萬宗祥， 董漢軍, 蒲訶夫

(1. 廣州市地下鐵道總公司建設事業(yè)總部, 廣東 廣州 510380;2. 中交集團第二航務工程局有限公司, 湖北 武漢 430071;3. 華中科技大學 土木工程與力學學院, 湖北 武漢 430074)

盾構穿越既有地鐵線路、下穿淺基礎建筑或文物保護建筑等這類對沉降要求非常敏感的區(qū)段，對沉降控制要求很高[1,2]。因此，盾構掘進施工前掌握不同地層的沉降規(guī)律，制定完善的施工控制措施，確保穿越區(qū)域地面沉降不超過控制標準，顯得非常重要。

盾構施工沉降實質(zhì)上是隧道施工引起的地層位移問題。擾動的影響范圍和程度取決于很多因素，包括盾構型式、地層性質(zhì)、地下水位、隧道上部荷載、施工參數(shù)(如土倉壓力、刀盤扭矩、推力、出土量、注漿量、注漿壓力、盾尾間隙等)、施工管理以及其他施工條件，其機理非常復雜[3～5]。

國內(nèi)外許多專家學者對隧道施工引起的地基變位問題進行了深入的研究。如Peck[6]公式系統(tǒng)地提出了地層損失的概念和估算隧道開挖地表下沉的實用方法，后來很多學者對Peck公式中參數(shù)的取值進行了大量研究，給出了很多經(jīng)驗取值；日本在長期的城市隧道施工中積累了豐富的經(jīng)驗，半谷通過整理58例實測資料，給出了預測地表最大沉降量的方法，他指出，在軟弱黏土的情況下，壓密沉降在總沉降中占相當大的比重；藤田應Peck要求，對軟弱地層隧道工程不同施工方法對地層的影響差別進行研究。劉建航院士[7]提出了“負地層損失”的概念，并修正了Peck公式預測地表縱向沉降計算式。

從國內(nèi)外研究文獻來看，對于盾構隧道施工引起的地表變形以及對既有結構影響的研究方法主要有經(jīng)驗公式法、模型試驗法、現(xiàn)場實測法、數(shù)值計算法等[8～10]。研究主要集中在軟土地層，而硬巖地層由于盾構開挖后圍巖的穩(wěn)定性好，盾尾脫出管片后及時進行同步注漿充填，幾乎不會造成地面變形。對于復合地層，即上軟下硬地層的沉降變形規(guī)律研究則少見報道。復合地層是一種特殊的地質(zhì)，在工程上表現(xiàn)為高度的非均質(zhì)性，盾構機在這類地層中推進時，刀盤切削工作面土體，上部軟地層較易進入密封土艙，而下部較硬巖體不易破碎，盾構機的姿態(tài)較難控制，需要經(jīng)常變換盾構施工模式，采用的施工工藝和施工參數(shù)也需要根據(jù)地層情況隨時調(diào)整。本文主要通過現(xiàn)場實測，介紹了復合地層中盾構穿越沉降敏感區(qū)段的沉降規(guī)律，并對控制沉降的措施進行了分析。

1 工程概況

廣州至佛山城際地鐵(菊樹站～西朗站)盾構區(qū)間下穿廣州地鐵1號線，此段隧道頂部覆土厚約10～11 m，隧道覆土自上而下主要為(1)人工填砂、(2-1A)5～10 m厚淤泥，(6)全風化泥質(zhì)粉砂巖、(7)強風化泥質(zhì)粉砂巖、(8)中風化泥質(zhì)粉砂巖，隧道范圍內(nèi)頂部為厚1～2 m(2-1A)淤泥層，下部為(6)、(7)、(8)泥質(zhì)粉砂巖。隧道上部(2-1A)淤泥層標貫擊數(shù)為1～2擊，下部(8)微風化粗砂巖層強度約20 MPa，為典型的上軟下硬復合地層，盾構機掘進姿態(tài)和沉降控制較困難。左線隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 左線隧道地質(zhì)縱斷面

