盾構隧道施工對強透水砂卵石地層擾動規律研究

封炎 李洋溢 秦鮮卓

作者簡介：

封 炎（1990—），助理工程師，主要從事隧道工程勘察設計工作。

文章以下穿黃河某盾構隧道區間為研究背景，結合現場實際施工情況，揭示了強透水砂卵石地層力學特性及失穩機理，同時根據現場監控量測數據，深入分析了強透水砂卵石地層受盾構施工荷載擾動后的地層沉降規律，并提出了相應的安全控制措施。研究結果表明：下穿黃河段典型斷面地表橫向沉降值分布呈現明顯的離散性，與Peck經驗公式預測模型擬合度較低;通過對盾構掘進參數進行合理優化，適當提高盾構推力設定值，嚴格控制盾構掘進姿態和切口泥水壓力波動范圍，可有效控制地表沉降變形。

強透水砂卵石地層;盾構隧道;失穩機理;地層沉降

U455.43A431514

0 引言

盾構法具有安全高效、經濟環保、自動化程度高、對周邊環境影響小等優點，與城市地下空間發展的安全環保理念相契合，目前在城市地下軌道交通建設中的應用非常廣泛。然而，在城市地區修建地下軌道交通時，通常會面臨地層條件復雜、水文地質狀況多變、建（構）筑物及城市地下管線分布密集等復雜環境，盾構法施工雖有諸多優點，卻不可避免地會對周圍環境造成不良影響，嚴重時會引發地表塌陷等事故。

砂卵石地層為典型的力學不穩定地層，離散性較強。在盾構施工荷載作用下，地層的初始平衡狀態很容易被破壞，開挖面前方部分土體容易發生松動，然后逐漸對開挖面上部土體的穩定性產生影響，從而引起地層損失和地表沉降。近年來，關于盾構隧道施工對砂卵石地層擾動規律問題的研究，開始受到國內學者的大量關注。王振飛等[1]選擇北京地下直徑線為依托工程，通過分析現場實測數據，得出砂卵石地層盾構隧道施工引起的地層沉降變形規律;范祚文等[2]利用室內模型試驗，分析北京砂卵石地層不同影響因素作用下的地表沉降規律，揭示土拱效應、開挖面極限支護壓力及地表沉降的關系;程韜等[3]結合成都地鐵6號線某隧道區間砂卵石地層條件，采用三維數值模擬手段，分析施工中發生滯后沉降的原因，并提出相應的控制措施;徐前衛等[4]以北京地鐵8號線某區間為研究對象，分析砂卵石地層條件下盾構施工參數與地層變形的影響關系。

目前國內研究背景主要以北京、成都等地區的砂卵石地層為主，而關于黃河階地特有的強透水砂卵石地層研究還較少。本文以下穿黃河某盾構隧道區間為研究背景，深入分析強透水砂卵石地層受盾構施工荷載擾動后的失穩變形機制以及地層沉降規律，并提出相應的安全控制措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

某盾構隧道設計為雙線隧道，采用泥水平衡盾構工法施工。隧道左右線間的間距設計為6.8 m。左線起訖里程設計為ZK13+150～ZK15+057，全長1 907 m;右線起訖里程為YK13+150～YK15+057，全長1 907 m。線路總體呈V字型，線路縱坡坡度設計為2.8%。盾構隧道在銀灘大橋上游附近下穿黃河底部，下穿黃河段長度為404.0 m，隧道頂部距黃河河床底板約為18～24 m。

1.2 工程地質條件

隧道區間地層由上而下主要為第四系全新統雜填土層（Q4ml）、第四系全新統中砂層（Q4al）和卵石層（Q4al），再往下為第四系下更新統卵石層（Q1al）。盾構隧道主要穿越下更新統卵石層，該地層結構力學特點較為復雜，地下水極為豐富。根據現場的勘報告結果，統計各土層的物理力學參數，如表1所示。

該盾構隧道區間砂卵石地層的主要結構特點總結如下：

（1）卵石含量高。該層卵石含量在55%～70%的范圍，呈中密狀態;卵石的形狀大多為橢圓狀，級配不良，磨圓度比較好;卵石形成土體顆粒的骨架，卵石顆粒間的填充物主要有中砂與粗砂等，以薄層或透鏡狀砂層分布，局部呈弱鈣質膠結，分布不規律且離散性較強。

（2）卵石粒徑大。隧道區間砂卵石地層的卵石粒徑大多分布在5～10 cm范圍內，部分卵石的粒徑可達10～20 cm。漂石位置分布具有隨機性，粒徑多數>20 cm，分層不明顯。根據鉆孔資料與周邊開挖基坑資料表明，漂石最大粒徑可達50 cm，漂石的含量不均勻。

