砂卵石地層盾構隧道施工對周邊環境的影響分析

虞 楊，李洋溢， 秦鮮卓

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

伴隨著城市發展的需求，盾構工法以其地層適應性強、施工速度快、對周邊環境干擾少而得到廣泛應用，以盾構隧道方式跨越江、河、湖、海水域的工程越來越多，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建設環境。盾構法施工雖有諸多優點，但仍不可避免地會對隧道周圍環境造成不良影響。

水下盾構隧道沿線經常穿越地下水豐富的砂卵石、砂礫石等粗顆粒地層，該類地層結構松散、卵礫石含量高、滲透系數大、單個卵石強度大、土體塑流性差，為典型的力學不穩定地層，盾構掘進時容易破壞地層原先的穩定平衡狀態，從而引起地層損失和地表沉降，嚴重時會影響鄰近建(構)筑物及地下管線的正常使用與安全。

近年來，關于盾構隧道施工對周邊環境的影響問題開始受到學者們的廣泛關注。張忠苗等[1]以杭州慶春路過江盾構隧道為研究背景，根據地表沉降實測數據，研究隧道施工對堤岸地表沉降規律，并提出相應的地表沉降控制措施；張亞洲等[2]以南京緯三路過江通道江北堤岸盾構段為研究背景，利用數值模擬手段分析了盾構施工對長江堤岸的整體穩定性影響；漆泰岳[3]以廣州地鐵六號線東湖車站盾構區間隧道為研究背景，利用數值模擬手段，揭示建筑物與隧道不同空間位置的地層和建筑物的沉降特征，探討了地鐵隧道施工引起建筑物沉降的安全控制標準；龐星等[4]以太原地鐵二號線雙塔西街-大南門盾構區間隧道為研究背景，分析了隧道與建筑物水平距離及建筑物沉降變形的規律，以及隧道推進過程中對建筑物進行檢測的重點；魏綱等[5]基于Winkler地基模型，建立地面出入式盾構法隧道施工中土體沉降計算式，探討盾構施工對鄰近地下管線的影響規律。

目前，關于砂卵石地層水下盾構隧道施工對周邊環境影響的研究還較少，本文以下穿黃河某盾構隧道區間為研究背景，研究強透水砂卵石地層條件下的水下盾構隧道施工對黃河堤岸、鄰近建筑物安全性的影響，并提出相應的安全控制措施。

1 工程概況及周邊環境簡介

某盾構隧道區間設計為雙線隧道，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18～24 m。

為避開銀灘大橋橋樁，隧道線位采用雙線單側繞避措施，縱斷面壓深線路縱坡，從黃河河床底部卵石層中穿行。盾構隧道需穿越黃河兩岸河堤，而江河堤防是城市防洪體系的重要屏障，倘若其受到損壞將嚴重威脅沿線百姓的生命財產安全。同時，隧址區為城市建設規劃起步階段，周邊建筑物不是很密集，地下管線資料較為完備，該盾構隧道下穿強透水砂卵石地層施工對周邊環境的影響問題值得關注。

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)、第四系全新統卵石層(Q4al)以及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，地下水豐富。隧道區間各土層的物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數表

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，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。地下水豐富，滲透系數大。

2 盾構施工對黃河堤岸位移的影響分析

該盾構隧道區間從黃河河床底部穿行，其施工對黃河堤岸的沉降影響不可避免。再加上盾構隧道穿越強透水砂卵石地層，離散性很強，為典型的力學不穩定地層，盾構掘進時容易破壞地層原先的穩定平衡狀態，導致水下盾構施工參數控制變得更為復雜，使得地層沉降和變形控制及岸坡穩定性問題更加突出。

根據防洪評價報告資料，盾構隧道下穿黃河段時，隧道頂部距離黃河東岸河堤基礎凈距約為15.2 m，距離黃河西岸河堤基礎凈距約為9.3 m。再加上黃河岸堤為漿砌片石結構，過大的擾動變形也將導致河堤的損壞。盾構施工對堤防沉降和穩定性的影響不但是隧道施工的風險點，也是施工期黃河防洪安全的關鍵。因此，盾構掘進過程中應對河堤沉降進行高頻率監測，通過分析監測數據，及時優化盾構施工參數。

提前在黃河堤岸DK13+838段周邊布置沉降觀測點，盾構掘進到達黃河堤岸前20 m處(盾構達到前12 d)開始監測。正常施工情況下，施工監測頻率為3次/d，確保能及時掌握黃河堤岸的位移變形情況。根據實際測量數據，準確掌握盾構在掘進過程中對黃河堤岸造成的不利影響，并及時反饋信息，以便操作人員及時對盾構施工參數進行優化，必要時可停止盾構掘進，對河堤進行相應的加固處理。

