周海群

(杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江 杭州 310022)

盾構(gòu)掘進速度是隧道施工中的一個重要參數(shù)，對于土壓平衡式盾構(gòu)機而言，對掘進速度影響最為顯著的3個操作參數(shù)依次為油缸推力、土艙壓力和刀盤轉(zhuǎn)速［1-3］。然而，隧道通過的地層條件也直接影響著掘進速度的快慢，在黃土地層條件下西安地鐵二號線試驗段項目部曾創(chuàng)造了一個月掘進727.5 m的全國新紀錄;在軟硬不均的復合地層和砂卵石地層條件下，盾構(gòu)機由于受刀具磨損和開挖面穩(wěn)定性的影響掘進速度相對較慢［4-5］。

軟土主要由粒徑＜1 mm的細粒土組成，具有天然含水量高、壓縮性大、承載力低、呈軟塑性或流塑狀態(tài)等特點，主要分布于渤海灣長江三角洲、珠江三角洲及浙閩等沿海地區(qū)的海相沉積地層中。在外荷載作用下，一方面土體中的孔隙水排出，使土體中孔隙減小，軟土地層產(chǎn)生固結(jié)變形;另一方面由于黏土顆粒以結(jié)合水膜相互接觸，在荷載不變情況下，隨著時間的推移，土體變形還會繼續(xù)增加，即土體的次時間效應，亦稱土體的流變［6-7］。因此，盾構(gòu)機在軟土地層施工中面臨著地面沉降的控制問題，控制開挖面的穩(wěn)定性尤為重要。

國內(nèi)學者對盾構(gòu)掘進速度與開挖面的穩(wěn)定性關(guān)系做了相關(guān)的理論研究工作。高健等考慮盾構(gòu)掘進速度以及土體滲透系數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)在低滲透性土層中進行隧道掘進，盾構(gòu)掘進速度的改變對隧道掘進面附近水頭分布產(chǎn)生很大影響，掘進速度的增加將引起作用在隧道掘進面上支護力和隧道掘進面附近總水頭梯度顯著增加的規(guī)律［8-9］。本文主要就筆者參與的某一隧道工程中關(guān)于盾構(gòu)正常掘進速度變化與地表沉降情況進行分析，通過對現(xiàn)場施工的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將掘進速度與地表沉降之間建立聯(lián)系，研究成果可以為該方向的理論研究學者提供基礎資料，同時可為隧道建設者提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程建設概況

杭州地鐵1號線九九區(qū)間為雙線盾構(gòu)法施工隧道，單線全長734.473 m(612環(huán))，區(qū)間線路最小平面曲線半徑為400 m，最大坡度為－25‰，隧道洞頂埋深約為9.3～16.8 m。區(qū)間隧道采用日本小松公司制造的TM634PMX-43加泥型土壓平衡盾構(gòu)進行施工，從九堡站始發(fā)至九堡東站完成施工。盾構(gòu)殼體直徑φ6.34 m，隧道管片外徑 φ6.20 m、內(nèi)徑 φ5.50 m、厚度0.35 m、寬度1.20 m，采用錯縫拼裝方式。

本文主要針對正常掘進中速度與地表沉降進行分析，盾構(gòu)施工已經(jīng)處于正常掘進狀態(tài)，其盾構(gòu)施工參數(shù)除掘進速度外均已確定，最大限度排除了其他因素的影響，如注漿量3.5 m3、艙內(nèi)上部土壓0.16 MPa、出土量37 m3、刀盤轉(zhuǎn)速0.8 r/min等對沉降影響較大因素設定的數(shù)值均為恒定值。

1.2 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

場地淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及③-2～③-8層粉土、粉砂中，由大氣降水和地表水徑流補給，在和睦港附近河水補給，地下水位隨季節(jié)變化。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，淺層地下水水位年變幅為1.0～2.0 m，多年平均高水位埋深約0.5～1.0 m。施工土層承壓水層不具承壓性質(zhì)。

掘進范圍內(nèi)地基土主要為③層粉、砂性土及④層、⑥層飽和軟黏土。粉土、砂土與軟黏土的強度等級性質(zhì)、變形特性均存在較大差異，掘進過程中容易造成軟弱層排土過快引起地層下沉。本文取樣范圍內(nèi)土層覆土深度平均為14～15 m，從上到下分別為①-1雜填土、③-2砂質(zhì)粉土、③-3砂質(zhì)粉土、③-6砂質(zhì)粉土夾粉砂、③-7淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、③-8砂質(zhì)粉土夾粉砂、⑥-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，盾構(gòu)體正面穿越土層主要為③-7淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、③-8砂質(zhì)粉土夾粉砂和⑥-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

