南寧富水砂層盾構施工變形規律分析及控制措施研究

廖鵬

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101)

1 引言

目前，對于南寧地區盾構隧道穿越富水砂層的研究不多，而富水砂層是南寧地區比較典型的地層，在施工過程中經常遇到。本文以南寧地鐵1 號線某區間為研究對象，結合數值模擬及實測監測數據，總結了富水砂層盾構施工地表沉降的變形規律，分析了造成影響的因素，給出富水砂層盾構施工的地表沉降控制措施，對南寧及相關地區類似地層中的盾構隧道施工具有指導意義。

2 工程概況

本區間隧道為兩條單洞單線圓形盾構隧道，線路長1 170 m，線間距13~15 m，曲線半徑為800 m；線路埋深14.5~20.7 m；線路最大坡度為23‰，盾構管片外徑6 m，寬1.5 m，采用土壓平衡式盾構機施工。

本區間主要穿越地層為雜填土①1、素填土①2、黏土②2-1、粉質黏土②2-2、粉質黏土②4-2、軟塑狀粉質黏土②5-2、粉土③1、粉細砂④1-1、圓礫⑤1-1、卵石⑤1-2、泥巖、粉砂泥巖⑦1-2泥巖、粉砂泥巖⑦1-3。本區間地下水主要有兩種類型：上層滯水和松散巖類孔隙水。左右線分別有227 m 和485 m 進入粉細砂層。

3 監測方案

監測按影響程度分3 個等級，隧道正上方0.7H水平距離為強烈影響區（H為隧道埋深）；（0.7~1.0）H水平距離范圍為顯著影響區；（1.0~1.5）H水平距離范圍為一般影響區。監測點主要布置在強烈影響區內，由道路中線向兩邊對稱布設。

對本區間地表沉降進行監測時，監測頻率為：掘進面距監測斷面前后的距離≤20 m 時，1 次/d；掘進面距監測斷面前后的距離≤50 m，1 次/2d；掘進面距監測斷面前后的距離＞50 m 時，1 次/周；基本穩定后，1 次/月。

4 實測數據分析

4.1 隧道軸線監測斷面分析

隧道軸線監測斷面圖如圖1 所示。

圖1 隧道軸線監測斷面圖

盾構施工引發的地表沉降可分為以下4 個階段：（1）盾構到達前方，離切口5~20 m，有少量沉降，不超過3 mm，占總沉降量的15%。（2）盾構機開挖至該位置時，又出現進一步的沉降，大約有5 mm，占總沉降量的25%。（3）盾構通過時大約有12 mm 的沉降，占總沉降量的58%。（4）盾尾脫出后，有2.7 mm的沉降，占總沉降量的2%。

監測數據結果與經驗相符，不同監測點各階段的沉降值所占百分比基本一致，沉降絕對值有所差異。

4.2 地表沉降監測橫斷面分析

如圖2 所示，在右線隧道掘進完成后，橫斷面右側隧道地表變形大于左側，沉降最大值-29.6 mm，發生在右線隧道正上方，地表影響范圍約36 m。左線隧道掘進完成后，最大沉降量為-39.3 mm，發生在左線隧道正上方，地表影響范圍約46 m。

圖2 D16 沉降變形橫斷面

圖4 不同注漿系數地表沉降曲線

5 隧道施工FLAC模擬

針對隧道施工建立FLAC 模型，對隧道正常掘進狀態、超挖施工狀態、注漿量及注漿是否及時等方面進行模擬[1]。

5.1 超挖量對地層沉降影響規律分析

按超挖量分別為40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm 4 種工況進行模擬，得出的沉降橫斷面曲線如圖3 所示，地表最大沉降值依次為18.4 mm、20.5 mm、23.0 mm、25.1 mm、27.0 mm。不同超挖量造成地表沉降趨勢基本一致，影響范圍基本在50~60 m。