（3）卵石強度高。根據現場工程地質試驗資料，卵石的天然單軸抗壓強度為47 ～110 MPa，飽和單軸抗壓強度為36～80 MPa。

（4）地下水豐富，滲透系數大。本區間地下水補給資源豐富，地下水變化情況主要受季節的影響。含水層厚度最大可達316.77 m，地層滲透系數大，砂卵石地層的滲透系數可達55～60 m/d，屬強透水地層。

2 強透水砂卵石地層力學特性及失穩機理分析

黃河階地砂卵石地層中以卵石構成主要的骨架，卵石顆粒主要以點與點的形式進行接觸與傳力，表現出明顯的離散性和不穩定性。砂卵石地層在外界荷載的擾動下，易失去原來的穩定平衡狀態。與黏土地層相比，砂卵石土粘聚力不高，幾乎不能承受拉應力。當開挖面土體出現失穩破壞現象時，開挖面土體顆粒會發生相應的流動現象，失穩破壞形態為剪切破壞。

再加上隧道區間穿黃段地下水豐富，地下水壓高，砂卵石層中細顆粒會隨著水的滲透力而流失，卵石骨架從緊密結構變成松散結構，松散單粒結構不穩定，此時卵石顆粒間的咬合作用將變弱，土體力學性質降低，更容易引起開挖面失穩現象。

開挖面的失穩又會使前方部分土體發生松動，卵石顆粒表現出流動現象，進而對開挖面上部土體的穩定性產生影響，加大上部土體的松動范圍（如圖1所示）。隨著開挖面上方土體顆粒的松動塌落，上方土體部分土拱效應會被破壞，導致開挖面上方出現地層空洞現象。在地下水位變化和季節降雨等因素的影響下，地層空洞頂部處的松散砂卵石不斷脫落，使得開挖面上部地層空洞逐漸往上發展，最終影響發展至地表面，從而引起地面塌陷等事故。

3 盾構施工引起的土體擾動規律研究

3.1 地層變形監測布置方案

盾構隧道區間地表沉降監測點布置方案如圖2所示，每10～20環設置1個橫向沉降槽監測斷面，表示為DB-01、DB-02等以此類推。每個橫向斷面監測點布置6～11個監測點不等，每兩個橫向沉降槽布置斷面之間加設2～3個縱向布置點，布置在隧道軸線正上方地表位置，表示為DB-01+、DB-02+等以此類推。根據各個斷面地表處的實際情況，現場測點布置會有微調。

3.2 地層橫向沉降規律

Peck經驗公式[5]是目前用以預測盾構施工引起地層沉降規律的經典理論。Peck認為在不排水的情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積。假定地層損失在整個隧道長度上均勻分布，隧道施工所產生的地表沉降橫向分布近似為正態分布曲線，又稱高斯分布曲線，即Peck經驗公式法。Peck經驗公式法對應的地層沉降位移預測模型如圖3所示。

本文選取下穿黃河段典型斷面DB-34、DB-36和下穿黃河后典型斷面DB-45、DB-48的現場監測數據來進行研究，分析強透水砂卵石地層泥水盾構施工地層橫向沉降變形規律。地層橫向沉降分布規律曲線如圖4～5所示。

現場監測數據揭示：下穿黃河段典型斷面地表橫向沉降值分布呈現出明顯的離散性，與Peck經驗公式預測模型擬合度較低，地表沉降值最大為-12.23 mm，沉降值多分布在5～12 mm范圍內。盾構隧道下穿黃河后的典型斷面地表橫向沉降值分布與Peck經驗公式預測模型擬合較好，地表沉降值最大為-7.54 mm，沉降值多分布在2～8 mm范圍內。下穿黃河段典型斷面地表沉降值比下穿黃河后典型斷面的地表沉降值大。

結合現場施工情況和地層條件，分析沉降規律原因：（1）下穿黃河段地下水壓大、地下水豐富，砂卵石層中細顆粒會隨著水的滲透力而流失，卵石骨架從緊密結構變成松散結構，卵石顆粒表現出流動現象，導致地表橫向沉降值分布不規律，呈現出明顯的離散性;（2）下穿黃河段水文地質條件更為復雜，地層滲透系數大，且通過卵石層孔隙潛水與黃河水互通，施工過程中面臨著諸多不確定的施工技術風險，盾構施工參數控制困難，各種因素導致下穿黃河段地表沉降值相對較大;（3）施工前期經驗不足，沒有很好地控制盾構掘進參數，泥漿漿液參數指標偏弱，使得地表沉降值相對較大，而后期通過對盾構掘進參數進行合理優化，適當提高盾構推力設定值，嚴格控制盾構掘進姿態和切口泥水壓力波動范圍，有效控制了地表沉降變形。

