雙護(hù)盾TBM施工隧道豆礫石回填層對(duì)地表沉降影響機(jī)理

吳圣智，王明年，李 磊，王 軍

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 630031；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 橋梁隧道研究中心，北京 100088）

巖質(zhì)地層地鐵隧道建設(shè)中，常采用鉆爆法施工，存在機(jī)械化程度低、施工速度慢、爆破振動(dòng)擾民等問(wèn)題。因此，一些城市探索采用全斷面隧道掘進(jìn) 機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）施工方法［1］，如青島、深圳地鐵采用了雙護(hù)盾TBM，重慶地鐵采用了敞開(kāi)式TBM 和單護(hù)盾TBM。其中，雙護(hù)盾TBM 兼具敞開(kāi)式和單護(hù)盾的掘進(jìn)模式，施工效率高、安全性能好，在地鐵隧道建設(shè)中應(yīng)用日趨廣泛。施工過(guò)程中，管片在盾尾的保護(hù)下安裝，管片脫離盾尾后會(huì)與圍巖之間存在約100～200 mm寬的間隙。為了避免管片錯(cuò)動(dòng)失穩(wěn)，在其脫離盾尾后即通過(guò)管片上的預(yù)留吹填孔對(duì)管片壁后空隙吹填豆礫石，形成回填層。豆礫石吹填完成后，需對(duì)回填層進(jìn)行注漿，以形成圍巖、回填層、管片穩(wěn)定的作用體系。由于漿液在豆礫石中易流動(dòng)，為避免漿液進(jìn)入主機(jī)，造成機(jī)械損壞，注漿往往滯后于豆礫石吹填。

目前，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者正逐步認(rèn)識(shí)到豆礫石填充層對(duì)雙護(hù)盾TBM 施工隧道圍巖變形及地表沉降具有一定的影響，并取得了一些研究成果。胡雄玉［2-4］采用數(shù)值模擬分析了豆礫石回填層的讓壓作用，得出注漿前的豆礫石回填層具有壓縮性，可以使圍巖釋放掉部分應(yīng)力，降低作用在管片上的荷載，但會(huì)引起圍巖塑性區(qū)的增加。吳圣智［5-8］、姜志毅［9］等認(rèn)為回填層可以改變襯砌對(duì)圍巖的支護(hù)能力，并能吸收一定的圍巖變形，襯砌支護(hù)能力的變化及回填層吸收變形能力與回填層的彈性模量有關(guān)。劉赟君［10］等通過(guò)數(shù)值模擬研究了回填層對(duì)建筑物沉降的影響規(guī)律，認(rèn)為豆礫石吹填后至注漿前這一階段，由于豆礫石回填層力學(xué)參數(shù)較差，建筑物會(huì)產(chǎn)生較大沉降，應(yīng)引起重視。王拓［11］通過(guò)模型試驗(yàn)得出，豆礫石回填層的存在改變了圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳遞規(guī)律。Henzinger M.R.［12-13］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出豆礫石充填質(zhì)量對(duì)雙護(hù)盾TBM 施工隧道的圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)受力均有重要影響。于舒雅［14］認(rèn)為豆礫石注漿對(duì)控制圍巖變形具有積極意義，并通過(guò)試驗(yàn)給出了豆礫石回填層的力學(xué)特性。Rohola Hasanpour［15］建立了考慮護(hù)盾及回填層的數(shù)值模型，分析了擠壓性地層TBM 掘進(jìn)過(guò)程中的塑性區(qū)分布。M.Ramoni［16］分析了擠壓性地層圍巖—護(hù)盾—支護(hù)的相互作用，認(rèn)為回填層改變了襯砌對(duì)圍巖的支護(hù)性能。上述研究均認(rèn)為豆礫石回填層注漿前力學(xué)參數(shù)較差，降低了襯砌對(duì)圍巖的支護(hù)作用，會(huì)引起較大的地層沉降。然而，注漿前的豆礫石回填層對(duì)地層沉降影響是多方面的，除了其力學(xué)參數(shù)外，單位充填體積、顆粒遷移等均會(huì)對(duì)地層沉降產(chǎn)生影響，因此，有必要開(kāi)展該階段的地表沉降規(guī)律及其機(jī)理的研究。

