盾構施工穿越錢塘江大堤沉降控制分析

吳軍君，張開偉

(浙江省錢塘江管理局勘測設計院,浙江 杭州310016)

0 前言

越江隧道因不制約航運、不受氣象條件影響、抗震性能好、戰略意義高等優越性，近些年來在越江工程中普遍應用[1]。盾構法是越江隧道主要的施工方法之一，經過近200 a的應用和發展，盾構施工技術已日益成熟。但隧道盾構在掘進施工過程中，周圍土體將受到擾動作用，應力、應變狀態發生變化。國內外許多學者對盾構施工及其對地表建（構）筑物產生的影響進行了不同程度的分析研究[2]。

徐方京等[3-5]通過不同方法研究了盾構施工引起的土體擾動、地層移動，以及地表沉降等變形規律。O’Reilly和Loganathan[6-7]通過對各種地質條件下開挖隧道時產生的地面沉降測試值的統計，研究分析了地表沉降槽寬度系數的經驗計算公式。

防洪大堤是整個防洪體系的重要組成部分，其抗洪能力直接關乎堤防保護范圍內人民生命財產安全[8]。因此，盾構機穿越錢塘江大堤時，如何有效的控制地表沉降十分關鍵。本文通過對西氣東輸二線管道上海支干線過江隧道施工監測數據的研究分析，總結了盾構施工穿越錢塘江大堤控制地表沉降的相關措施。

1 工程概況

1.1 工程設計概述

西氣東輸二線管道上海支干線錢塘江穿越工程位于錢塘江河口段，北接嘉興海寧市，南連杭州市蕭山區江東經濟技術開發區，穿越長度3148 m，采用泥水平衡盾構隧道穿越方案，盾構管片內徑為3.08 m，隧道中心埋設高程為-14.49 m，隧道穿越錢塘江北岸土層為淤泥質粉質粘土。盾構穿越段為海寧段魚鱗石塘，大部分建于雍正、乾隆年間，塘身條石風化嚴重，條石間的粘結物基本脫落，抗變形能力差。該項穿越始建于清朝的古海塘為史上第一次，穿越施工難度較大。隧道穿越段海塘結構詳見圖1所示。

1.2 場地地質概況

管道穿越區域地層分布情況分述如下：第①層塘身填土、第②1層粉質粘土、第②2層粘土、第③1層粘土、③2層淤泥質粉質粘土夾粉土、第④1層粉質粘土、第④2層粉土夾粉質粘土、第⑤1層粉土夾粉質粘土、第⑤2層粉質粘土，具體物理力學性質指標詳見表1所列。

該工程頂進管道主要位于③2層淤泥質粉質粘土及③3層淤泥質粘土層中。

1.3 測試點布置

盾構施工前，于護塘地區域隧道兩側鉆孔埋設土壓力盒和孔隙水壓力計，觀測盾構機推進過程中地基土體擾動程度和隧道施工完成后土體固結程度；沿隧道軸線且與隧道軸線位于同一高程處埋設2個土壓力盒，觀測盾構機推進過程中的土體水平應力變化幅度；在堤身布設5個沉降觀測斷面，分別為內坡腳(斷面1)、堤頂路面內側(斷面2)、擋浪墻頂(斷面 3)、外海平臺(斷面 4)和魚鱗石塘頂(斷面 5)。測試點平面布置見圖2～圖5所示。

表1 場地土層的物理力學性質指標一覽表

2 觀測數據分析

北岸始發井與內坡腳的距離為316m，2010年7月11日下午6∶30盾構機頭到達大堤內坡腳位置。以錢塘江北岸大堤內坡腳作為零點，內坡方向為負，外海方向為正，盾構機頭與大堤內坡腳的距離作為相應的數值盾構機掘進進度曲線，詳見圖6所示。

2.1 應力觀測數據分析

經過盾構機頭達到前5m,以及盾尾通過后50m的連續觀測，將應力測試值繪制成與測點距離曲線，分析地基土體中孔隙水壓力和土壓力的變化特征。測試結果見圖7～圖10所示。

如圖7和圖8所示：圖中的4位數字符為儀器編號，圖中的孔隙水壓力值計算方法為：將盾構施工影響前的靜水壓力設為零，圖中曲線的變化量為完全由盾構施工影響產生。盾構機頭達到測試點前6 m左右，孔隙水壓力開始變大，機頭通過后10 m左右達到峰值，機頭通過10.5 m時，4859#（4935#破壞）孔隙水壓力達到548.3 kPa。從距離關系可以看出：盾尾位于試驗斷面時，受注漿影響，孔隙水壓力急劇增加，盾尾通過后一段時間，孔隙水壓力開始慢慢減小。盾尾通過后40 m左右，受連續降雨地下水位抬高影響，孔隙水壓力又開始增加。之后，盾構施工對試驗區域地基土體不產生影響，超孔隙水壓力逐漸消散。從儀器埋設高程與隧道軸線高程關系角度分析，隧道軸線高程處的地基土體受盾構注漿施工影響，產生的超孔隙水壓力最大，軸線高程之下土體產生的超孔隙水壓力逐漸減小，至軸線下6 m處土體產生的超孔隙水壓力峰值也只有63 kPa。

