京張高鐵清華園隧道大直徑淺埋泥水盾構掘進地表沉降控制

楊戰勇

中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211899

在城市隧道施工過程中，地表沉降控制措施應結合工程實際情況、模擬及試驗結果綜合確定［1］。現有研究主要是利用數值計算和現場監測對盾構掘進地表沉降特性、始發控制、掘進參數進行分析。周帥等［2］基于成都地鐵7 號線現場實測地表沉降數據對 O’Reilly&New 經驗公式進行了修正，并將修正公式成功應用到成都地鐵3 號線，得到了適用于砂卵石地層的盾構隧道地表沉降預測公式；劉方等［3］通過數值模擬研究北京大直徑盾構淺覆土始發段地層位移變化特征，得出隧道軸線上方沉降最大，兩側逐漸減小，周圍土體有向洞內擠入的趨勢；游永鋒等［4］以春風隧道為工程依托，分析得到一套超大直徑盾構在超淺覆土層中始發施工技術；徐沖［5］以蘭州地鐵1 號線迎門灘—馬灘區間隧道砂卵石地層泥水平衡盾構施工為工程背景，研究了砂卵石地層泥水平衡盾構掘進參數，采用FLAC 3D 有限元軟件模擬了不同支護壓力和注漿壓力下盾構隧道掘進過程；張洋［6］依托上海北橫通道盾構段，分析了隧道上方和兩側建筑物的變形，并對傳統Peck 曲線進行了修正；張斌［7］基于應力釋放理論，探討盾構掘進引起的地表變形，得出隧道軸線兩側1.6 倍直徑范圍為顯著影響區；陳學軍等［8］對富水地層盾構始發隧道洞口土體加固措施進行了研究，提出了混凝土墻與攪拌樁聯合加固措施；崔童［9］以新鄭機場—鄭州南站泥水平衡盾構隧道為例，對地表沉降較大的原因進行了分析，并提出采用輔助氣壓掘進法來提高掘進效率，減少刀盤泥餅，保證掘進過程中地表沉降在可控范圍內；徐汪豪等［10］對地層變化段大直徑盾構掘進參數進行了研究，得出掘進時應重點關注刀盤轉矩和盾構推力，需要隨著地層變化及時動態調整。

既有研究主要針對一般埋深情況下盾構掘進施工，對淺埋軟硬復合地層中大直徑盾構掘進施工涉及較少。本文以京張高速鐵路清華園隧道為背景，通過數值模擬分析盾構在復合地層掘進過程中土體位移，確定始發段土體加固范圍，結合工程實際情況確定加固方案，然后針對正常掘進段提出盾構掘進參數的建議值，給出地表沉降控制措施，最后通過現場監測驗證控制措施的可行性。

1 工程概況

清華園隧道地處北京市海淀區（圖1），隧道全長6 020 m，盾構開挖直徑12.64 m，屬于大直徑盾構隧道。

圖1 清華園隧道工程平面示意

隧道周邊建筑物密集，3號豎井入口埋深約6.8 m，不足0.6 倍洞徑。隧道盾構穿越的地層為由粉土、粉質黏土和卵石土組成的復合地層（圖2），無明顯地下水。在該類地層中施工時地表沉降控制十分重要。

圖2 地層剖面

2 數值模擬

2.1 模型建立

利用FLAC 3D 建立數值計算模型，模擬參數見表1。模型尺寸為142 m（長）×120 m（寬）×45 m（高），見圖3。

表1 模擬參數

圖3 計算模型

考慮隧道始發掘進時，周圍地層及掌子面穩定性差，容易引發坍塌及嚴重地面沉降［11］，故進行土體加固。在通過始發段后，掘進開挖緊接著進行管片拼裝，不需額外加固措施，故稱此階段為正常掘進段。因此，本文在數值模擬中將盾構掘進分為始發段和正常掘進段，模型中始發段和正常掘進段長度均為60 m。圖3中藍色段為始發段，已完成管片拼裝；淺藍色和紫紅色段為正常掘進段，淺藍色段表示盾構正開挖，紫紅色段表示待開挖。

由于是淺埋隧道，構造應力不明顯，主要考慮自重，使用位移邊界。先計算未開挖時的地應力，再開挖豎井基坑，以此時的應力場作為初始應力場。

2.2 結果分析

2.2.1 始發段

3 號豎井入口端（17 m）未加固掘進時，隧道斷面土體豎向位移見圖4（a）。可見，隧道底部隆起，豎井入口處位移約為16 cm，入口端17 m 范圍內土體豎向位移在2 ～16 cm，土體位移導致土體呈圓弧狀剪切滑移破壞，引起入口處大面積坍塌和地表垮塌。

采用表1 加固區參數代替土體參數，旋噴樁加固從豎井入口至后方17 m、隧道軸線兩側6 m 范圍。豎井入口端加固后土體豎向位移見圖4（b）。對比圖4（a）和圖4（b）可知：加固后豎井入口端土體豎向位移由加固前的2 ～16 cm 減小為0.1 ～0.7 cm，說明土體加固后抗擾動能力得到加強，旋噴樁起到了良好加固作用。

