盾構下穿上軟下硬復合地層監測分析

李新增 孫曉峰 鄒鑫 丁先瑞 徐亞軍

摘要 地鐵盾構施工過程中，如何確保上部建筑與隧道結構安全是施工中的難題。為了確保上部建筑與隧道結構安全，文章以徐州地鐵3號線二期工程盾構下穿上軟下硬地層施工為例，對其地層進行監測，并根據監測結果提出應對措施。根據監測結果可知，該部分隧道處于風化灰巖層中，存在有巖層裂隙，并且在數據異常段落存在注漿壓力不夠、注漿量不足的問題。針對這些情況采取相應措施后監測數據正常，表明該方法可以為類似工程提供借鑒。

關鍵詞 土壓平衡；盾構；上軟下硬地層；監測；沉降

中圖分類號 U455.43 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0135-03

0 引言

在地鐵盾構施工過程中，因為地層以及上部結構等原因，導致了隧道結構安全很容易受到威脅。面對這種情況，要確保上部建筑和隧道結構的安全，就需要根據實際情況采取有針對性的措施，而有效的監測是制定針對性措施的重要前提。該文結合具體工程實踐，對盾構下穿上軟下硬復合地層監測進行探討。

1 工程概況

盾構下穿上軟下硬地層位于徐州地鐵3號線二期工程后蟠桃村站至出入場線明挖段（L1DK0+122.277～L1DK0+759.082，為進場方向右線里程）區間范圍內，區間最小平面曲線半徑350 m，最大縱坡31.5‰，線間距約為9.3～13.4 m，隧道覆土5.4～13.6 m，區間有一處聯絡通道，中心里程為L1DK0+475.500。區間隧道左、右線施工采用鐵建重工土壓平衡盾構機施工，開挖直徑為6.47 m，主機長度8.389 m，盾構機總長約85 m，最大推進力為4 086 t。襯砌管片采用內徑為5.5 m，厚度0.35 m，寬度 1.2 m。盾構區間內地層自上而下分別為：素填土①-2、砂質粉土②-4-2、黏土②-3A-3、黏土⑤-3A-4、中風化灰巖⑾-2-3、溶洞⑾A。區間地下水：淺部土層潛水、巖溶水，巖溶水具有承壓性。盾構區間隧道結構主要穿越中風化灰巖⑾-2-3地層，局部位于黏土⑤-3A-4地層，中風化灰巖地層中有巖溶分布。盾構施工由明挖段基坑端頭井始發，后蟠桃村站接收，右線先行施工。

2 主要風險

盾構下穿上軟下硬地層為：黏土⑤-3A-4地層，中風化灰巖⑾-2-3地層，即從黏土⑤-3A-4地層逐步進入中風化灰巖⑾-2-3地層中；依據右線地質剖面圖及線路縱斷面圖，并且結合左線地質剖面圖及線路縱斷面圖，右線盾構底部在L1DK0+705進入⑾-2-3中風化灰巖地層，盾構頂部進入巖層L1DK0+607進入⑾-2-3中風化灰巖地層，盾構下穿上軟下硬地層縱斷面如圖1所示。

（1）主要風險：上軟下硬地層中硬巖的存在，容易引起盾構姿態突變，且容易導致盾構刀盤在開挖面上、下部巖土體切削程度不一致，引起開挖面與隧道周圍巖土體發生較大地層損失。注漿不及時易產生地面沉降甚至塌陷、隧道管片破損；上面的軟土容易造成超挖，導致出現地表及周邊環境沉降量過大等現象，甚至造成地面坍塌；巖層物理力學特性差異大，基巖風化界面起伏大，斷層破碎帶分布密集，存在基巖裂隙水造成涌水等不利的施工現象。

（2）應對措施：盾構下穿上軟下硬地層中，上層為⑤-3A-4黏土、下層為⑾-2-3中風化灰巖，掘進過程中上部地層較容易被刀盤切削進入土倉，但下部巖層不易被刀盤破碎，盾構掘進施工中嚴格控制掘進速度、土倉壓力、出土量，不得超挖，防止地面坍塌；加強盾構機掘進線路和姿態控制；在上軟下硬地層中，在保證盾構正常掘進的前提下，嚴格控制上、下區油缸推力，防止盾構機抬頭；配置六路同步注漿管路，確保盾構掘進施工中同步注漿量充分注入，同步注漿量不得低于設計值；配置二次注漿及三次補充注漿設備，二次注漿必須在管片脫出盾尾后三環內完成，洞內跟蹤注漿根據地表及周邊環境監測數據及時實施，以便于控制地表沉降。

盾構由L1DK0+759.082始發，下穿主要地層為⑤-3A-4黏土層，盾構底部在L1DK0+705（盾構由大里程向小里程掘進）進入⑾-2-3中風化灰巖地層。在盾構始發時，嚴格控制下穿上軟下硬地層的刀具配置及安裝，避免在土倉上部地層較差的地段進行換刀作業；并且在下穿前對盾構機進行全面檢查，確保盾構順利下穿上軟下硬地層段落。

