地鐵盾構下穿既有隧道沉降控制技術

侯越生

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 813399)

0 引言

盾構隧道穿越施工過程中能夠在保證自身穩定掘進的同時調整對地層的擾動并控制既有結構的變形。在盾構穿越工程中引發變形的因素有很多，對于掘進施工中的控制技術探究主要從兩方面入手，即主動控制措施(調整盾構掘進參數)與被動控制措施(圍巖加固)。當盾構施工引起的變形略大于控制值或能夠平穩掘進時，通常采取主動控制措施進行控制。國內外學者對于盾構施工安全控制技術的研究較多，其中，區間隧道施工安全研究主要集中于盾構掘進參數、土層物理力學性質等方面[1-5]。EPEL[6]等依托西雅圖海峽連接隧道項目，利用數值模型分析注漿壓力、注漿硬化速率等與盾構施工影響之間的關系，并對壓力改變時隧道襯砌變形規律進行了闡述。KASPER[7]等以黏土地層施工為例，表明并闡述了頂推力、注漿壓力等參數對于盾構掘進過程的影響規律，同時借助敏感性分析方法對其進行總結歸納。王衛[8]基于數值模擬方法，闡明注漿壓力與土倉壓力對周圍環境及既有結構影響，并得到最優盾構參數。楊萬精[9]等在西安地鐵5號線下穿2號線工程中，依據前人對于不同工況下施工影響規律的研究，提出注漿壓力與土倉壓力參數施工建議值，并結合現場監測結果進行了驗證。

綜上，目前盾構施工技術研究大多數基于數值模擬、室內試驗等方法，但對于施工現場監測的重要性有所忽略，相關研究較少。及時掌握盾構施工中的動態變化成為控制措施決策選擇的前提，盾構施工現場監測的重要性愈發凸顯[10]。盾構施工影響參數處理是施工現場監測的重中之重，現場監測的重要性在于提供科學的監測數據，便于證明盾構施工影響參數選取的合理性與可行性。鑒于此，聚焦現場監測問題，圍繞數據“真，準全”要求，從信息化能力應用提升出發，以昆明地鐵某試驗段監測數據為依據，借助灰色關聯分析模型對盾構施工影響參數進行分析，依據分析結果選取主要盾構參數進行正交試驗設計，以期得到最優盾構施工參數組合并應用于實際工程，最終依靠現場監測結果的反饋證明參數選取的合理性與可行性，從而得到基于實際工程施工控制技術，進而為將來類似工程提供理論依據。

1 不同盾構參數的灰色關聯分析

灰色關聯度分析是一種基于灰色理論優化后的多因素統計分析方法[11]。對于盾構下穿工程而言，地表及既有隧道變形與盾構參數選取具有一定相關性，但對于盾構參數與實際工程中沉降控制二者之間的相關性強弱關系需要研究界定[12-13]。

利用灰色關聯理論將不同盾構參數影響因素排序，得到分析結果來說明沉降控制指標與哪些參數更為相關，從而對主要影響因素進行優化分析，以更好地為實際工程安全提供保障。因此，選取昆明地鐵五-彌區間同一地層環境施工區段作為試驗掘進段(對應里程ZDK8+538.535～ZDK8+518.332)為研究對象，取左線隧道軸線上方地表沉降監測點數據進行分析，監測數據原始信息見表1。

表1 試驗段監測數據原始信息表

1.1 無量綱化處理

首先，對原始信息進行無量綱化處理，以便于后文的研究。以盾構參數為影響數列Xi，以沉降值為參考數列X1，代入式(1)、式(2)

X1=[x1(1),x1(2),x1(3),…,x1(9)]T

(1)

Xi=[xi(1),xi(2),xi(3),…,xi(9)]T

(2)

對初值對象進行無量綱化處理，得到

(3)

(4)

依據上述公式對初值對象進行標準化處理，得到試驗段監測數據標準化矩陣，見表2。

表2 試驗段監測數據標準化矩陣表

1.2 灰色關聯系數計算

通過式(5)計算得到試驗段監測數據關聯系數矩陣。

(5)

