基于長期監測的盾構連續穿越復合多樣性地層襯砌變形研究

連 杰，韓馨茹，曾愛軍，李煒明，吳 政

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330；3.中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040)

0 引言

朱合華等[1]通過對盾構施工各過程進行數值模擬，提出等效法來模擬不連續模型力學變化，依托大阪地鐵現場施工作為背景，分析不同方式注漿壓力下計算值與實測值的區別。朱偉等[2]通過對比盾構隧道施工過程中各種問題，總結國內外目前施工中較常見的4種管片設計方案，針對深圳地鐵進行幾種方案對比研究，提出方案選擇的原則。張志強等[3]以南京地鐵盾構施工為背景，基于有限元模型模擬了盾構施工過程中管片變形、應力等參數，并與實測值進行對比分析，為實際施工提供參考。譚忠盛等[4]對廣州地鐵不均勻地層盾構施工進行分析，復合盾構模式解決不均地層施工過程中的技術難題，調整和控制盾構機姿態，改良施工技術并加強監測。方勇等[5]借助三維有限元模型分析隧道施工過程中變形受施工的影響，分析了彎矩及軸力等參數不同程度的影響，施工過程中推力、注漿壓力等對既有隧道影響較大。何川等[6]依托盾構隧道襯砌特點，通過實驗驗證管片原型實驗加載系統方法，將其實驗系統運用到南京長江隧道等現場施工過程中，通過現場實驗及數值模擬結果驗證加載對結構體系的可靠度。何祥凡等[7]對深圳地鐵上軟下硬地層盾構施工中的內頂推力進行優化，通過調整掌子面分區內頂推力比例來減小管片由軟入硬段應力。

1 復合地層盾構施工襯砌變形監測

廣州地鐵18號線橫跨天河、海珠等區域，HP2中間風井-HP3盾構井為其中一個盾構區間，此盾構區間施工采用盾構的施工工法。盾構在區間施工過程中穿越不同風化程度的巖層及砂層，管片采用單層襯砌結構，施工過程中對管片變形進行監測。

盾構管片在施工過程中需要對凈空收斂以及拱頂沉降進行監測。凈空收斂是盾構管片安裝完成后周圍圍巖對其作用，通過對兩個對稱監測點水平距離進行監測，初次監測值為初始值，后續每日施工基于前一天監測值引起的變形值稱為日變形值，其日變形值的累計變形值即凈空收斂值；拱頂沉降則是對拱頂監測點進行監測，初始監測值以及累計監測值與凈空收斂監測定義相同，不同點在于拱頂沉降只有一個監測點。監測點示意圖如圖1所示，A，B，C為管片未安裝前所在結點位置，虛線為管片在初次施工產生變形后的位置，其中：A＇，B＇距離為凈空收斂首次觀測結果，后續凈空收斂變形值在此基礎上進行累計；C＇為拱頂沉降首次觀測結果，后續拱頂沉降值以此為基礎。無論是凈空收斂還是拱頂沉降，在監測過程中需設置預警值及控制值，當變形達到這一限度后，需對施工工藝及方案進行調整，對于HP2-HP3盾構井監測預警值均設置為16 mm，控制值均設為20 mm。

圖1 監測點示意

施工過程中為防止變形過大影響后續施工及使用需不斷進行監測，測點需均勻分布在施工線路中，監測點按間距50 m布置。右線2020年7月19日測點分布如圖2所示，刀盤所在位置為黑色虛線處，其里程為YDK21+770，其中凈空收斂監測點為YGGJ21+434-1，YGGJ21+434-2，YGGJ21+484-1，YGGJ21+484-2，YGGJ21+534-1，YGGJ21+534-2，YGGJ21+584-1，YGGJ21+584-2，拱頂沉降監測點為YGGJ21+434，YGGJ21+484，YGGJ21+534，YGGJ21+584。在監控范圍內，監測點位置保持不變，隨盾構不斷施工刀盤位置不斷向前移動，測點處每日監測累計變形值隨之不斷變化，直至刀盤所在位置不在測點監測范圍內后更換測點繼續監測。

圖2 2020年7月19日右線測點分布

盾構井HP2-HP3施工過程中對其進行實時監測，選取其中凈空收斂、拱頂沉降進行分析。凈空收斂又稱凈空變形，通常是盾構開挖完成后圍巖向隧道內部擠壓侵占隧道凈空，一般采用兩個固定監測點作為原始監測值，通過這兩點相對位置變化來體現凈空收斂值的大小。HP2-HP3段由于右線先開始施工且同時貫通，故右線監測時間長于左線。右線監測里程起自YDK20+018，止于YDK22+614，右線全長為2 819.278 m，監測時間自2019年12月17日開始至2021年1月20日結束，共計監測時長401天，其中，截至2020年10月14日，除中途缺失2019年12月13日、2020年2月16日—19日、2020年4月10日監測數據外，監測頻率為1天1次；2020年10月14日至2021年1月20日期間由于盾構施工已貫通，監測頻率調整至1周1次。

