大直徑盾構(gòu)隧道施工對大堤的影響分析

孫小波，壽凌超，龐 晉

（1.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，杭州311265；2.浙江明燧科技有限公司，杭州 310000）

隨著城市對交通需求量的增加，過江隧道的修建越來越多，結(jié)構(gòu)外徑也越來越大，現(xiàn)多采用泥水式盾構(gòu)法修建超大直徑隧道，例如杭州錢江隧道[1]。盾構(gòu)法有施工安全高效、對周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點[2]，但仍會對周圍土體會產(chǎn)生擾動，引起地層的變化。任瑛楠等[3]建立了地鐵下穿錢塘江大堤的三維非線性有限元模型，分析了施工的各個控制措施，提出堤壩沉降主要由土體變形引起，應(yīng)對土艙壓力等參數(shù)進行控制；吳為義等[4]通過分析現(xiàn)場實測，并建立有限元模型，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)下穿大堤時的橫向沉降槽呈高斯正態(tài)分布；楊建剛[5]建立沿江通道工程的數(shù)值模型，模擬了大直徑隧道下穿導(dǎo)堤的4 種工況，得到盾構(gòu)隧道的施工順序?qū)Υ蟮坛两涤幸欢ㄓ绊?；黃海[6]研究了盾構(gòu)隧道下穿錢塘江對大堤的影響，得到大堤沉降主要在盾構(gòu)機通過大堤階段和盾尾脫出階段引起；李宗梁等[7-8]通過分析過江隧道在盾構(gòu)穿越錢塘江大堤時的實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合Peck經(jīng)驗公式，得到大堤的沉降規(guī)律及提出盾構(gòu)過堤時的沉降控制措施。

本文通過對艮山東路過江隧道附近大堤地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，得到了盾構(gòu)隧道穿越大堤時對大堤沉降的影響規(guī)律。并采用Peck 公式[9]進一步分析隧道穿越對大堤結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 工程概況

艮山東路過江隧道位于下沙大橋和江東大橋之間。盾構(gòu)自大江東始發(fā)井始發(fā)，穿越錢塘江后，于下沙接收井接收。盾構(gòu)隧道外徑14.5 m，隧道內(nèi)徑13.3 m，管片厚度0.6 m，環(huán)寬2 m，采用10 塊“9＋1”分塊形式，管片采用錯縫拼裝。盾構(gòu)隧道穿越地層自上而下主要為雜填土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土、含砂粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和圓礫層。盾構(gòu)段埋深為25.3～33.5 m，全斷面大部分位于粉質(zhì)黏土層，表1 為各土層物理力學(xué)參數(shù)表，圖1 為隧道穿越大堤土層的地質(zhì)剖面圖。

圖1 隧道穿越土層剖面圖

表1 土層物理力學(xué)指標

2 地表沉降監(jiān)測測點布置

下沙段沉降監(jiān)測點：沿著堤線方向布設(shè)4 個監(jiān)測斷面，分別位于堤塘內(nèi)坡坡腳、堤頂?shù)缆贰⒆o坦頂面，堤頂斷面間距為9 m，每個斷面共設(shè)45 個測點，以隧道中心線設(shè)原點開始，向兩側(cè)方向66 m 范圍（間距分別為1.5 m，1.5 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，6 m，6 m，6 m，6 m，12 m）間隔布點，組成觀測網(wǎng)絡(luò)，圖2 為監(jiān)測點平面圖，圖3 為監(jiān)測點斷面圖。

圖2 監(jiān)測點布置平面圖

圖3 監(jiān)測點布置斷面圖

3 地表沉降實測數(shù)據(jù)分析

大堤的S1、S2 斷面為典型的大堤監(jiān)測斷面，結(jié)合盾構(gòu)施工穿越大堤的施工過程，在以下5 種工況時對S1、S2 監(jiān)測剖面的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，5 種工況分別為盾構(gòu)接近時、盾構(gòu)到達前、盾構(gòu)通過時、盾構(gòu)離開時和最終穩(wěn)定時。圖4 為5 種工況下的地表橫向沉降曲線圖。

圖4 大堤沉降隨工況變化圖

1）盾構(gòu)接近時（指盾構(gòu)開挖面距離監(jiān)測斷面為2D左右時，D 為盾構(gòu)直徑），S1 斷面處的地表主要表現(xiàn)為沉降，S2 斷面處部分地表表現(xiàn)為隆起，但2 個斷面處的沉降數(shù)值均在0～1 mm 之間，數(shù)值較小。

2）盾構(gòu)到達前（指盾構(gòu)開挖面距離監(jiān)測斷面為0～2D時），大堤斷面處產(chǎn)生沉降槽，最大地表沉降一般位于隧道上方，S1 斷面處最大沉降量為1.6 mm，S2 斷面處最大沉降量為1.9 mm。其原因主要是施工因素產(chǎn)生的。