表3 試驗段監測數據關聯系數矩陣表

1.3 盾構參數灰色關聯度計算

盾構參數灰色關聯度對應計算公式為

(6)

得到盾構參數與地表沉降的灰色關聯度關系見表4。由上文研究可知，對于本工程而言，較為敏感的盾構參數有土倉壓力、掘進速度、注漿壓力、注漿量，因此選取這4個因素進行下一步的優化設計。

表4 灰色關聯度數值關系表

2 基于正交試驗的最優盾構參數分析

2.1 正交試驗設計意義

正交試驗設計法是針對多變量試驗的一種有效研究手段[14]。首先，選取代表性試驗，之后對代表性試驗進行進一步分析，以此確定指標的最佳組合以及所選多因素的主要和次要影響關系[15]。基于正交試驗并結合數值模擬分析研究土倉壓力、注漿壓力、注漿量和掘進速度對于盾構施工的影響程度。

2.2 正交試驗設計方案與步驟

2.2.1 試驗設計

試驗設計需要根據試驗目的確定影響因素，正交表是正交試驗設計不可缺少的工具。一般來說，根據試驗目的選擇3個或3個以上的水平因素，并根據因素和水平的組合選擇合適的正交表研究每個影響因素的影響強弱規律。L9(34)表見表5，下面簡要闡述正交表的組成與設計原理。

表5 正交試驗L9(34)正交設計表

L9(34)正交設計表的含義是在9次試驗中，研究4個因素、3個水平的科學問題。如用排列組合方式設計試驗來解決4因素3水平的工程問題，選出試驗研究的最優解需要進行81組試驗，而采用正交試驗進行設計只需要9次試驗，正交試驗設計在一定程度上降低了研究時間，減少了試驗次數。

在設計正交表的時候需要注意以下幾點。首先，需要讓任一列中多水平因子等次數出現，這保證了每個影響因素中的任一水平與其他因素中的任一水平參與試驗的概率是一致的，最大限度排除了其他水平對于最優試驗條件的干擾；其次，任意兩列中同一行的數字應看成是有序數對，每種數對出現次數應相同，從而保證試驗點均勻涵蓋于整體因素與水平組合之中，增強試驗結果的代表性。

2.2.2 數據處理與分析方法

目前對于正交試驗結果處理可運用極差與方差分析兩種檢驗方法[16]，極差分析法是基于試驗研究數據體現各因素之間的相關性，方差分析法主要通過檢驗總體結果均值關系來判別影響因素與檢驗水平之間的顯著關系。

1)極差分析法。該方法應用較為簡單，得到結果直觀形象，也是正交試驗結果分析中最常用的方法，極差計算公式為

R=max{K1,K2,K3}-min{K1,K2,K3}

(7)

R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}

(8)

式中：Ki為正交表任意列上i表示的試驗結果總和；ki為i水平下任一列試驗數據的算術平均值。在結果分析中極差越大，表示在試驗范圍內試驗指標對于該列因素的數值變化更加敏感，所以可以根據極差的變化確定各參數對評價指標的影響程度。

2)方差分析法。方差分析法是一種常用于分析多組數據之間均值差異的統計方法模型，其計算步驟如下，若正交試驗中單個因素A中有r個水平，在不同水平r下進行m組試驗，得到試驗樣本為yij(i=1,2,…,r;j=1,2,…,m)，基于試驗樣本選擇檢驗統計量為

(9)

(10)

這n個數據之間的差異大小用總體偏差平方和ST表示

(11)

在各水平內由隨機誤差產生的組內偏差平方和Se，可用式(12)表示

(12)

因子A各水平之間效應不同產生的差異，用組間偏差平方和SA表示

(13)

要定義各水平之間差異性，需將樣本均值間的差異轉化為樣本偏差平方和的差異，在此引入F檢驗統計量來表示

(14)