本文以青島地鐵2 號(hào)線海安路—高雄路段隧道為依托工程，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、土工試驗(yàn)、連續(xù)單元—離散單元耦合算法，分析雙護(hù)盾TBM 掘進(jìn)過(guò)程中的地表沉降規(guī)律及豆礫石力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上分析注漿前豆礫石回填層對(duì)地表沉降的影響機(jī)理，希望通過(guò)該研究為雙護(hù)盾TBM 施工隧道豆礫石填充及注漿施工提供理論支撐。

1 依托工程概況

青島地鐵2 號(hào)線海安路—高雄路段隧道穿越了90%的微風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖，以及部分?jǐn)鄬悠扑閹Ш蛷?qiáng)風(fēng)化花崗巖。該段隧道的埋深普遍較淺，位于15～25 m 之間的占比達(dá)80%。隧址區(qū)地下水不發(fā)育，以裂隙水為主。為提升建設(shè)速度，降低對(duì)周邊環(huán)境影響，該區(qū)段采用雙護(hù)盾TBM 進(jìn)行施工。雙護(hù)盾TBM 主機(jī)由刀盤(pán)、前護(hù)盾、后護(hù)盾等部分組成，整體呈“倒梯形”設(shè)計(jì)［5］，其中主機(jī)長(zhǎng)12.00 m，刀盤(pán)外徑（即隧道開(kāi)挖直徑）6.30 m，前、后護(hù)盾外徑分別為6.24 和6.15 m。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土管片，管片外徑6.0 m，厚度0.3 m，幅寬1.5 m。1 環(huán)管片包含3 塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2 塊鄰接塊和1 塊封頂塊，塊與塊之間采用2根M27螺栓連接。管片采用錯(cuò)縫拼裝，環(huán)間等角度設(shè)置了10根M27螺栓。

青島地鐵隧道開(kāi)挖輪廓直徑6.3 m，管片外徑6.0 m，地鐵隧道圍巖變形相對(duì)較小，管片脫離盾尾后，與圍巖之間空隙較大。該空隙并非均勻分布，而是頂部大、底部小，空隙寬度在50～200 mm 之間。為了防止管片脫離盾尾后的錯(cuò)動(dòng)失穩(wěn)，管片脫離盾尾后即吹填粒徑為5～15 mm 的豆礫石對(duì)空隙進(jìn)行填充。豆礫石充填完成15 環(huán)后開(kāi)始對(duì)豆礫石回填層進(jìn)行注漿，注漿前豆礫石回填層呈散粒體狀態(tài)，注漿后呈固結(jié)狀態(tài)（注漿及漿液固結(jié)過(guò)程用時(shí)較短，暫不考慮）。

2 雙護(hù)盾TBM施工隧道地表沉降規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為探明豆礫石回填層狀態(tài)對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，選取海安路—高雄路段6 個(gè)典型斷面，地層分別為微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，斷面埋深均在18～20 m 之間，豆礫石單位充填體積分別為2.0和2.4 m3·m-1，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)施工期地表沉降，結(jié)果如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表沉降

由圖1可知，地表沉降可以按照沉降速率分為4 個(gè)階段，分別為超前沉降階段、快速沉降階段、持續(xù)沉降階段、穩(wěn)定階段。超前沉降階段為雙護(hù)盾TBM 到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前，地表出現(xiàn)一定的超前沉降?？焖俪两惦A段為監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖至豆礫石填充前，隧道開(kāi)挖后，雙護(hù)盾TBM 逐步通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面，由于雙護(hù)盾TBM 呈倒梯形設(shè)計(jì)，護(hù)盾與圍巖存在30～80 mm的間隙，而淺埋地鐵隧道洞周變形相對(duì)較小，圍巖實(shí)際處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，地表下沉速度最快。持續(xù)沉降階段為豆礫石填充開(kāi)始后至回填層注漿前，該階段豆礫石回填完成，形成管片、豆礫石、圍巖臨時(shí)作用體系，但此時(shí)回填層為散粒體狀態(tài)，其力學(xué)參數(shù)較弱，同時(shí)受豆礫石單位充填體積及顆粒遷移的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖支護(hù)能力有限，地表會(huì)出現(xiàn)持續(xù)沉降。穩(wěn)定階段為回填層注漿后，該階段回填層固結(jié)，能夠有效地將管片的支護(hù)力傳遞給圍巖，圍巖受到強(qiáng)支護(hù)作用，地表沉降開(kāi)始穩(wěn)定。