左右線在施工過程中無論是對凈空收斂還是拱頂沉降進行監測，由于左右線施工開始時間不同、經過的地層不同、監測點布置也不同等，導致左右線監測曲線存在部分差異。右線開始施工時間為2019年12月17日，相較左線開始時間2020年3月8日提前82天，左右線同期貫通，故右線監測數據量相對大于左線。左右線盾構掌子面穿過地層一致，大致分為微風化花崗巖(9H)、中風化花崗巖(8H)、中風化含礫粗砂巖(8-1)、中粗砂(3-2)等幾個地層，但由于左右線地層分布存在差異，左右線測點相同時間的監測頻率、監測次數以及測點累計最大值大小存在差異。左右線曲線存在部分相同點，其曲線均呈現出刀盤里程不斷增大，測點處累計變形值呈現不斷增大的趨勢，曲線中部分累計值減小但整體趨勢仍不斷增大的特點；刀盤里程保持不變時，監測數據在刀盤達到該里程累計變形上較小幅度波動變化。左右線均出現3組同斜率平斜線，以右線為例，右線地層的改變導致產生3種斜率曲線。對于同一種地層產生同一斜率是由于施工過程中按50 m間距布置監測點，在施工中通過3，4個測點同時進行監測，監測值不一致但其增長的速率一致，導致同一時間開始監測數據的曲線大致呈平行狀態。HP2-HP3段右線全程凈空收斂監測數據隨監測時間變化曲線如圖3所示。現場監測數據來自共計108個監測點，由于凈空收斂監測以2個點為一組，共計54組測點，每組測點對應圖3中一條曲線，不同的虛線方框內對應不同的地層。凈空收斂監測是累計變形量的監測，故每條監測曲線數據基于初次監測值進行相對變形累計。對于凈空收斂監測數據曲線變形，由于部分測點組監測時間較短，只呈現出變形急劇增大的過程，右線整體測點最大凈空收斂變形值為8.6 mm，同時，2020年11月18日后右線貫通，變形累計值在貫通后不再發生變化。

圖3 右線凈空收斂監測曲線

拱頂沉降監測作為保障盾構施工安全及隧道整體穩定性的重要監測手段，通過對監測點累計變形進行監測。HP2-HP3右線盾構區間拱頂沉降監測數據曲線如圖4所示，自2019年12月17日至2020年3月17日，對3個測點進行監測，監測期間刀盤施工里程至YDK20+176處后不再發生變化，監測累計數據隨刀盤里程不斷增加而呈現出不斷遞增趨勢，拱頂沉降在增長區間最大為9.4 mm，刀盤里程不變后累計變形穩定保持在8.0 mm附近波動。2020年3月17日—8月27日期間，測點監測數據呈現出監測次數少、監測累計變形值線性增加、監測累計最大值均小于5.0 mm等特點，刀盤里程在此監測區間內增長較快，盾構施工較快。2020年8月27日—11月18日，測點數相比上一個時間段急劇減小，同時，測點的監測次數增多，監測累計值最大值在此區間增長至8.5 mm，監測至2020年10月14日，監測頻率由1天1次變成1周1次。2020年11月18日至2021年1月20日，監測頻率為1周1次，由于本監測期間右線盾構施工已貫通，累計變形值不再發生變化，測點拱頂沉降累計變形值為3.9 mm與4.0 mm。

圖4 右線拱頂沉降監測曲線

2 中等風化地層管片變形

盾構機施工過程中自HP2出發穿越(8-1)礫巖、含礫砂巖中等風化層、(7-1)礫巖強風化層，盾構機在不同地層施工對管片產生的變形不同，以下按盾構機穿越兩種地層進行分析。

右線盾構機所通過地層為(8-1)礫巖、含礫砂巖中等風化層，其中，盾構管片埋深為29 m，地層所在里程為YDK20+031。通過對通過初始地段施工過程中凈空收斂、拱頂沉降監測數據進行整理分析，測點組GGS19+784-1，GGS19+784-2，GGS19+834-1，GGS19+834-2與GGS19+884-1，GGS19+884-2(以下統稱為測點組)為通過該斷面且監測時間最長、監測次數最多，其斷面所在里程處地層分布如表1所示。