式中：dfA為組間偏差平方的自由度；dfe為組內偏差平方的自由度。

由此，可得到服從于dfA和dfe自由度的F分布的檢驗統計量，研究目標顯著性水平隨F值增大而增加。

2.3 正交試驗水平的確定

根據上節中對于各盾構參數敏感程度分析結果，下面分析注漿壓力、注漿量、土倉壓力以及掘進速度4個掘進參數對于盾構施工的影響程度。

2.3.1 注漿壓力

盾構下穿施工中，注漿壓力直接影響注漿漿液在盾尾間隙擴散程度與擴散速度，進而影響管片與土體之間整體性，工程上經常取經驗公式進行計算，其理論公式為

Pt=γH+aqu

(15)

(16)

式中：B為隧道拱頂松動圈；qu為無側限抗壓強度，MPa；γ為土體重度，kN/M3；Pt為最大注漿壓力，MPa；H為埋深，m；W0為荷載，kPa；a為漿液黏性與盾構直徑之比；Pe為最小注漿壓力，MPa。

經計算可知，注漿壓力一般在0.3～0.5 MPa。因此，基于0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa這3個影響水平來研究最優注漿壓力取值。

2.3.2 注漿量

盾尾間隙與地層損失之間存在直接關系，而注漿量的多少影響著盾尾間隙大小，其值可以有效反應盾構下穿施工的緊密性，對于實際工程而言，注入漿液一般采用超漿液注入方法，目的是保障漿液滲透損失時仍能有效發揮加固作用，其理論計算方法為

(17)

式中：a為注入率，一般取值為2.0～2.5；m為單環管片長，m；D1為盾構機外徑，m；D2為管片外徑，m。

由此得到本工程每環注漿量理論值為3.8～4.8 m3，結合現場試驗段盾構施工信息反饋選取注漿量為4.5～5.5 m3。

2.3.3 土倉壓力

為了保證盾構機平穩安全施工，需要保持土倉內具有充分壓力，對于實際施工而言，施工擾動程度最小的情況為掘進面的水土壓力之和等于土倉壓力[17]。因此，依據試驗段數據對比分析，土倉壓力取值為0.160～0.200 MPa。

2.3.4 掘進速度

掘進速度不僅決定工期長短，同時也是保障穩定施工的重要指標，在砂礫地層中掘進時，過快的掘進速度會加劇刀盤磨損，使得開挖面受到的壓力增加，但過小的掘進速度不能滿足建設需求，所以對于該指標的選取必須多方面考慮。參考相似地層研究經驗以及試驗段數據，設定掘進速度取值為20～40 mm/min。

2.4 模擬工況設計

根據上一小節中確定各個掘進參數水平區間，在各參數中選取3個水平，各組試驗的掘進參數取值見表6。

表6 正交水平試驗設計表

利用上文中L9(34)正交表進行正交試驗設計后只需要對9組工況進行分析，但基于當前4因素3水平數量設置，9組工況無法滿足方差分析自由度的要求，進行多因素方差分析需要試驗次數至少為10次。因此增加一組所有水平最大值工況試驗來滿足正交試驗設計的要求，從而進行正交試驗分析得到土倉壓力、注漿壓力、注漿量與掘進速度對盾構施工影響程度大小，并得到最優盾構掘進參數組合。

2.5 正交試驗結果及分析

2.5.1 正交試驗模擬結果

通過上文的正交試驗設計后，利用第四章建立的FLAC3D數值模型對設置的各組工況進行模擬(左線單隧道開挖)，得到地表累計沉降量模擬結果見表7。

表7 正交試驗模擬結果表

2.5.2 方差分析結果

從表8可以看出，土倉壓力、注漿量、注漿壓力、掘進速度對應的F值依次為158.729、393.935、119.721、3 992.575，各組影響因素的F值均大于F0.05(2，2)=19，說明各組參數的改變均對盾構施工影響較大。通過顯著性p值檢驗可以看出，其中同步注漿量、掘進速度會對沉降量產生顯著性差異影響(p<0.05)，掘進速度的影響程度要大于注漿量，土倉壓力與注漿壓力顯著性不如上述兩參數影響大，且與土倉壓力相比注漿壓力影響更顯著。