由于回填層注漿滯后豆礫石吹填15 環(huán)，地表會(huì)出現(xiàn)持續(xù)沉降階段。相同地層條件下，豆礫石單位充填體積不同，地表持續(xù)沉降階段表現(xiàn)出明顯的差異性，進(jìn)而導(dǎo)致地表最終沉降差別較大。因此，進(jìn)一步對(duì)比持續(xù)沉降階段的地表沉降占總沉降的比例，見(jiàn)表1。

表1 豆礫石單位充填體積對(duì)地表沉降的影響

由表1可知：豆礫石單位充填體積越少，持續(xù)沉降階段地表沉降及其占總沉降比例越大，這是因?yàn)槎沟[石單位充填體積越少，管片壁后空隙填充性越差，對(duì)圍巖的支護(hù)有限，同時(shí)也為地層損失提供了空間，地表沉降會(huì)繼續(xù)增加；地質(zhì)條件越差，持續(xù)下沉階段地表沉降及其占總沉降比例越大，這是因?yàn)閷?duì)于微風(fēng)化花崗巖地層，圍巖具備一定的自穩(wěn)能力，管片壁后空隙雖填充不滿，但圍巖在應(yīng)力釋放后能夠及早地穩(wěn)定；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層圍巖穩(wěn)定性較差，一旦管片壁后空隙填充不滿，將會(huì)造成較大的后續(xù)沉降，當(dāng)豆礫石單位充填體積由2.4 m3·m-1降至2.0 m3·m-1，持續(xù)沉降階段地表沉降增加了近70%。由此可見(jiàn)，豆礫石單位充填體積對(duì)地表沉降具有重要影響，需進(jìn)一步研究豆礫石回填層注漿前對(duì)地表沉降的影響機(jī)理。

3 豆礫石壓縮變形性能

首先采用豆礫石三軸剪切試驗(yàn)，獲取其偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線（偏應(yīng)力為主應(yīng)力與圍壓的差值）；再建立三軸剪切離散元數(shù)值模型，調(diào)整模型使數(shù)值模擬結(jié)果接近三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，從而獲取豆礫石細(xì)觀參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行豆礫石側(cè)限壓縮數(shù)值模擬，根據(jù)其側(cè)限壓縮變形曲線，獲取豆礫石壓縮變形性能。

3.1 豆礫石三軸剪切試驗(yàn)

雙護(hù)盾TBM 施工隧道通常采用粒徑為5～15 mm 的豆礫石作為回填材料，為此對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的豆礫石進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得出豆礫石粒徑的分布，詳見(jiàn)表2。

采用應(yīng)力路徑控制大型三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)豆礫石進(jìn)行剪切試驗(yàn)，豆礫石試樣尺寸為Φ300 mm×600 mm。通過(guò)試驗(yàn)分別獲取了圍壓為50，100 和200 kPa 時(shí)豆礫石的偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖2所示。

表2 豆礫石粒徑分布

圖2 豆礫石偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3.2 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

按照試驗(yàn)中豆礫石的實(shí)際尺寸建模進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，建立的離散元計(jì)算模型如圖3所示，豆礫石粒徑分布與實(shí)際一致，顆粒采用線彈性模型。參數(shù)標(biāo)定過(guò)程：調(diào)整顆粒細(xì)觀參數(shù)，模擬得出試樣的偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線，使該曲線不斷地接近剪切試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)模擬得出的峰值強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果差值小于5%時(shí)，可認(rèn)為得出的細(xì)觀參數(shù)滿足要求。豆礫石顆粒偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。通過(guò)參數(shù)標(biāo)定，得到離散元模型中豆礫石顆粒的細(xì)觀參數(shù)，見(jiàn)表3。

圖3 離散元計(jì)算模型（單位：mm）

3.3 豆礫石側(cè)限壓縮數(shù)值模擬

實(shí)際工程中管片壁后豆礫石處于側(cè)限受壓狀態(tài)，對(duì)此采用側(cè)限壓縮數(shù)值模擬分析豆礫石的壓縮變形性能，豆礫石側(cè)限壓縮變形曲線如圖5所示。