3.3 地表沉降歷時規律

相比于橫向地表沉降主要反映為空間上的特點，縱向地表沉降則主要反映為時間的特點。以隧道軸線上方對應的地表監測點為例，地層沉降變化規律隨著盾構的掘進主要經歷四個階段[6]：盾構到達前的先期變形、盾構通過地表下方引起的沉降、盾尾脫離管片間隙引起的沉降以及后期土體固結沉降。地表沉降歷時規律曲線如圖6所示。

對下穿黃河段典型斷面DB-32的地表沉降值隨時間變化歷時規律進行研究（地表沉降值為隧道軸線上方的監測點數據），如圖7所示。盾構刀盤到達監測斷面4～8 d內，地表沉降值變化速率很大，累計沉降值達-5.45 mm，隨后地表沉降值變化速率放緩，地表沉降值緩慢增加，最后趨于平穩態勢。

結合現場施工情況和地層條件，分析沉降規律原因：（1）強透水砂卵石地層力學性質不穩定，盾構到達前期對地層產生擾動，引起開挖面土體及上方土體出現松動，導致前期沉降變化速率較大;（2）盾構通過后不久，經過盾尾同步注漿和上方土體形成土拱效應等因素，使得地表沉降變形率開始變緩;（3）盾構通過后期地表沉降仍存在變化，說明砂卵石地層沉降具有滯后性的特征，當前期上方土體形成的土拱效應被破壞后，地層沉降會繼續發生緩慢變化。

4 結語

本文以某盾構隧道區間為研究背景，深入分析黃河階地強透水砂卵石地層受盾構施工荷載擾動后的失穩變形機制以及地層沉降規律，并提出相應的安全控制措施。研究結果表明：

（1）黃河階地砂卵石地層表現出明顯的離散性和不穩定性，且隧址區地下水豐富，地下水壓高，砂卵石層中細顆粒會隨著水的滲透力而流失，此時卵石顆粒間的咬合作用將變弱，開挖面極易發生失穩現象。開挖面的失穩會引起前方部分土體發生松動，卵石顆粒表現出流動現象，對開挖面上部土體的穩定性產生影響，進而產生地層損失。

（2）下穿黃河段典型斷面地表橫向沉降值分布呈現較明顯的離散性，與Peck經驗公式預測模型擬合度較低，地表沉降值最大為-12.23 mm，沉降值多分布在5～12 mm范圍內。下穿黃河段水文地質條件更為復雜，盾構施工參數控制困難，導致下穿黃河段地表沉降值相對較大。

（3）盾構隧道下穿黃河后的典型斷面地表橫向沉降值分布與Peck經驗公式預測模型擬合較好，地表沉降值最大為-7.54 mm，沉降值多分布在2～8 mm范圍內。通過對盾構掘進參數進行合理優化，適當提高盾構推力設定值，嚴格控制盾構掘進姿態和切口泥水壓力波動范圍，可有效控制地表沉降變形。

（4）盾構隧道下穿黃河砂卵石地層歷時沉降規律經歷三個階段：①盾構到達前期對地層產生較大擾動，導致前期地層沉降變化速率較大;②盾構通過后不久，經過盾尾同步注漿和上方土體形成土拱效應等因素，地表沉降變形率開始變緩;③由于砂卵石地層沉降具有滯后性，后期地層沉降會繼續發生緩慢變化。

[1]王振飛，張成平，王劍晨.富水砂卵石地層泥水盾構施工地層變形規律[J].鐵道工程學報，2013（9）：78-83.

[2]范祚文，張子新.砂卵石地層土壓力平衡盾構施工開挖面穩定及鄰近建筑物影響模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（12）：2 506-2 512.

[3]程 韜，郭洋洋，有智慧.大粒徑富水卵石地層盾構下穿既有線技術措施[J].地下空間與工程學報，2020，16（S1）：224-231.

[4]徐前衛，賀 翔，龔振宇，等.砂卵石地層盾構微擾動施工及掘進控制研究[J].鐵道工程學報，2020，37（9）：72-77.

[5]韓 煊，李 寧，J.R.Standing.Peck公式在我國隧道施工地面變形預測中的適用性分析[J].巖土力學，2007（1）：23-28.

[6]袁大軍，尹 凡，王華偉，等.超大直徑泥水盾構掘進對土體的擾動研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（10）：2 074-2 080.