表1 地層參數表1

右線測點組GGS19+784(YGGJ19+784)、GGS19+834(YGGJ19+834)和GGS19+884(YGGJ19+884)作為全線最早開始監測的測點組，自2019年12月17日開始監測變形值，初始監測刀盤里程位于YDK20+018，監測結束刀盤所在里程位于YDK20+226。測點組GGS19+784監測結束距離為7.974 10 m，其累計變形量為-7.00 mm；測點組GGS19+834監測初始距離為7.981 50 m，其累計變形量為-5.70 mm；測點組GGS19+884監測初始距離為7.968 10 m，其累計變形量為-6.20 mm。測點組前后間距50 m進行分布，其現場監測累計值曲線如圖5所示，3組測點組監測曲線均呈現出隨監測時間延長，變形累計值不斷增大的趨勢，而后趨于穩定。3組典型測點組累計監測時長93天，累計最大變形為-8.6 mm，其變形整體上呈現出先急劇增大然后達到穩定，無論是變形增大還是穩定過程中，其累計值均呈現出隨時間不斷波動的規律。通過對監測日期刀盤所在位置處進行分析，隨著刀盤里程不斷增加，所產生的收斂變形值也隨之增大；刀盤里程不變時，所產生的收斂變形值在其穩定區間內波動。除累計變形監測外，日變形量同樣需要加以關注，監測組GGS19+884最大日變形量出現在2019年12月29號，其最大變形值為-1.30 mm。

圖5 (8-1)地層典型凈空收斂監測數據

右線測點GGS19+784，GGS19+834和GGS19+884作為全線最早開始監測的測點，自2019年12月17日開始監測沉降值，初始監測刀盤里程位于YDK20+018，于2020年3月17號監測結束，監測結束刀盤所在里程位于YDK20+226。測點組GGS19+784監測結束高程為-7.964 6 m，其累計變形量為-6.70 mm；測點組GGS19+834監測結束高程為-7.983 3 m，其累計變形量為-7.20 mm；測點組GGS19+884監測結束高程為-7.997 4 m，其累計變形量為-7.30 mm。其現場監測累計值曲線如圖6所示。3個測點監測曲線均同凈空收斂規律一致，均呈現出先增大后穩定的規律。

圖6 (8-1)地層典型拱頂沉降監測數據

右線盾構施工過程中掌子面穿過(7-1)礫巖強風化層，其中盾構管片埋深為34 m，地層所在里程為YDK21+642。通過對通過該里程斷面處凈空收斂監測數據進行整理分析，測點組YGGJ21+434-1，YGGJ2+434-2與YGGJ21+484-1，YGGJ21+484-2為通過該斷面且監測時間最長、監測次數最多，其斷面所在里程處地層分布如表2所示。

表2 地層參數表2

測點組YGGJ21+434與YGGJ21+484自2020年7月4日開始監測變形值，初始監測刀盤里程位于YDK21+612，監測結束刀盤所在里程位于YDK21+825。測點組YGGJ21+434監測結束距離為7.680 00 m，其累計變形量為-4.50 mm；測點組YGGJ21+484監測結束距離為7.485 20 m，其累計變形量為-4.50 mm。兩測點前后間距50 m進行分布，其現場監測累計值曲線如圖7所示，兩測點組監測曲線均呈現出隨監測時間延長，變形累計值不斷增大的趨勢，但隨監測時間的變化曲線斜率逐漸平緩，變形累計增長值逐步趨于穩定。除累計變形監測外，日變形量同樣需要加以關注。監測組YGGJ21+434最大日變形量出現在2020年7月19日，其最大變形值為-0.60 mm；監測組YGGJ21+484最大日變形量出現在2020年7月19日，其最大變形值為-0.70 mm。

圖7 (7-1)地層典型凈空收斂監測數據

測點YGGJ21+434與YGGJ21+484自2020年7月4日開始監測原始高程值，初始監測刀盤里程位于YDK21+612，于2020年7月20日兩個測點監測結束，監測結束刀盤所在里程位于YDK21+825。測點YGGJ21+434監測結束高程為7.690 6 m，其累計變形量為-3.10 mm；測點組YGGJ21+484監測結束高程為7.485 20 m，其累計變形量為-4.10 mm。現場監測累計值曲線如圖8所示，兩測點監測曲線均呈現出隨監測時間延長，高程差累計值不斷增大的趨勢，但隨監測時間的變化曲線斜率逐漸平緩。

圖8 (7-1)地層典型拱頂沉降監測數據

3 結語

本文依托廣州地鐵18號線工程，分析了盾構施工連續穿越復合多樣性地層的襯砌變形，對于多樣性地層中的中等風化巖層、強風化巖層的盾構襯砌凈空收斂、拱頂沉降進行了進一步的分析。

HP2-HP3右線盾構連續穿越多樣性地層時，凈空收斂共計108個測點，凈空收斂以2個測點為一組，即54組測點組，拱頂沉降共計54個測點；區間內拱頂沉降監測最大變形累計值為-9.4 mm，凈空收斂最大變形累計值為-8.6 mm。

盾構穿越礫巖、含礫砂巖中等風化地層時，拱頂沉降監測最大變形累計值為-9.4 mm，凈空收斂最大變形累計值為-8.6 mm；本工程拱頂沉降、凈空收斂預警值均為16 mm，控制值均為20 mm，監測數據表明施工控制較為良好。

盾構穿越礫巖強風化地層時，拱頂沉降監測最大變形累計值為-4.1 mm，凈空收斂最大變形累計值為-4.5 mm，均小于本工程礫巖、含礫砂巖掘進的監測數據。