2.1 河堤縱向沉降變化規律

以位于黃河堤頂中央處監測斷面的監測點為特征點，研究左右線盾構隧道穿越堤岸期間及后期的沉降歷時變化情況。如圖1所示為河堤頂部監測斷面隧道軸線位置處縱向沉降隨盾尾離開時間的變化曲線，圖中河堤地表隆起記為正值，地表沉降記為負值。

圖1 河堤縱向沉降隨盾尾離開時間的變化曲線圖

根據現場實際監控量測數據，得出河堤縱向沉降變化規律如下：

(1)左右線盾構隧道施工參數設定值基本相同，隧道埋深、直徑、坡度等相差不大，地層條件情況也基本相似。從圖1中可以看出，盾構掘進會引起上方河堤地層發生沉降，右線隧道上方河堤最大沉降約為11.24 mm，左線隧道上方河堤最大沉降約為8.9 mm，右線隧道施工引起的河堤縱向沉降值大于左線。

(2)左右線盾構隧道引起河堤沉降隨時間變化的規律基本相同：在盾構到達監測斷面前，切口泥水壓力與注漿壓力等因素會引起河堤地表輕微隆起；盾尾離開監測斷面后，沉降速度和沉降量都出現陡增現象，后期沉降速率出現轉折開始明顯變慢，總體沉降量顯著減小。分析可知，前期沉降速率過快的主要原因是管片脫離盾尾后，壁后注漿不能及時填充建筑空隙；后期沉降主要原因是擾動土體固結，土體后期固結沉降量相對前期盾尾脫離引起的沉降量要小很多。

(3)左線盾構隧道施工對右線隧道上方河堤沉降也有影響，使得右線盾構在盾尾離開監測斷面45 d后再次出現較大沉降。分析可知，右線盾構隧道掘進優先于左線隧道，使得左線盾構隧道施工對右線隧道上方堤岸地層沉降有影響。再加上左線盾構在到達黃河河堤前，對右線隧道穿越河堤進行過施工經驗總結，對盾構掘進參數進行合理優化，適當提高泥漿漿液參數和同步注漿參數指標，有效控制盾構推力設定值，嚴格控制盾構掘進姿態與切口泥水壓力波動范圍，使得左線隧道施工引起的河堤沉降值相對右線較小。

2.2 河堤水平位移變化規律

以位于黃河堤頂中央處監測斷面的監測點為特征點，研究左右線盾構隧道穿越期間及后期的監測點水平位移變化情況。如圖2所示為河堤頂部監測點水平位移隨盾尾離開時間的變化曲線。

圖2 河堤水平位移隨盾尾離開時間的變化曲線圖

根據現場實際監控量測數據，得到河堤水平位移變化規律如下：

(1)泥水盾構隧道施工對河堤水平位移影響不大。右線隧道引起的最大水平位移值為7.7 mm，左線隧道引起的最大水平位移值為6.7 mm，遠遠小于施工安全控制值25 mm，左右線隧道施工對河堤水平位移影響不大。

(2)左右線盾構掘進引起河堤水平位移的變化規律基本相同：盾構隧道到達河堤時，施工對河堤水平位移影響較小；盾尾離開監測斷面約15 d后，河堤水平位移先增加后減小；隨著時間的推移，河堤水平位移值的變化速率顯著增加；盾尾離開河堤監測斷面約3個月后，水平位移值變化趨于平穩，不再產生較大波動。

(3)左線隧道經過合理優化盾構掘進參數，適當提高泥漿漿液參數和同步注漿參數指標，有效控制盾構推力設定值，嚴格控制盾構掘進姿態與切口泥水壓力波動范圍，相對于右線而言，左線隧道施工對河堤水平位移值影響較小。

3 盾構施工對建筑物的影響分析

盾構施工不可避免地會對周邊地層土體產生擾動，會引發不同程度的地層位移和變形，通過傳遞的地層變形最終作用于既有結構上，從而引起隧道周邊敏感性建筑物的不均勻沉降。

眾多學者對盾構隧道施工引起的建筑物變形指標進行過廣泛研究探討，目前建筑物變形控制指標主要通過工程統計分析、結構計算與數值分析等方法進行研究確定。結合本項目實際工程地質條件，由于水下砂卵石地層存在較強的離散性，結構計算與數值計算的計算結果將會與實際情況的結果相差較大。因此，本文采用根據實際工程統計分析確定的變形控制指標來衡量盾構施工對建筑物的影響，主要包括沉降量和傾斜率兩個控制指標。