廣州地鐵1號線線路全長18.497 km，其中地面線2.048 km，地下線路16.449 km，于1996年全線開通運營，以西南面西朗站為起點，到坑口站后轉入地下，穿珠江水下隧道至黃沙，途經(jīng)人口稠密、交通繁忙的市中心繁華地區(qū)，最后到達終點廣州東站。由于其位于人口稠密的商業(yè)區(qū)，因此要求盾構施工必須對該線路地鐵影響很小。

根據(jù)地鐵1號線運營要求，盾構區(qū)間隧道穿越既有地鐵線路的施工變形控制標準按表1執(zhí)行，而《盾構法隧道施工與驗收規(guī)范》(GB 50446-2008)確定的沉降標準為(+10 mm；-30 mm)[11]。因此，穿越地鐵1號線這一沉降敏感區(qū)段提出了超出規(guī)范要求的沉降控制標準。由于地鐵1號線運營繁忙，無法預先從地面對軌道下地基進行土體加固，使得沉降控制更為困難。

表1 盾構區(qū)間隧道穿越既有地鐵線路施工控制標準

2 監(jiān)測點布置

為確保地鐵1號線安全運營，對軌行區(qū)長度范圍進行了密切監(jiān)測，監(jiān)測項目包括軌道沉隆、路基沉降、供電接觸網(wǎng)柱沉降及傾斜等，監(jiān)測頻率為每半小時一次。左線隧道測點布置見圖2。目的是通過監(jiān)測工作的實施，掌握穿越1號線過程中道床路基、軌道等的沉降情況，為掘進參數(shù)的調(diào)整和地鐵運營維護提供及時可靠的信息，確保地鐵1號線正常運營。

圖2 左線隧道沉降測點布置

3 沉降情況及沉降規(guī)律分析

3.1 沉降情況

盾構穿越期間，沉降變形均在控制值之內(nèi)，變形最大點見表2，其中1、2、3號監(jiān)測斷面沉降量隨時間變化曲線如圖3～圖5所示。

表2 左線盾構沉降變形最大值統(tǒng)計

圖3 1號監(jiān)測斷面沉降量隨時間變化曲線

圖4 2號監(jiān)測斷面沉降量隨時間變化曲線

圖5 3號監(jiān)測斷面沉降量隨時間變化曲線

3.2 沉降規(guī)律及控制措施分析

根據(jù)上面的沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計，沉降可劃分為以下六個階段：

(1)刀盤離監(jiān)測斷面5～8 m以上之前，地面基本無沉降；

(2)刀盤在監(jiān)測斷面前后5 m左右，普遍表現(xiàn)為隆起2～6 mm；

(3)盾體通過監(jiān)測斷面下方時，表現(xiàn)為2～3 mm左右的平緩沉降；

(4)盾尾脫出監(jiān)測斷面后，表現(xiàn)為5～8 mm左右的急劇沉降，這一期間的沉降速率大，沉降量也較大;

(5)盾尾脫出監(jiān)測斷面后及時二次注漿，表現(xiàn)為4～6 mm左右的快速隆起，個別點甚至達到了10 mm的隆起；

(6)盾體逐步遠離監(jiān)測斷面，表現(xiàn)為4～6 mm的緩慢沉降并逐步趨于穩(wěn)定。

通過監(jiān)測結果可以看出，第一階段未發(fā)生先期沉降，說明對前方開挖面無擾動；第二階段開挖面附近隆起，是由于土艙壓力設定值超過了被動土壓力值(理論計算土壓力為120 kPa，而實際設定為160～180 kPa)；第三階段盾體通過時發(fā)生的平緩下沉是由于盾構外周面與圍巖發(fā)生摩擦，且開挖直徑大于盾體直徑；第四階段盾尾脫出引起急劇沉降；第五階段盾尾及時二次補注漿，使地表快速隆起，若無及時的二次補注漿，則第四階段的急劇沉降會加大；第六階段后續(xù)下沉是軟弱淤泥中出現(xiàn)的現(xiàn)象，主要是由于盾構推進引起整個地基松弛或擾動而發(fā)生的，并最終趨于穩(wěn)定。