圖3 不同超挖量工況沉降橫斷面曲線

5.2 注漿量對地層沉降影響規律分析

按注漿系數為0.6、0.7、0.85、1.0 且注漿及時的4 種工況進行模擬，得出的地層沉降橫斷面曲線如圖4 所示。地表沉降量與注漿系數成反比，當注漿系數a為0.60、0.70、0.85、1.0時，地表最大的沉降量分別為185 mm、116 mm、77 mm、25 mm。注漿量越少，就會有越多的孔隙難以被填充，從而導致附近大量土體涌入空隙中，開挖所造成的應力重分布其范圍會更加廣泛，因此，地表容易出現較大的沉降。

5.3 注漿時間對地層沉降影響規律分析

按注漿及時和不及時兩種工況進行模擬，得出的沉降橫斷面曲線如圖5 所示。若注漿不及時，引起的地表沉降最大值為44.8 mm，約為及時注漿時沉降量的2.2 倍。由于管片在拼裝完成后導致臨空面存在時間長，圍巖位移釋放率大，引起極大的地層損失，所以，不及時注漿會造成地表沉降大。

圖5 不同注漿時間地表沉降曲線

5.4 正常掘進地層沉降變形情況分析

按超挖量為60 mm，注漿系數為1.0，注漿及時的工況進行模擬，得出的沉降橫斷面曲線如圖6。右線隧道開挖完成后，地表沉降最大值為-28.8 mm，位于右線正上方，影響范圍約為50 m。左線開挖完成后，地表沉降最大值為-40.6 mm，位于隧道中線處，影響范圍約70 m，最大沉降量與實測數據較吻合。

6 變形規律總結

盾構在粉細砂地層中掘進軸向上的變化規律為：在監測點距離掌子面較遠時，地表沉降量較小，部分區域發生輕微隆起，隨著盾構距離監測點越來越近，地表沉降開始增大，當盾構經過監測點一定距離后，沉降量達到最大值[2]。

圖6 正常掘進沉降橫斷面曲線

總結盾構推進4 階段地表沉降所占比例：（1）盾構機到達監測點前方時該點的沉降量占總沉降量的15%；（2）盾構機開挖至該位置時該點的沉降量占總沉降量的25%；（3）盾構機通過該監測點時的沉降量占總沉降量的58%；（4）盾構穿越完后期沉降占總沉降量的2%。

7 控制措施研究

通過對盾構在粉細砂地層中掘進的各種工況模擬可提出以下控制措施。

7.1 控制超挖量

地表沉降的最大值隨著盾構機超挖量的增大而逐漸增加，不同超挖量對地表沉降影響趨于線性[3]，對沉降范圍影響不大，施工時可據現場條件選擇合適的超挖量，在穿越風險源時應盡量選用小的超挖量，減小推進速度，在非風險源區段穿越時可適當提高推進速度，采用相對高的超挖量[4]。

7.2 控制注漿量

盾構機注漿量越大，地表沉降量越小，注漿量越少，開挖引起的應力重分布的范圍更廣，地表沉降量及影響范圍都隨之增加。由于注漿量對地表沉降影響較為敏感，因此，建議盾構機在正常段推進時應采用大于0.85 的注漿系數，在通過風險源時應采用1.0 及以上的注漿系數，嚴格控制沉降。

7.3 及時注漿

盾構機不及時注漿會明顯引起地表沉降增大，主要原因是管片拼裝完成后未及時注漿導致圍巖位移釋放率大，引起較大的地層損失[5]，在本項目條件下，注漿不及時相比注漿及時工況沉降值增大了1.2 倍。因此，為保證盾構推進安全，在全區段都應及時注漿，避免對周邊環境造成較大影響。

8 結語

本文依托南寧地鐵某區間項目，通過建立精細化三維盾構模型，結合監測數據，量化分析了盾構穿越富水砂地層推進過程的沉降規律及其盾構參數的影響，提出了控制超挖量、控制注漿量、及時注漿等多項富水砂層盾構施工的地表沉降控制措施，望可對南寧類似地層的盾構施工提供指導。