土壓力盒埋設位置和深度與前述孔隙水壓力一致，除5659#埋設深度為19 m。圖9中土壓力盒為垂直埋設，受力面平行于隧道軸線，觀測盾構機推進過程中地基土體側壓力的變化規律，圖10中土壓力盒為水平埋設，觀測盾構機推進過程中土體總壓力的變化規律。如圖9和圖10所示：土壓力變化規律與孔隙水壓力變化規律基本一致。盾構機頭達到前6 m左右，土壓力開始變大，機頭通過后10 m左右達到峰值。機頭通過10.5 m時，4880#土壓力達到553.2 kPa。機頭通過9.2 m時，4932#土體側壓力增加278.5 kPa。根據儀器埋設深度以及隧道軸線高程關系可知：靠近隧道軸線的土壓力變化量較大，峰值超過500 kPa，23 m和25 m處的土壓力變化量較小。4880#的應力峰值近似為4932#的兩陪，這與儀器的埋設方法和觀測目的有關，前者是土體側壓力觀測，而后者是土體總壓力觀測。

盾構機推進過程中，于護塘地隧道軸線高程處埋設2個壓力盒，觀測盾構機推進時機頭正面平衡壓力的變化。測試結果見圖11所示。

圖11為隧道軸線位置受盾構施工影響土體應力變化曲線，從圖11可以看出：在盾構機頭離測試點接近10 m時，土體應力開始變化，隨盾構機頭逐漸靠近，土體應力慢慢增加，在機頭距測試點1～2 m時，土體應力達到峰值，分別為24.2 kPa和24.8 kPa，之后逐漸減小直至機頭到達，測試儀器破壞。曲線變化過程中出現波浪型，主要是受盾構施工影響，盾構機掘進過程中測試的土體應力要比襯切片組裝時測試的應力大。

2.2 堤表沉降觀測數據分析

對隧道開挖引起地表沉降的計算，目前工程實踐中普遍采用的是Peck[9]提出的地表沉降的橫向分布正態估算公式。圖12為該工程錢塘江大堤地表5個特征斷面的實測橫向分布曲線。

如圖12沉降分布曲線所示：地表測試點累計沉降量較小，累計沉降最大值為20.4 mm。累計沉降量從遂道軸線向兩側逐漸減小，基本呈正態分布。魚鱗石塘頂沉降量相對較小，與有效的沉降控制措施有關。5個沉降觀測斷面中，堤頂路面內側的沉降槽最陡。根據沉降分布曲線，受盾構機掘進施工影響，隧道軸線兩側20 m范圍內的測試點累計沉降量相對較大。

對于沉降量隨時間的分布規律，本文選取內坡腳、堤頂路面內側和擋浪墻位于隧道軸線上方3個測點，進行累計沉降量分析，測試結果見圖13所示。

如圖13所示：DS23測點的累計沉降量最大，累計沉降值為20.4 mm，DS09和DS37的累計沉降值分別為17.5和17.8 mm。盾尾通過堤身后，此3個測點的累計沉降量分別為1.6 mm、2.1 mm和1.8 mm，即工后沉降分別為15.8 mm、18.3 mm和16.0 mm，工后沉降占總沉降量的百分比分別為90.7、89.8和89.6。根據地質資料，錢塘江北岸土層粘土含量高，受盾構機掘進施工擾動影響，固結沉降歷時較長，工后沉降所占比例大。

3 結論

本文通過對盾構施工過程中試驗段土體應力和錢塘大堤地表沉降試驗數據的分析研究得出如下結論：

（1）盾構施工穿越重要建筑物前需設計試驗段，使各項參數調整到最佳值，穿越時保持盾構良好的掘進狀態，盡可能地減少盾構施工對大堤的擾動，從而有效地控制地表沉降。

（2）盾構機穿越試驗段下覆地層前后，通過應力觀測成果顯示：盾構機頭達到測試點前，土體正面壓力最大值為24.8 kPa，孔隙水壓力最大值為0.54 MPa，觀測值與設計值較為接近。同時結合地表沉降觀測數據分析，認為機頭平衡壓力24 kPa左右和盾尾注漿壓力0.5 MPa穿越錢塘江北岸大堤比較合適，對地基土體擾動較小，同時又能達到控制地表沉降的目的。在盾構機頭掘進過程中，土體受到的水平應力慢慢增加，在機頭距壓力盒1～2 m時，土體水平應力達到峰值，之后逐漸減小直至機頭到達，測試儀器被破壞。盾構機掘進過程中土體受到的水平應力要比管片組裝時土體受到的水平應力大。

（3）實測橫向沉降分布曲線基本呈正態分布，符合Peck正態估算公式。錢塘江北岸嘉興段大堤地基土體粘粒含量較高，施工擾動引起的地表工后沉降歷時較長，所占比例大，需有效的控制盾構施工擾動，減少施工期沉降，將盾構穿越破壞大堤的風險降至最低。

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[2]毛建東,王擁文,王梓燁.某盾構施工錢塘江大堤監測成果分析[J].水利建設與管理,2011,(5).

[3]徐方京,侯學淵.盾尾間隙引起地層移動的機理及注漿方法分析[J].地下工程與隧道,1994,20∶12-16.

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