施工過程中，始終維持30～40 mm/min的推進速度，保持土艙壓力在180 kPa并盡量減小波動范圍，加大泡沫注入量防止土艙結泥餅，加大同步注漿漿液稠度，管片脫出盾尾及時進行二次注漿，注漿壓力控制在0.35～0.4 MPa，注漿量根據(jù)地面沉降情況確定。壓力表顯示的0.4 MPa注漿壓力將對管片外弧面土體產(chǎn)生大約3 kg/cm2的反力，而上覆土自重產(chǎn)生的垂直向下壓力約2 kg/cm2，二者壓力差對上覆土層產(chǎn)生抬升作用，導致地層隆起。該地層為滲透系數(shù)低的淤泥層，漿液難以向土體深層滲透，因此抬升作用明顯。但如果上部為砂層，二次注漿的漿液可能會滲透進入地層深處，難以產(chǎn)生抬升力，通過多次注入快速凝固的漿液，封閉滲透通道，也有可能對地層產(chǎn)生一定的抬升作用。

由盾構的推進引起的橫斷面方向的最終地基下沉分布，一般以隧道為中心單向橫坡，形狀近似于倒立的標準概率曲線，其影響范圍大致保持以盾構下端處起的仰角45°+φ/2擴散區(qū)域內(nèi)(其中φ為土體的內(nèi)摩擦角)。一般情況下，影響范圍考慮仰角45°即可。一般沉降影響范圍如圖6所示，其中對于全斷面軟土層的影響寬度為2×(D+H)，而對于下部硬巖、上部軟土地層的沉降寬度為2×H。

圖6 盾構推進橫斷方向影響范圍示意圖

圖7和圖8為1號、3號觀測斷面實測橫斷面方向各階段沉降曲線?？梢钥闯鰞蓚染嗨淼垒S線10 m測點均無明顯沉降，距隧道軸線5 m測點有2～3 mm左右的沉降，軸線位置點有8 mm左右的沉降。即對于下部硬巖、上部軟土地層的沉降影響寬度不會超過2倍的覆土厚。

各測點均表現(xiàn)為超土艙壓力下刀盤前位置的隆起和二次注漿后的抬升。說明超土壓力下的隆起和二次注漿后的抬升對沉降控制起到了重要作用。如A11點有6 mm的最大隆起，該位置的二次注漿量達到了3 m3，注漿壓力達到了0.4 MPa。

圖7 1號觀測斷面橫斷面方向各階段沉降曲線

圖8 3號觀測斷面橫斷面方向各階段沉降曲線

4 結 論

本次地面最大沉降最終控制在8 mm以內(nèi)，滿足了地鐵正常運營的要求。對于敏感地段的沉降規(guī)律與控制措施有如下結論：

(1)對于下部為硬巖、上部為淤泥或黏土等透水性差的上軟下硬復合地層，當?shù)孛婕庸虒嵤╇y度大，無法采取地面注漿加固措施時，通過信息化監(jiān)測、掘進參數(shù)調(diào)整控制、二次注漿等措施，是可以很好地控制地面沉降的。

(2)復合地層由于下部硬，上部為流塑狀淤泥，一旦土艙壓力設定過小，更易引起土體超挖，通過設定較高的土艙壓力，使上部淤泥層在超土壓力下形成隆起有助于減小最終沉降。

(3)同步注漿雖能及時填充盾尾間隙，但由于漿液未凝固時難以及時支撐盾尾脫出后上部土層的壓力，盾尾脫出后的急劇沉降無法避免。

(4)盾尾及時二次注漿能同時補充同步注漿量的不足，并能使同步注漿的漿液和二次補充注漿的漿液快速凝結，對土體形成支撐。二次注漿壓力的抬升作用在淤泥或黏土地層對沉降控制作用顯著。

(5)復合地層沉降槽寬度，取決于覆蓋軟土地層的厚度，與隧道底部埋深無關，有助于評估地面受影響建筑物或構筑物的范圍。

(6)復合地層中盾構掘進，設定超土艙壓力時，應特別重視土體改良措施，防止刀盤結泥餅，一旦結泥餅，推力、扭矩上升并產(chǎn)生噴涌、出土量控制困難等，將造成沉降加大。

(7)本次沉降監(jiān)測頻率達到了每半小時一次，由于沉降信息反饋及時，對隨時調(diào)整掘進參數(shù)、及時指導二次注漿壓力及注漿量、了解注漿效果，起到了非常重要的作用。因此，監(jiān)測與施工控制的信息化聯(lián)動至關重要。

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