圖4 偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線對(duì)比

表3 豆礫石顆粒細(xì)觀參數(shù)

圖5 豆礫石壓縮變形曲線

由圖5可知：側(cè)限壓縮條件下豆礫石變形曲線帶有明顯的非線性，這是因?yàn)槎沟[石為多孔介質(zhì)，前期壓縮過(guò)程中豆礫石孔隙率較大，抗壓縮變形能力較差；但單個(gè)豆礫石顆粒本身強(qiáng)度較大，隨著壓縮過(guò)程中豆礫石孔隙率降低，豆礫石逐漸被壓實(shí)，抗壓縮變形能力逐步提升。由此可得出：豆礫石的抗壓縮變形能力與豆礫石孔隙率成反比，豆礫石在未壓實(shí)之前，無(wú)法抑制圍巖變形，不能有效地為圍巖提供支撐。

4 豆礫石回填層注漿前對(duì)地表沉降影響機(jī)理

4.1 連續(xù)單元—離散單元耦合算法計(jì)算原理

豆礫石回填層注漿前為散粒體狀態(tài)，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用連續(xù)元無(wú)法反映其真實(shí)狀態(tài)，而整個(gè)計(jì)算模型采用離散元軟件又無(wú)法反應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支護(hù)性能，因此，采用連續(xù)單元—離散單元耦合算法。

計(jì)算過(guò)程中，離散單元模型和連續(xù)單元模型通過(guò)設(shè)置接觸墻體實(shí)現(xiàn)兩者的信息交互。接觸墻體的受力與位移分別反映了連續(xù)單元模型的應(yīng)力邊界和離散單元的速度邊界。耦合算法的計(jì)算原理為：提取連續(xù)單元模型中的邊界節(jié)點(diǎn)速度作為離散單元模型中墻體的速度邊界；提取接觸邊界上的接觸力作為連續(xù)單元模型中的應(yīng)力邊界；通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)2種模型數(shù)據(jù)交互。

4.2 計(jì)算模型及參數(shù)

耦合算法采用FLAC 3D 及PFC 3D 分別建立連續(xù)單元模型和離散單元模型，采用插口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，計(jì)算模型如圖6所示。模型長(zhǎng)×寬×高為0.3 m×40.0 m×42.0 m，隧道埋深20 m，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，隧道開(kāi)挖直徑6.3 m，管片外徑6.0 m。豆礫石單位充填體積為2.4 m3·m-1，堆積狀態(tài)下孔隙率為0.38，豆礫石顆粒采用ball 模擬，連續(xù)元與離散元邊界采用wall 模擬，ball-ball和ball-wall接觸模型均采用線彈性接觸模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。圍巖為彈塑性材料，管片及注漿后的回填層看作理想的彈性材料，其中，管片近似為剛度折減的均質(zhì)圓環(huán)［17-19］，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。實(shí)際工程中，管片受相鄰管片及千斤頂推力約束作用，下沉及變形相對(duì)較小，對(duì)此為避免計(jì)算中管片掉落，計(jì)算時(shí)對(duì)管片兩側(cè)位移進(jìn)行了約束，管片約束后對(duì)地表沉降影響很小，不影響計(jì)算精度。計(jì)算步驟為：地應(yīng)力平衡后先進(jìn)行圍巖開(kāi)挖，模擬TBM 通過(guò)階段；隨后安裝管片、生成豆礫石，進(jìn)行耦合計(jì)算；最后刪除豆礫石，生成回填層，模擬注漿后狀態(tài)。

圖6 耦合算法計(jì)算模型

表4 圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

4.3 圍巖、豆礫石、管片相互作用結(jié)果

1）地表沉降

提取隧道正上方地表沉降，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。由圖可知：在豆礫石填充前地表沉降為12.4 mm，注漿前地表沉降為19.6 mm，持續(xù)沉降階段地表沉降占總沉降的36%；計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近。