表8 方差分析結果表

對各因素的F值排序可知，結果與上節中的結論具有一致性，即各參數中掘進速度對盾構施工的影響最大，注漿量對于盾構施工影響比土倉壓力低，注漿壓力對盾構施工影響最小。

2.5.3 極差分析結果

極差分析結果見表9，在試驗范圍內各因素的極差判別值R大小關系為R(掘進速度)>R(注漿量)>R(土倉壓力)>R(注漿壓力)(即3.24>1.44>1.15>0.68)。由于判別值R越大說明其對于盾構施工的影響程度越高，因此試驗指標對于施工影響從大到小排序是掘進速度、注漿量、土倉壓力、注漿壓力。

表9 極差分析結果表

為了更好地展示各個因素中各個水平的試驗數據平均值情況，繪制各因素各水平均值圖如圖1所示。通過對比可以看出，取各因素每組水平中Kavg值中最小值作為最優解，最終得到優化后的盾構參數組合為注漿壓力0.4 MPa、注漿量5 m3、土倉壓力1.8 MPa、掘進速度20 mm/min。

圖1 各因素各水平均值

3 盾構下穿施工現場監測方案

3.1 監測目的與意義

對盾構施工過程中的盾構參數進行優化并通過上一小節研究得到優化后的盾構參數，下一步將優化后的參數代入實際工程現場施工中。通過對本區間進行地表與既有隧道變形現場監測可以完成對現場監測數據進行整理與分析，將盾構施工參數組合運用于實際工程中，總結此參數組合下盾構施工引起的地表沉降與既有隧道變形規律，并為今后類似工程的設計與施工提供參考與借鑒。通過對現場變形的量測監控，提前預測施工過程中可能出現的問題，并提出相應的建議措施，實現盾構掘進全方位的信息化施工指導。此外，探究地表、既有隧道變形與施工參數之間關系，為后續研究提供資料和依據，通過跟蹤監測，保障盾構施工和周邊環境始終處于安全運行的狀態。

3.2 盾構施工監測內容

監測項目設置按照(GB50308—2017)《城市軌道交通工程測量規范》[18]中的規定執行，據本工程風險源的特點，監測內容見表10。

表10 監測項目說明表

3.3 監測測線與測點布置

如圖2所示，地表沉降測線布置9條，分別命名為DBC1～DBC9，其上監測點從左線至右線編號為1～11(其中DBC2、3、4由于空間原因只有10個測點)。既有隧道沉降點沿新建隧道中心線兩側布置，共有9個斷面，分別命名為Z5，Z9,…,Z37，每個監測斷面有一個拱底、拱頂沉降監測點以及兩個隧道收斂監測點。

圖2 現場測點布置平面圖

3.4 監測頻率

各監測項目的監測頻率見表11。

表11 監控量測頻率表

4 現場實測結果分析

4.1 地表沉降

選取上文所設DBC1～DBC9監測斷面數據，繪制地表最終累計沉降曲線如圖3所示。

圖3 地表各測線累計沉降曲線圖

可以看出，既有隧道上方的地表測線的測點最大沉降量小于無既有隧道影響區地表最大沉降量，累計沉降量最大測點基本處在兩隧道中心線上方，其規律性與前文研究的地表沉降規律一致，其中位于DBC 7斷面上的測點DBC 7-6沉降值最大，其值為11.33 mm，位于DBC 5斷面上的測點DBC 5-6沉降值最小，其值為7.6 mm，最大沉降值仍處于預警范圍內。因此對于控制地表沉降而言，盾構參數的選取是合理并符合工程實際。下面取累計最大沉降值斷面DBC 7進行進一步研究，得到曲線規律如圖4所示。