我國《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)對建筑物的地基變形允許值作出規定，采用建筑物的最大傾斜率和最大沉降值兩個指標來確定建筑物最終允許變形值，如表2所示。

表2 建筑地基基礎設計規范對建筑物的地基變形允許值一覽表

3.1 建筑物沉降影響分析

泥水盾構隧道施工不可避免地會對地層造成擾動，從而引起建筑物沉降位移的變化，以及建筑物發生水平方向的傾斜。選取隧道區間K14+270樁號附近某處典型建筑物為研究對象，該建筑物位于右線隧道斜上方，距離右線隧道軸線水平距離約7.5 m，建筑物高度為26.5 m。為得到盾構隧道施工引起的建筑物沉降和傾斜情況，實際工程在該建筑物頂部布置4個監測點和在底部布置1個固定點，利用高精度電子水準儀和萊卡全站儀TS15分別測量建筑物的沉降和傾斜情況。

根據我國《建筑地基基礎設計規范》可知，當建筑物高度<100 m時，最大允許沉降量為400 mm。如圖3所示為盾構施工引起的建筑物沉降隨時間的變化規律，圖中建筑物基礎地層隆起記為正值，建筑物基礎地層沉降記為負值。

圖3 盾構施工引起的建筑物沉降隨時間變化規律曲線圖

分析現場實際監控量測數據可知，該典型建筑物最大沉降值約為-8.2 mm，位于測點4位置，遠小于規范最大允許值。現場4個監測點關于建筑物縱向沉降變化規律基本相似：盾構剛到達建筑物附近時，會造成地表輕微的隆起，15～60 d范圍內建筑物沉降速率較大，盾構隧道施工帶來的影響較大，2個月后建筑物沉降基本區域平穩。

根據監控量測結果，盾構隧道經過該典型建筑物時，不需要過大調整盾構隧道施工參數，保持正常掘進速率，嚴格控制掘進參數波動范圍即可。

3.2 建筑物傾斜率影響分析

建筑物的傾斜量等于頂部監測點相對于底部固定點的x偏移量平方加上y偏移量平方的平方根，建筑物傾斜率則為傾斜量除以建筑物的高度H。如圖4所示為盾構施工引起的建筑物傾斜率隨時間的變化規律曲線。建筑物傾斜率值反映的是建筑物水平位移的變化情況。

圖4 盾構施工引起的建筑物傾斜率隨時間變化規律曲線圖

根據我國《建筑地基基礎設計規范》可知，當建筑物高度在24～60 m時，最大允許傾斜率為0.003。分析現場實際監控量測數據，并經現場實測計算后可知，該典型建筑物最大傾斜率約為0.000 38，位于測點3位置，遠小于設計規范允許值。根據監控量測結果，盾構隧道經過該典型建筑物時，不需要過大調整盾構隧道施工參數，保持正常掘進速率，嚴格控制掘進參數波動范圍即可。

4 結語

本文以下穿黃河某盾構隧道區間為研究背景，研究砂卵石地層條件下的水下盾構隧道施工對黃河堤岸、鄰近建筑物等安全性的影響，并提出相應的安全控制措施。研究結果表明：

(1)該盾構隧道區間從黃河河床底部穿行，而黃河階地砂卵石地層表現出明顯的離散性和不穩定性，為典型的力學不穩定地層，盾構掘進時容易破壞地層原先的穩定平衡狀態，導致水下盾構施工參數控制變得更為復雜，其施工對黃河堤岸的沉降影響不可避免。

(2)左右線盾構隧道引起河堤沉降隨時間變化的規律基本相同：在盾構到達監測斷面前，切口泥水壓力與注漿壓力等因素會引起河堤地表輕微隆起；盾尾離開監測斷面后，沉降速度和沉降量都出現陡增現象，后期沉降速率出現轉折開始明顯變慢，總體沉降量顯著減小。

(3)左線盾構隧道施工對黃河堤岸位移影響較小，左線隧道上方河堤最大沉降約為8.9 mm。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泥水壓力波動范圍，可有效避免對堤岸結構安全性的影響。

(4)根據監控量測結果，盾構隧道經過該典型建筑物時，引起的最大沉降值約為-8.2 mm，最大傾斜率約為0.000 38，不需要過大調整盾構隧道施工參數，保持正常掘進速率，嚴格控制掘進參數波動范圍即可。