圖7 地表沉降對(duì)比

2）顆粒遷移規(guī)律

豆礫石填充后，顆粒通過(guò)自上而下的遷移進(jìn)行重分布，進(jìn)而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支護(hù)性能與地表沉降，顆粒遷移矢量圖如圖8所示。由圖可知，墻角處豆礫石自上而下遷移量最大為200 mm，這是因?yàn)橹亓?chǎng)及圍巖與管片的相互擠壓而產(chǎn)生的，其中重力場(chǎng)為主要原因。

3）豆礫石孔隙率分布特征

圖8 顆粒遷移矢量圖（單位：m）

顆粒自上而下遷移造成了顆?？紫堵手胤植?，通過(guò)設(shè)置測(cè)量圓得出了各部位孔隙率變化規(guī)律及最終分布，如圖9所示。由圖可知：管片壁后豆礫石孔隙率變化較大，拱頂處孔隙率增加，邊墻、墻角及隧底孔隙率降低，這是因?yàn)槎沟[石自上而下遷移造成拱頂豆礫石流失，而邊墻、墻角及隧底處豆礫石受到上方補(bǔ)充。豆礫石空隙率最終分布為上大下小，上部孔隙率增加降低了上部豆礫石抗變形能力，使襯砌對(duì)圍巖支護(hù)能力降低，同時(shí)上部顆粒流失也為地層損失提供了空間，從而導(dǎo)致地表變形增大。

圖9 孔隙率變化規(guī)律及最終分布

4）豆礫石與圍巖、管片接觸力分布

豆礫石重分布后，豆礫石與圍巖、管片的接觸力如圖10所示。由圖可知：圍巖與豆礫石、豆礫石與管片的接觸力與豆礫石孔隙率有著密切的關(guān)系，孔隙率大的部位，接觸力小，圍巖與豆礫石、豆礫石與管片的接觸力呈上小下大分布。

圖10 豆礫石與圍巖、管片接觸力（單位：N）

5）圍巖受到的支護(hù)力

通過(guò)接觸力，得出了襯砌對(duì)圍巖的支護(hù)力，如圖11所示。由圖可知：與接觸力分布規(guī)律一致，圍巖受到的支護(hù)力上弱下強(qiáng)，拱頂處的平均支護(hù)力僅21 kPa，拱腳處為47 kPa，這是因?yàn)樗淼理敳慷沟[石流失造成孔隙率增大，豆礫石抗變形能力降低，襯砌對(duì)圍巖的支護(hù)力減弱；隧道底部支護(hù)力為92 kPa，這是因?yàn)樗淼赖撞慷沟[石孔隙率較低，能夠有效地抑制圍巖變形。顯然，這種上弱下強(qiáng)的支護(hù)力分布型式不利于上部地表沉降控制。

圖11 圍巖受到的支護(hù)力（單位：kPa）

4.4 豆礫石回填層對(duì)地表沉降影響機(jī)理

根據(jù)圍巖、豆礫石、管片相互作用關(guān)系可知豆礫石回填層對(duì)沉降的影響機(jī)理為：豆礫石填充后，在重力場(chǎng)及圍巖的擠壓作用下，顆粒發(fā)生自上而下的遷移，造成管片壁后豆礫石孔隙率上大下小，隧道頂部孔隙率的減小降低了豆礫石抗壓縮變形能力，使得頂部圍巖受到的支護(hù)力處于較低水平，造成了圍巖的進(jìn)一步變形，同時(shí)隧道頂部豆礫石孔隙率增大也為地層損失提供了空間，從而導(dǎo)致地表依然產(chǎn)生較大沉降。可見(jiàn)，管片壁后豆礫石的孔隙率是影響地表沉降的關(guān)鍵因素，它直接反映了管片壁后的充填狀態(tài)。