圖4 地表DBC7測線

各測點沉降曲線由圖4可知，最大沉降點DBC 7-6在左線階段沉降為6.12 mm，在右線階段為5.21 mm，左線階段比右線階段沉降略大，說明位于新建隧道中心處上方地表測點受左線開挖影響略大。并且對比各測點在左線階段和右線階段沉降變化可以明顯看出左線上方測點受左線開挖影響大，右線上方測點受右線開挖影響大，距離開挖距離越近測點受影響越大。

圖4中在距離開挖面-20 m～20 m處影響較大，超過45 m后基本保持穩定，實際盾構一天推進約12 m，最大沉降速率接近1.7 mm/d，地表沉降隨開挖進程整體呈現下沉趨勢，但與數值模擬結果不同，其表現為具有波動性的下沉曲線。原因在于掘進地層狀態是動態變化的，注漿壓力等參數對于其作用影響也是動態變化的，監測曲線中出現的小幅度變化是符合實際工程要求的。

4.2 管片沉降

選取上文所設既有左線隧道上方Z5～Z37監測面上拱頂測點數據，繪制既有隧道最終沉降累計曲線如圖5所示。

圖5 既有隧道各測線累計沉降曲線圖

從圖7可以看出，總體表現為距離新建隧道開挖面越近的點沉降值越大，拱底測點沉降大于兩側拱腰，拱頂沉降最小，其規律與前文研究相似，既有隧道上最大沉降量測點位于新建隧道開挖面上方處，其中位于Z17斷面上的測點Z17-4沉降值最大，其值為6.42 mm，最大沉降值仍處于既有隧道沉降值預警范圍內。因此對于控制既有隧道沉降而言，優化后采取的盾構參數是合理可行的，下面取各斷面拱底測點進行進一步研究，得到曲線規律如圖6所示。可以看出，左、右線開挖階段呈現基本一致的規律性，從施工全過程來看，當掘進面靠近隧道結構約20 m時，此時既有隧道受施工擾動發生變形，但變形不顯著；當掘進面推進到既有隧道±15 m范圍內時，管片變形速率明顯增加，當掘進面通過既有隧道區域并距離約30 m外時，此時隧道結構基本已經穩定，隧道變形此時不明顯。

圖6 既有隧道各測線拱底測點沉降曲線

圖7 既有隧道凈空收斂歷程曲線

對比可見，隧道變形波動程度與地表相比較小，這是由于其本身剛度較大，只有地表變形積累至一定程度時才會對既有結構產生明顯影響。掘進施工過程中的管片累計變形值具有差異性波動是由于掘進地層并不是單一不變的均勻體，并且周圍地層損失率也會與盾構機掘進姿態的不同而變化，不過由于最大變形值均在安全標準范圍內，說明控制優化后的掘進參數組合完全適應安全施工的要求。

4.3 管片收斂

圖7中數據顯示各監測點凈空收斂監測值均不超過2.00 mm，在施工容許值范圍內且在實際工程建設過程中，結構損毀等現象也沒有出現。因此，在盾構掘進中幾乎不會對隧道凈空收斂產生明顯影響，能夠滿足實際工程安全要求。

5 結論

1)選取主要的盾構參數進行研究分析是控制盾構施工影響周邊環境的主要手段，分析結果按照與變形相關性程度降序排列為掘進速度、注漿量、土倉壓力、注漿壓力、盾構推力、出土量、刀盤扭矩。

2)灰色關聯分析和正交試驗得到結論基本一致，兩種方法可以相互驗證。通過正交試驗分析得到的盾構參數的優化水平組合為注漿壓力0.4 MPa、注漿量5 m3、土倉壓力1.8 MPa、掘進速度20 mm/min。

3)通過現場實測監測分析，選取控制優化后的盾構參數組合進行施工，得到地表沉降與既有隧道變形均小于變形控制值，說明以上參數組合能幫助盾構施工平穩穿越砂礫地層，將土體與既有隧道變形控制在合理的范圍內，能夠有效控制變形發生。