上軟下硬地層淺埋盾構施工引起地表沉降及施工風險研究

張賀，溫永凱

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 引言

隨著城市人口不斷增加，對市政基礎設施承載能力的要求越來越高，越來越多的大直徑給排水設施被列入城市基礎建設清單。其中，盾構法以其安全性、對城市交通影響較小、工程周期短等優勢被廣泛用于大直徑城市地下隧道建設工程中。然而，盾構施工擾動引起地層損失會導致地面出現不同程度的地表沉降，在不同的地質條件下會產生不同的施工風險。已有眾多學者針對軟土地層、砂卵石地層、黃土地層等地質條件下非淺埋隧道盾構施工引起的地表沉降及施工風險規律進行了研究，并得出單一地質條件下的經驗規律[1-8]。但目前針對淺埋盾構施工穿越上軟下硬地層引起的地表沉降及施工風險規律研究仍然較少。武漢市某市政排水隧道盾構施工段沿現狀市政道路規劃，盾構施工段局部穿越突變地層，地層表現為上軟下硬，分析該地質情況下盾構施工引起的地表沉降規律有利于施工風險的控制，相關經驗對類似工程施工也具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

某工程盾構隧道沿現狀市政道路修建，采用土壓平衡盾構法施工。盾構隧道內徑4250mm，管片厚度250mm，隧道襯砌強度等級為C50，抗滲等級P12。其中，K3+410-K3 +510 里程段盾構施工穿越突變地層，掘進方向上地層由土層逐漸變化為巖層，該段管頂覆土約為6.0m，為淺埋隧道。該段盾構由大里程向小里程方向掘進，地層變化表現為由粉質黏土、黏土向礫巖、泥質粉砂巖層變化。

2 有限元模型建立

圖1 盾構模型

通過三維有限元軟件MIDAS GTS NX 結合實際地層構建分析模型，本次模型建立擬采用本次勘察查明實際地層，橫向上假設地層水平分布。為減小邊界效應影響，模型左右距隧道邊界距離大于3D，模型底邊界距隧道底部大于3D。模型邊界條件：模型表面為自由表面，模型側面及底面施加法向約束。

巖土材料采用摩爾-庫倫模型，盾殼及混凝土管片剛度較大，采用彈性模型。盾殼厚度0.05m，管片厚度0.25m，均采用殼單元模擬。掘進壓力70kPa，注漿壓力0.25MPa，注漿層通過改變屬性功能來實現。每次開挖步距為標準節管片長度。各巖土材料參數見表1、表2。

表1 巖土材料參數表

表2 盾構掘進參數表

3 地表沉降特征分析

為重點分析地層性質差異引起地表沉降規律的不同，在地表布置四個監測斷面JC1、JC2、JC3、JC4，以隧道軸線為X 軸建立坐標系，以隧道掘進方向為正向。JC1、JC2、JC3 三個橫向監測斷面監測點以X 軸為中心向兩側均勻布置，間距約2m，每個橫向監測斷面布置17 個監測點。JC4 監測斷面共布置8 個監測點，如圖2 所示。

圖2 監測斷面平面布置圖

3.1 隧道縱向地表沉降

通過分析可知，各監測斷面地表沉降具有相似的分布規律（圖3），沉降最大點位于隧道軸線正上方，沉降呈高斯分布。各監測斷面最大沉降量有較大差異，非巖石段沉降大于過渡段及巖石段，地表呈現顯著的不均勻沉降。根據沉降監測計算各橫斷面沉降槽寬度i，由表3 可知，淺埋盾構施工引起的地表沉降槽寬度i非巖石段>i過渡段>i巖石段，表明淺埋盾構施工對非巖石段造成的地層擾動范圍大于巖石段。

圖3 JC1-3監測斷面各監測點地表沉降規律

表3 沉降槽寬度統計表

由數值模擬結果可知，盾構施工引起地層損失，進而產生地表沉降。由圖4 可知，JC4 監測斷面非巖石段盾構施工引起的地表沉降最大值在13～15mm 之間，巖石段淺埋盾構施工引起的地表沉降最大值在3～4mm 之間。當盾構穿越過渡段地層時，地層上軟下硬，隨著掌子面巖層比例逐漸增加，地表沉降最大值隨之減小，當掌子面完全進入巖層時，地表沉降最大值趨于穩定。

