+534-2，YGGJ21+584-1，YGGJ21+584-2，拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)為YGGJ21+434，YGGJ21+484，YGGJ21+534，YGGJ21+584。在監(jiān)控范圍內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)位置保持不變，隨盾構(gòu)不斷施工刀盤位置不斷向前移動，測點(diǎn)處每日監(jiān)測累計(jì)變形值隨之不斷變化，直至刀盤所在位置不在測點(diǎn)監(jiān)測范圍內(nèi)后更換測點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)測。

圖2 2020年7月19日右線測點(diǎn)分布

盾構(gòu)井HP2-HP3施工過程中對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，選取其中凈空收斂、拱頂沉降進(jìn)行分析。凈空收斂又稱凈空變形，通常是盾構(gòu)開挖完成后圍巖向隧道內(nèi)部擠壓侵占隧道凈空，一般采用兩個固定監(jiān)測點(diǎn)作為原始監(jiān)測值，通過這兩點(diǎn)相對位置變化來體現(xiàn)凈空收斂值的大小。HP2-HP3段由于右線先開始施工且同時貫通，故右線監(jiān)測時間長于左線。右線監(jiān)測里程起自YDK20+018，止于YDK22+614，右線全長為2 819.278 m，監(jiān)測時間自2019年12月17日開始至2021年1月20日結(jié)束，共計(jì)監(jiān)測時長401天，其中，截至2020年10月14日，除中途缺失2019年12月13日、2020年2月16日—19日、2020年4月10日監(jiān)測數(shù)據(jù)外，監(jiān)測頻率為1天1次；2020年10月14日至2021年1月20日期間由于盾構(gòu)施工已貫通，監(jiān)測頻率調(diào)整至1周1次。

左右線在施工過程中無論是對凈空收斂還是拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測，由于左右線施工開始時間不同、經(jīng)過的地層不同、監(jiān)測點(diǎn)布置也不同等，導(dǎo)致左右線監(jiān)測曲線存在部分差異。右線開始施工時間為2019年12月17日，相較左線開始時間2020年3月8日提前82天，左右線同期貫通，故右線監(jiān)測數(shù)據(jù)量相對大于左線。左右線盾構(gòu)掌子面穿過地層一致，大致分為微風(fēng)化花崗巖(9H)、中風(fēng)化花崗巖(8H)、中風(fēng)化含礫粗砂巖(8-1)、中粗砂(3-2)等幾個地層，但由于左右線地層分布存在差異，左右線測點(diǎn)相同時間的監(jiān)測頻率、監(jiān)測次數(shù)以及測點(diǎn)累計(jì)最大值大小存在差異。左右線曲線存在部分相同點(diǎn)，其曲線均呈現(xiàn)出刀盤里程不斷增大，測點(diǎn)處累計(jì)變形值呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，曲線中部分累計(jì)值減小但整體趨勢仍不斷增大的特點(diǎn)；刀盤里程保持不變時，監(jiān)測數(shù)據(jù)在刀盤達(dá)到該里程累計(jì)變形上較小幅度波動變化。左右線均出現(xiàn)3組同斜率平斜線，以右線為例，右線地層的改變導(dǎo)致產(chǎn)生3種斜率曲線。對于同一種地層產(chǎn)生同一斜率是由于施工過程中按50 m間距布置監(jiān)測點(diǎn)，在施工中通過3，4個測點(diǎn)同時進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測值不一致但其增長的速率一致，導(dǎo)致同一時間開始監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線大致呈平行狀態(tài)。HP2-HP3段右線全程凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)隨監(jiān)測時間變化曲線如圖3所示?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來自共計(jì)108個監(jiān)測點(diǎn)，由于凈空收斂監(jiān)測以2個點(diǎn)為一組，共計(jì)54組測點(diǎn)，每組測點(diǎn)對應(yīng)圖3中一條曲線，不同的虛線方框內(nèi)對應(yīng)不同的地層。凈空收斂監(jiān)測是累計(jì)變形量的監(jiān)測，故每條監(jiān)測曲線數(shù)據(jù)基于初次監(jiān)測值進(jìn)行相對變形累計(jì)。對于凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線變形，由于部分測點(diǎn)組監(jiān)測時間較短，只呈現(xiàn)出變形急劇增大的過程，右線整體測點(diǎn)最大凈空收斂變形值為8.6 mm，同時，2020年11月18日后右線貫通，變形累計(jì)值在貫通后不再發(fā)生變化。