圖4 3號豎井入口端土體豎向位移云圖（單位：cm）

2.2.2 正常掘進段

在盾尾脫出、管片拼裝成型后，正常掘進段隧道上方土體豎向位移在10 mm 左右，說明地表沉降穩定，無需采取土體加固措施。考慮到掘進段為軟硬復合地層，穿越不同地層時采用不同參數才能使施工效率最大化。因此，將正常掘進段的重點放在盾構掘進參數的優化上，通過控制掘進參數達到控制地表沉降的目的。

3 地表沉降控制措施

結合數值模擬結果和工程實際情況，確定該工程地表沉降控制措施為：在始發段進行土體加固，在正常掘進段優化盾構掘進參數。

3.1 始發段土體加固

從豎井入口至后方17 m、隧道軸線兩側6 m 范圍采用三重管法高壓旋噴樁進行土體加固，共布置1 504根。樁徑600 mm，間距450 mm，多排咬合。水泥采用42.5 級硅酸鹽水泥，旋噴樁28 d 后無側限抗壓強度不小于1 MPa，滲透系數不大于1×10-6cm/s。

3.2 掘進參數統計

掘進參數的優化需綜合考慮地層特點、盾構機型和施工經驗。因此，對清華園隧道始發段和正常掘進段前248 環的盾構推力、刀盤轉速和掘進速度進行數理統計分析，給出建議值。

1）盾構推力

正常掘進段盾構推力變化及其頻數分布見圖5。可知：①始發段（0 ～30 環）地層以粉土和粉質黏土為主，盾構推力均值為40.9 MN。31 ～248 環為正常掘進段，該段地層為粉質黏土、卵石土和粉土組成的復合地層，且卵石土逐漸增多，盾構推力均值為49.0 MN。②從頻數分布來看，盾構推力集中在46.0 ～50.0 MN。因此，正常掘進段盾構推力建議值為46.0 ～50.0 MN。

圖5 盾構推力變化及其頻數分布

2）刀盤轉速

正常掘進段盾構刀盤轉速變化及其頻數分布見圖6。可知：始發段刀盤轉速由1.25 r/min 增至1.49 r/min，31 ～ 50 環地層中卵石土增多，刀盤轉速由 1.49 r/min 降至 1.27 r/min，51 ～ 248 環地層中粉質黏土和卵石土的占比相對穩定，刀盤轉速均值為1.25 r/min。從頻數分布來看，刀盤轉速集中在1.20 ～1.25 r/min。因此，正常掘進段刀盤轉速建議值為1.20 ～ 1.25 r/min。

圖6 刀盤轉速變化及其頻數分布

3）掘進速度

始發段和正常掘進段盾構掘進速度變化及其頻數分布見圖7。可知：①0 ～85環地層從始發段的以粉土和粉質黏土為主地層變化為粉質黏土、卵石土和粉土的復合地層，掘進速度由19.7 mm/min降至14.3 mm/min。86 ～248 環地層卵石土繼續增多，調整盾構推力和刀盤轉速后，掘進速度上下波動，均值為19.8 mm/min。說明正常掘進段的掘進速度應以86 ～248環數據為參照，控制在19.8 mm/min。②從頻數分布來看，掘進速度集中在14.0 ～22.0 mm/min。③綜合考慮0 ～85環、86 ～248 環的掘進速度及其頻數分布，正常掘進段掘進速度建議值為16.0 ～22.0 mm/min。

圖7 掘進速度變化及其頻數分布

經分析，最終確定始發段地表沉降控制措施為：地層采用三重管法高壓旋噴樁進行加固，加固范圍為豎井入口至后方17 m，隧道軸線兩側6 m。正常掘進段通過調整掘進參數來實現地表沉降的控制，掘進參數建議值：盾構推力為46.0 ～50.0 MN，刀盤轉速為1.20 ～ 1.25 r/min，掘進速度為16.0 ～ 22.0 mm/min。通過在施工現場實施，始發段前30 m 處于試掘進階段，地表沉降在4 ～14 mm 波動；隨后由于掘進參數控制有效，地表沉降逐漸穩定在13 mm 左右，說明地表沉降控制措施效果良好。

4 結論

清華園淺埋隧道采用大直徑泥水平衡盾構施工，始發段地層以粉土和粉質黏土為主，正常掘進段為粉質黏土、卵石土和粉土的復合地層，需針對這兩個盾構段提出相應的地表沉降控制措施。

1）經數值模擬，始發段宜采用三重管法高壓旋噴樁群加固，加固范圍為豎井入口至后方17 m、隧道軸線兩側6 m。

2）對正常掘進段的掘進參數統計分析得出，盾構推力、刀盤轉速和掘進速度宜分別控制在46.0 ～50.0 MN、1.20 ～ 1.25 r/min、16.0 ～ 22.0 mm/min。

3）經現場實施，始發段加固、正常掘進段優化參數可將隧道上方地表沉降控制在13 mm左右。