圖4 JC4監測斷面各監測點地表沉降規律

3.2 隧道管片豎向位移分析

將監測斷面JC4 沿Z 軸負方向投影至盾構管片上，以此作為管片豎向位移監測點，提取相應數據進行分析。由圖5a 可以看出，非巖石段、過渡段、巖石段隧道管片豎向位移具有明顯的位移差，非巖石段豎向位移較大。由圖5b 位移曲線可知，非巖石段隧道管片豎向位移量大于過渡段及巖石段。隨著掌子面巖層占比的增大，過渡段盾構管片豎向位移逐漸減小，當掌子面巖層占比增大到約50%時，隨著巖層比例增加，管片豎向位移趨于穩定。

圖5 盾構管片豎向位移

由圖6 可知，隨著掘進過程中掌子面巖層比例不斷增大，管片頂部監測點與相應地表監測點沉降差逐漸減小，當掌子面完全進入巖層中時，沉降差趨于零，并保持穩定，表明盾構穿越上軟下硬地層產生的地層損失及地層擾動主要表現在較軟地層中，因此較軟地層的處理是沉降控制的關鍵。

圖6 隧道及地表監測點豎向位移曲線

4 施工風險及應對措施

淺埋盾構施工穿越上軟下硬不均勻地層時往往會產生諸多問題，主要表現在兩方面：一是地表和管片發生不均勻沉降；二是盾構機姿態不穩定。

4.1 管片及地表沉降風險控制

由第三節對地表沉降及隧道管片豎向位移分析可知，淺埋盾構隧道穿越上軟下硬地層引起的地表沉降差異較大，極易引起地表構筑物的不均勻沉降。盾構管片在穿越軟硬不均地層時，管片豎向位移表現出明顯的差異。不均勻沉降導致管片應力集中，容易引起管線開裂、局部破損及錯臺等問題，降低隧道整體強度及防水功能，在地震等地質災害工況加持下，極大增加了隧道破壞的風險。由于盾構施工擾動在較軟地層中表現較為明顯，因此，針對該類地層，可通過軟弱地層改良加固減小盾構施工產生的地層擾動。目前地層改良的方式主要有兩種，一是地面提前加固，在盾構掘進前進行注漿或旋噴樁等措施加固處理；二是洞內加固，采取注漿的方式在隧道內注漿加固，以減小管片的不均勻沉降[9-10]。

4.2 盾構姿態控制

盾構施工穿越過渡段時，由于地層上軟下硬，如盾構機控制參數不及時調整，極易出現“磕頭”、向地層較軟一側偏離的現象。針對該地層條件，施工前應根據施工區間地質情況選取合適的刀盤形式，優化刀間距和相位角。施工過程中針對過渡段地層，及時調節掘進速度、刀盤轉速、掌子面頂推力及土艙壓力，可有效控制盾構機姿態。當盾構施工穿越過渡段地層時，可適當降低掘進速度、刀盤轉速，但應合理增加土艙壓力，以避免產生過大的地層沉降。為避免出現“磕頭”現象，可適當減小刀盤上部推力，增加刀盤下部推力。施工過程中應加強過渡段的監控測量，信息化施工，發現問題及時調整相關參數[11-12]。

5 結論

（1）淺埋盾構隧道施工穿越上軟下硬地層時，地表呈現出較明顯的不均勻沉降，隨著掌子面巖層比例逐漸增加，地表沉降最大值逐漸減小，其對應的沉降槽寬度也逐漸減小。當掌子面巖層比例達到100%時，地表沉降最大值逐漸趨于穩定。隨著掌子面巖層比例逐漸增加，盾構管片頂部豎向位移先減小后趨于穩定。通過對較軟地層的改良可有效控制因盾構施工產生的地層沉降。

（2）上軟下硬地層中淺埋隧道盾構施工，在合理選取刀盤形式的前提下，應合理降低掘進速度、刀盤轉速，增加刀盤下部千斤頂推力，降低上部千斤頂推力，適當增加土艙壓力，在達到控制盾構機姿態的同時，減小因盾構施工產生的地表沉降。此外，應加強相關監控測量。