圖3 右線凈空收斂監(jiān)測曲線

拱頂沉降監(jiān)測作為保障盾構(gòu)施工安全及隧道整體穩(wěn)定性的重要監(jiān)測手段，通過對監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形進(jìn)行監(jiān)測。HP2-HP3右線盾構(gòu)區(qū)間拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，自2019年12月17日至2020年3月17日，對3個測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測期間刀盤施工里程至YDK20+176處后不再發(fā)生變化，監(jiān)測累計(jì)數(shù)據(jù)隨刀盤里程不斷增加而呈現(xiàn)出不斷遞增趨勢，拱頂沉降在增長區(qū)間最大為9.4 mm，刀盤里程不變后累計(jì)變形穩(wěn)定保持在8.0 mm附近波動。2020年3月17日—8月27日期間，測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出監(jiān)測次數(shù)少、監(jiān)測累計(jì)變形值線性增加、監(jiān)測累計(jì)最大值均小于5.0 mm等特點(diǎn)，刀盤里程在此監(jiān)測區(qū)間內(nèi)增長較快，盾構(gòu)施工較快。2020年8月27日—11月18日，測點(diǎn)數(shù)相比上一個時間段急劇減小，同時，測點(diǎn)的監(jiān)測次數(shù)增多，監(jiān)測累計(jì)值最大值在此區(qū)間增長至8.5 mm，監(jiān)測至2020年10月14日，監(jiān)測頻率由1天1次變成1周1次。2020年11月18日至2021年1月20日，監(jiān)測頻率為1周1次，由于本監(jiān)測期間右線盾構(gòu)施工已貫通，累計(jì)變形值不再發(fā)生變化，測點(diǎn)拱頂沉降累計(jì)變形值為3.9 mm與4.0 mm。

圖4 右線拱頂沉降監(jiān)測曲線

2 中等風(fēng)化地層管片變形

盾構(gòu)機(jī)施工過程中自HP2出發(fā)穿越(8-1)礫巖、含礫砂巖中等風(fēng)化層、(7-1)礫巖強(qiáng)風(fēng)化層，盾構(gòu)機(jī)在不同地層施工對管片產(chǎn)生的變形不同，以下按盾構(gòu)機(jī)穿越兩種地層進(jìn)行分析。

右線盾構(gòu)機(jī)所通過地層為(8-1)礫巖、含礫砂巖中等風(fēng)化層，其中，盾構(gòu)管片埋深為29 m，地層所在里程為YDK20+031。通過對通過初始地段施工過程中凈空收斂、拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，測點(diǎn)組GGS19+784-1，GGS19+784-2，GGS19+834-1，GGS19+834-2與GGS19+884-1，GGS19+884-2(以下統(tǒng)稱為測點(diǎn)組)為通過該斷面且監(jiān)測時間最長、監(jiān)測次數(shù)最多，其斷面所在里程處地層分布如表1所示。

表1 地層參數(shù)表1

右線測點(diǎn)組GGS19+784(YGGJ19+784)、GGS19+834(YGGJ19+834)和GGS19+884(YGGJ19+884)作為全線最早開始監(jiān)測的測點(diǎn)組，自2019年12月17日開始監(jiān)測變形值，初始監(jiān)測刀盤里程位于YDK20+018，監(jiān)測結(jié)束刀盤所在里程位于YDK20+226。測點(diǎn)組GGS19+784監(jiān)測結(jié)束距離為7.974 10 m，其累計(jì)變形量為-7.00 mm；測點(diǎn)組GGS19+834監(jiān)測初始距離為7.981 50 m，其累計(jì)變形量為-5.70 mm；測點(diǎn)組GGS19+884監(jiān)測初始距離為7.968 10 m，其累計(jì)變形量為-6.20 mm。測點(diǎn)組前后間距50 m進(jìn)行分布，其現(xiàn)場監(jiān)測累計(jì)值曲線如圖5所示，3組測點(diǎn)組監(jiān)測曲線均呈現(xiàn)出隨監(jiān)測時間延長，變形累計(jì)值不斷增大的趨勢，而后趨于穩(wěn)定。3組典型測點(diǎn)組累計(jì)監(jiān)測時長93天，累計(jì)最大變形為-8.6 mm，其變形整體上呈現(xiàn)出先急劇增大然后達(dá)到穩(wěn)定，無論是變形增大還是穩(wěn)定過程中，其累計(jì)值均呈現(xiàn)出隨時間不斷波動的規(guī)律。通過對監(jiān)測日期刀盤所在位置處進(jìn)行分析，隨著刀盤里程不斷增加，所產(chǎn)生的收斂變形值也隨之增大；刀盤里程不變時，所產(chǎn)生的收斂變形值在其穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)波動。除累計(jì)變形監(jiān)測外，日變形量同樣需要加以關(guān)注，監(jiān)測組GGS19+884最大日變形量出現(xiàn)在2019年12月29號，其最大變形值為-1.30 mm。

圖5 (8-1)地層典型凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)