3 監測分析

3.1 監測情況

2022年5月15日工況，出入場線右線（L1DK）盾構區間正在進行掘進施工，管片拼裝176環，里程為L1DK0+547.88（盾構由大里程向小里程掘進）；刀盤掘進至182環，里程為L1DK0+540.68。在里程為L1DK0+574.32（即線路中心監測點RDBC148-2）的監測斷面地表監測點及徐工科技分公司門衛室監測點出現數據異常，主要數據異常監測點監測數據統計如表1所示。

表中RDBC148-2至RDBC148-5為地表監測點，JGC5-1至JGC5-6為建筑監測點（徐工科技分公司門衛室）。地表沉降累計控制值+10～?30 mm，速率控制值±3 mm/d，速率預警值±2.4 mm/d；建筑物沉降累計控制值±10 mm，速率控制值±2 mm/d，速率預警值±1.6 mm/d。地表監測點變化速率最大的點為RDBC148-5，速率為3.76 mm/d；建筑物監測點變化速率最大的點為JGC5-4，速率為2.63 mm/d。主要監測點布設如圖2所示^[1]。

3.2 監測分析

根據監測數據進行原因分析，盾構施工由明挖段基坑端頭井始發，盾構底部在L1DK0+705進入巖層，盾構頂部在L1DK0+607進入⑾-2-3中風化石灰巖地層，隧道由大里程向小里程掘進，并且隧道掘進位于31.5‰的下坡線路上。數據異常主要監測點在L1DK0+574.32至L1DK0+557（門衛室監測點JGC5-3位于L1DK0+557）范圍內。L1DK0+574.32處隧道埋深11.04 m，隧道頂部地層為：⑾-2-3中風化灰巖厚度1.09 m，黏土⑤-3A-4黏土層厚度4.92 m，黏土②-3A-3厚度為1.28 m，砂質粉土②4-2厚度為1.73 m，素填土①-2厚度為2.02 m。在L1DK0+557處，隧道頂部主要地層為：⑾-2-3中風化灰巖厚度2.06 m，黏土⑤-3A-4黏土層厚度4.45 m，其余地層分別為黏土②-3A-3、砂質粉土②4-2、素填土①-2。L1DK0+557處隧道埋深11.61 m，隧道頂部⑾-2-3中風化灰巖厚度2.06 m，此段落仍然處于上軟下硬地層段落。在此數據異常段落，雖然隧道上覆巖層較淺，在⑾-2-3中風化灰巖上部為⑤-3A-4黏土層，厚度較大（4.92 m），在盾構施工時，盾構埋深以上的土層敏感性較差，沉降變形時間較長，盾構進入⑾-2-3中風化灰巖后，每日掘進一般為5環左右；在盾構掘進至L1DK0+540.68（182環）時，在L1DK0+574.32（154環）至L1DK0+557段落出現沉降速率過大。通過監測數據，結合上軟下硬地質情況分析，并且隧道處在⑾-2-3中風化灰巖層中，存在巖層裂隙等，數據異常段落由于注漿壓力不夠、注漿量不足的問題，造成了監測點沉降速率較大^[2-4]。

4 采取措施及效果

結合監測數據、地質情況及盾構掘進參數綜合分析，由于注漿量不足，導致2022年5月15日出現地表及建筑物沉降速率超控制值，采取二次注漿及補充注漿，并增大注漿壓力及注漿量等措施^[5-8]。進行二次注漿及補充注漿后，5月16日監測數據，地表監測點累計沉降量最大的監測點為RDBC148-5，累計沉降量為?5.2 mm，變化速率為0.3 mm/d；地表變化量最大的監測點為RDBC148-5，變化速率為1.8 mm/d。建筑物監測點累計沉降量最大的監測點為JGC5-1，累計沉降量為?6.9 mm，變化速率為?1.6 mm/d；建筑物變化量最大的監測點為JGC5-6，變化速率為0.5 mm/d。主要監測點數據統計如表2所示，監測數據變化量小于控制值，并趨于穩定。主要地表監測點變化量如圖3所示，建筑物監測點變化量如圖4所示。

5 總結

該文從盾構下穿上軟下硬地層在監測等方面進行闡述，結合施工過程中的施工風險因素和監測數據對盾構下穿上軟下硬地層施工進行指導，總結如下：

（1）由于盾構下穿上軟下硬地層，容易引起盾構姿態突變，易產生地面沉降甚至塌陷、隧道管片破損等。在盾構下穿施工前對作業人員進行風險管控措施和專項方案交底；在施工中嚴格控制出土量，不得超挖，防止地面坍塌，加強監測。并且根據施工情況及時調整監測頻率，及時將監測結果提供施工方以調整施工參數，確保工程安全可控。

（2）盾構下穿上軟下硬地層施工的監測建議：盾構隧道雖然進入巖層，但對于盾構隧道頂部覆巖層厚度較小段落，尤其是風化巖層，應進行加密監測；應及時進行同步注漿及二次注漿，對于巖層破碎地段，應進行補充注漿，同時控制好注漿壓力、注漿量，減小地表等沉降量。即使在埋深較大的硬質巖層中，若注漿量不足，同樣會影響結構安全。

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收稿日期：2023-12-06

作者簡介：李新增（1980—），男，工程碩士，高級工程師，研究方向：城市軌道交通工程監測及測量等。