3）盾構(gòu)通過時（指盾構(gòu)開挖面通過監(jiān)測斷面時），隨著盾構(gòu)的不斷推進，土艙壓力和千斤頂壓力不斷增大，使得盾構(gòu)機與周圍土體之間產(chǎn)生摩擦力，引起開挖面處的土體應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致地表沉降不斷變大。S1 斷面處最大沉降為5.3 mm，S2 斷面處最大沉降為5.7 mm，沉降點位于隧道中心偏右約3 m 處。

4）盾構(gòu)離開后（指盾構(gòu)開挖面離開監(jiān)測斷面時），橫斷面處的地表沉降進一步增大，此時S1 斷面的最大沉降為7.5 mm，S2 斷面的最大沉降為8.7 mm。原因是盾殼與地層之間的摩擦阻力引起盾殼擾動沉降，此外盾尾脫離后盾殼與襯砌之間的間隙也會引起沉降，盾尾處注漿量不足或注漿壓力不夠，也會引起地層損失。因此在掘進時需要保證注漿充分和控制注漿壓力，以防土體產(chǎn)生收縮塌陷。

5）最終穩(wěn)定時（盾構(gòu)開挖面離開監(jiān)測斷面10D時），S1 斷面最大地表沉降約為8.6 mm，S2 斷面最大地表沉降約為10.5 mm。其原因可能是土體固結(jié)、次固結(jié)和蠕變引起的。

盾構(gòu)隧道施工穿越大堤時，5 個階段的沉降量占總沉降量的百分比情況見表2。S1、S2 剖面監(jiān)測點的前期沉降值分別占總沉降的7%和5%，所占的百分比較小。盾構(gòu)到達時階段的沉降占總沉降的14%。大部分沉降主要是在盾構(gòu)通過時階段和盾構(gòu)通過后階段產(chǎn)生，2個階段所產(chǎn)生的沉降值分別占總沉降的44.5%和25.5%，為最危險的階段，沉降變化較大，應(yīng)加強監(jiān)測并做好防范措施。后期長期沉降階段的沉降值占總沉降值的15%，也是不容忽視的。

表2 監(jiān)測點在各階段沉降量占總沉降的百分比 %

圖5 為S1、S2 剖面大堤地表沉降穩(wěn)定時橫斷面圖，隨著盾構(gòu)的推進，大堤的地表沉降不斷增加，當(dāng)左線貫通后，S1 斷面地表沉降的最大值為8.7 mm，位于左線隧道的正上方，當(dāng)右線貫通后，S1 斷面地表沉降的最大值為11.3 mm，位置仍處于盾構(gòu)隧道左線的正上方，且大于右線正上方處的地表沉降值。左右線中間處的地表沉降略小于隧道正上方處的地表沉降值，原因是隧道左線先施工，隧道右線施工時會影響左線上方的地表沉降。左線貫通后，S2 斷面地表沉降的最大值為10.21 mm，位于左線正上方；右線貫通后，S2 斷面地表沉降的最大值為13.4 mm，位置仍處于盾構(gòu)隧道左線的正上方，大于右線正上方處地表沉降值，左右線中間處的地表沉降略小于隧道正上方處的地表沉降值，原理同上。S5、S40 處的沉降控制在2 mm 以內(nèi)，可視為盾構(gòu)隧道施工對該處的沉降無影響，可知盾構(gòu)隧道對大堤沉降的影響范圍為2.3D。

圖5 大堤地表沉降穩(wěn)定時橫斷面圖

圖6 為S1、S2 監(jiān)測剖面橫線地表沉降實測值與Peck 公式擬合的比較圖。由圖可知，監(jiān)測剖面橫向地表沉降曲線的變化規(guī)律與Peck 公式的變化趨勢相一致，但現(xiàn)場的實測值基本都大于Peck 公式擬合值，可能原因是大堤結(jié)構(gòu)重度大于一般地層，與盾構(gòu)在其他一般地層中掘進相比，在相同埋深的情況下，在大堤下掘進時開挖面水土壓力更大、沉降更大。

圖6 大堤地表沉降實測值與Peck 公式的比較圖

4 結(jié)論

1）隨著盾構(gòu)的推進，地表沉降增大，同一斷面橫向沉降槽寬度基本不變，沉降曲線變陡。盾構(gòu)到達監(jiān)測斷面前（距離斷面0～2D 左右），開始產(chǎn)生明顯的橫向沉降槽；地表沉降最大值一般在隧道中心點處，距離隧道中心越遠地表沉降越小。

2）在盾構(gòu)通過時和盾構(gòu)通過后階段，2 個監(jiān)測點沉降值所占總沉降的比值較大，分別為44.5%和25.5%。這2 個階段產(chǎn)生的沉降值約占總沉降值的70%。

3）盾構(gòu)對大堤沉降的影響范圍為2.3D。