右線測點(diǎn)GGS19+784，GGS19+834和GGS19+884作為全線最早開始監(jiān)測的測點(diǎn)，自2019年12月17日開始監(jiān)測沉降值，初始監(jiān)測刀盤里程位于YDK20+018，于2020年3月17號監(jiān)測結(jié)束，監(jiān)測結(jié)束刀盤所在里程位于YDK20+226。測點(diǎn)組GGS19+784監(jiān)測結(jié)束高程為-7.964 6 m，其累計(jì)變形量為-6.70 mm；測點(diǎn)組GGS19+834監(jiān)測結(jié)束高程為-7.983 3 m，其累計(jì)變形量為-7.20 mm；測點(diǎn)組GGS19+884監(jiān)測結(jié)束高程為-7.997 4 m，其累計(jì)變形量為-7.30 mm。其現(xiàn)場監(jiān)測累計(jì)值曲線如圖6所示。3個測點(diǎn)監(jiān)測曲線均同凈空收斂規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的規(guī)律。

圖6 (8-1)地層典型拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

右線盾構(gòu)施工過程中掌子面穿過(7-1)礫巖強(qiáng)風(fēng)化層，其中盾構(gòu)管片埋深為34 m，地層所在里程為YDK21+642。通過對通過該里程斷面處凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，測點(diǎn)組YGGJ21+434-1，YGGJ2+434-2與YGGJ21+484-1，YGGJ21+484-2為通過該斷面且監(jiān)測時間最長、監(jiān)測次數(shù)最多，其斷面所在里程處地層分布如表2所示。

表2 地層參數(shù)表2

測點(diǎn)組YGGJ21+434與YGGJ21+484自2020年7月4日開始監(jiān)測變形值，初始監(jiān)測刀盤里程位于YDK21+612，監(jiān)測結(jié)束刀盤所在里程位于YDK21+825。測點(diǎn)組YGGJ21+434監(jiān)測結(jié)束距離為7.680 00 m，其累計(jì)變形量為-4.50 mm；測點(diǎn)組YGGJ21+484監(jiān)測結(jié)束距離為7.485 20 m，其累計(jì)變形量為-4.50 mm。兩測點(diǎn)前后間距50 m進(jìn)行分布，其現(xiàn)場監(jiān)測累計(jì)值曲線如圖7所示，兩測點(diǎn)組監(jiān)測曲線均呈現(xiàn)出隨監(jiān)測時間延長，變形累計(jì)值不斷增大的趨勢，但隨監(jiān)測時間的變化曲線斜率逐漸平緩，變形累計(jì)增長值逐步趨于穩(wěn)定。除累計(jì)變形監(jiān)測外，日變形量同樣需要加以關(guān)注。監(jiān)測組YGGJ21+434最大日變形量出現(xiàn)在2020年7月19日，其最大變形值為-0.60 mm；監(jiān)測組YGGJ21+484最大日變形量出現(xiàn)在2020年7月19日，其最大變形值為-0.70 mm。

圖7 (7-1)地層典型凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)

測點(diǎn)YGGJ21+434與YGGJ21+484自2020年7月4日開始監(jiān)測原始高程值，初始監(jiān)測刀盤里程位于YDK21+612，于2020年7月20日兩個測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)束，監(jiān)測結(jié)束刀盤所在里程位于YDK21+825。測點(diǎn)YGGJ21+434監(jiān)測結(jié)束高程為7.690 6 m，其累計(jì)變形量為-3.10 mm；測點(diǎn)組YGGJ21+484監(jiān)測結(jié)束高程為7.485 20 m，其累計(jì)變形量為-4.10 mm?，F(xiàn)場監(jiān)測累計(jì)值曲線如圖8所示，兩測點(diǎn)監(jiān)測曲線均呈現(xiàn)出隨監(jiān)測時間延長，高程差累計(jì)值不斷增大的趨勢，但隨監(jiān)測時間的變化曲線斜率逐漸平緩。

圖8 (7-1)地層典型拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文依托廣州地鐵18號線工程，分析了盾構(gòu)施工連續(xù)穿越復(fù)合多樣性地層的襯砌變形，對于多樣性地層中的中等風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層的盾構(gòu)襯砌凈空收斂、拱頂沉降進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

HP2-HP3右線盾構(gòu)連續(xù)穿越多樣性地層時，凈空收斂共計(jì)108個測點(diǎn)，凈空收斂以2個測點(diǎn)為一組，即54組測點(diǎn)組，拱頂沉降共計(jì)54個測點(diǎn)；區(qū)間內(nèi)拱頂沉降監(jiān)測最大變形累計(jì)值為-9.4 mm，凈空收斂最大變形累計(jì)值為-8.6 mm。

盾構(gòu)穿越礫巖、含礫砂巖中等風(fēng)化地層時，拱頂沉降監(jiān)測最大變形累計(jì)值為-9.4 mm，凈空收斂最大變形累計(jì)值為-8.6 mm；本工程拱頂沉降、凈空收斂預(yù)警值均為16 mm，控制值均為20 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明施工控制較為良好。

盾構(gòu)穿越礫巖強(qiáng)風(fēng)化地層時，拱頂沉降監(jiān)測最大變形累計(jì)值為-4.1 mm，凈空收斂最大變形累計(jì)值為-4.5 mm，均小于本工程礫巖、含礫砂巖掘進(jìn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。