工程實(shí)際中，豆礫石充填狀態(tài)可分為3類(lèi)：①充填密實(shí)，豆礫石充填后，隧道頂部圍巖與豆礫石、管片充分接觸，此時(shí)，襯砌能夠發(fā)揮一定的支護(hù)作用，地表沉降相對(duì)較小，該情況豆礫石的力學(xué)特性為地表沉降的主要影響因素；②圍巖變形后充填逐步密實(shí)，隧道頂部圍巖與豆礫石、管片初期不接觸，伴隨圍巖變形逐步接觸，該情況下豆礫石單位充填體積是地表沉降的主要影響因素；③始終不密實(shí)，隧道頂部圍巖與豆礫石、管片始終不接觸，圍巖始終處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，該情況往往要求圍巖具有較高的自穩(wěn)能力，多出現(xiàn)在微風(fēng)化、中風(fēng)化地層中，圍巖質(zhì)量為地表沉降的主要影響因素。上述3種類(lèi)型中，第2 類(lèi)更為不利，一旦豆礫石填充不足，將會(huì)產(chǎn)生較大的地表沉降，尤其是強(qiáng)風(fēng)化地層，施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)豆礫石填充予以控制，若填充不足，應(yīng)及時(shí)注漿。

5 豆礫石單位充填體積控制基準(zhǔn)

工程現(xiàn)場(chǎng)以管片壁后空隙體積和豆礫石單位充填體積作為管片壁后空隙豆礫石填充的量化指標(biāo)?？障扼w積可由開(kāi)挖輪廓與管片外徑獲得，對(duì)于同一隧道往往為一定值。在空隙體積確定的情況下，豆礫石單位充填體積為關(guān)鍵控制因素。對(duì)此，在圖6計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，分析了埋深10，15，20，25，30 m，單位充填體積1.4，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.6 m3·m-1，微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖3種地層條件下的最大地表沉降，如圖12所示。

由圖12可知，豆礫石單位充填體積越少，地表沉降越大，地層條件越差，豆礫石單位充填體積對(duì)地表沉降的影響越明顯。這是因?yàn)橹酗L(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖地層，圍巖具有一定的自穩(wěn)能力，地表沉降受豆礫石單位充填體積影響較小；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層圍巖穩(wěn)定性極差，豆礫石吹填不足時(shí)，圍巖幾乎受不到支護(hù)作用，地表沉降繼續(xù)增加。

圖12 最大地表沉降與豆礫石單位充填體積的關(guān)系曲線

以青島地鐵地表沉降預(yù)警值24 mm 為控制基準(zhǔn)，根據(jù)最大地表沉降與豆礫石單位充填體積值關(guān)系，給出了青島地鐵雙護(hù)盾TBM 施工隧道在花崗巖地層不同埋深及風(fēng)化程度下，豆礫石單位充填體積建議值，見(jiàn)表5。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)豆礫石單位充填體積小于該量值時(shí)，應(yīng)立即注漿進(jìn)行補(bǔ)償。

6 結(jié) 論

（1）受豆礫石回填層狀態(tài)的影響，雙護(hù)盾TBM 施工隧道地表沉降可以按照沉降速率分為4個(gè)階段：超前沉降階段、快速沉降階段、持續(xù)沉降階段、穩(wěn)定階段。

表5 豆礫石單位充填體積建議值

（2）豆礫石單位充填體積越小，管片壁后空隙填充性越差，對(duì)圍巖的支護(hù)能力越弱，地層損失空間越嚴(yán)重，地表沉降量越大，持續(xù)沉降階段的地表沉降及其占總沉降的比例也越大。

（3）豆礫石的抗壓縮變形能力與豆礫石孔隙率成反比，管片壁后豆礫石在未壓實(shí)之前，無(wú)法有效地為圍巖提供支撐。

（4）回填層對(duì)地表沉降的影響機(jī)理為：在重力場(chǎng)及圍巖的擠壓作用下，顆粒發(fā)生自上而下的遷移，造成管片壁后豆礫石孔隙率上大下小，孔隙率的變化降低了隧道頂部豆礫石抗壓縮變形能力，使得頂部圍巖受到的支護(hù)力處于較低水平，造成了圍巖進(jìn)一步變形，同時(shí)隧道頂部豆礫石孔隙率增大也為地層損失提供了空間，從而導(dǎo)致地表沉降增加。

（5）根據(jù)工程實(shí)際，將雙護(hù)盾TBM 施工隧道管片壁后豆礫石充填狀態(tài)分為3 類(lèi)：充填密實(shí)、圍巖變形后充填密實(shí)、始終不密實(shí)。給出了青島地鐵雙護(hù)盾TBM 施工隧道在花崗巖地層不同埋深及風(fēng)化程度下，豆礫石單位充填體積建議值。