2 盾構(gòu)施工對地面沉降的影響因素分析

2.1 盾構(gòu)施工中控制地層變形主要原理

土壓平衡式盾構(gòu)是通過壓力艙內(nèi)的土壓力來平衡開挖面的土體，達到對盾構(gòu)正前方開挖面支護的目的。平衡壓力的設定是土壓平衡式盾構(gòu)施工的關(guān)鍵，維持和調(diào)整壓力值是盾構(gòu)推進操作中的重要環(huán)節(jié)，包含對推力、推進速度和出土量三者的調(diào)整，在盾構(gòu)施工軸線和地層變形量的控制上起主導作用。在盾構(gòu)施工中要根據(jù)不同土質(zhì)和覆土厚度、地面建筑物，結(jié)合監(jiān)測信息的分析，及時調(diào)整平衡壓力值的設定及注漿量多寡，同時保持推進速度相對平穩(wěn)，減少每次糾偏的量，以降低對土體的擾動，在創(chuàng)造良好管片拼裝條件的同時，將軸線和地層變形控制在允許的范圍內(nèi)［10］。

2.2 盾構(gòu)施工影響地層變形的原因及分析

根據(jù)盾構(gòu)法隧道施工的過程和特點，綜合國內(nèi)外的研究成果，影響土體移動和地表沉降的原因主要可以歸納為如下幾個方面:①開挖面土體的應力狀態(tài)變化;②盾殼半徑小于刀盤半徑，盾構(gòu)殼周圍有間隙，周圍土體向空隙處移動，導致地表沉降變化;③盾構(gòu)開挖面前方土體和與盾構(gòu)可接觸的周圍土體受到擠壓而向前和四周移動;④土體與襯砌的相互作用;⑤糾偏過程中出現(xiàn)超挖現(xiàn)象;⑥盾尾注漿不適當引起的土體擠壓導致沉降;⑦土體次固結(jié)即盾構(gòu)隧道周圍土體施工擾動后，軟黏土土體進一步產(chǎn)生蠕變，持續(xù)次固結(jié)沉降的影響。

上述影響因素中，其中①，③，⑤，⑥項為人為影響因素，主要通過土壓力設定、盾構(gòu)掘進速度、注漿、掘進操作、監(jiān)控等方面進行控制，另外②，④，⑦等因素為客觀存在的因素。在整條隧道施工中，去除操作失誤等小概率事件，在外界條件相似情況下，將土壓力、注漿量及壓力、出土量、刀盤回轉(zhuǎn)等設定為恒定值，糾偏、土體次固結(jié)、盾構(gòu)空隙引起變化等在大范圍上認為恒定，即可確定推力、推進速度為地表沉降變化的最大影響因素。

筆者在九九區(qū)間盾構(gòu)工程區(qū)段中取相類似條件下施工完成的多段隧道，通過對掘進速度的變化情況及地表監(jiān)測沉降情況進行分析。

3 盾構(gòu)掘進速度對地面沉降影響分析

3.1 現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析統(tǒng)計方法

杭州地鐵九九區(qū)間左線盾構(gòu)施工過程中建立了盾構(gòu)自動導向系統(tǒng)及地表第三方人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測平臺。盾構(gòu)導向系統(tǒng)為日本ENZAN KOUBOU公司的Robotec Survey System(Rss)自動導向系統(tǒng)，2.5 km之內(nèi)的誤差為3 mm+2 ppm，每環(huán)均測;人工監(jiān)測使用儀器為DSZ2+FS1精密水準儀及配套銦鋼尺，精度在±0.5 mm，布點為1點/(每5環(huán)6 m)，每點從盾構(gòu)切口到達前 20 m、后30 m開始監(jiān)測，沉降量 ＜±0.3 mm，則停止監(jiān)測(見圖1和圖2)。

圖1 自動導向系統(tǒng)原理

圖2 現(xiàn)場施工測量系統(tǒng)

通過對九九區(qū)間左線盾構(gòu)全線掘進監(jiān)測數(shù)據(jù)及地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用均值及最小值歸納方法進行統(tǒng)計分析，現(xiàn)取其部分數(shù)據(jù)進行描述，其中監(jiān)測數(shù)據(jù)為99～153環(huán)地表沉降監(jiān)測值，盾構(gòu)數(shù)據(jù)為101～140環(huán)盾構(gòu)掘進速度值，其余數(shù)據(jù)統(tǒng)計法相同。因隧道地表埋設點位為每5環(huán)一點，實際取值分析過程中，如101環(huán)，則取值為100環(huán)數(shù)據(jù)，如104環(huán)，則取值為103環(huán)數(shù)據(jù)，以此類推，整個分析過程數(shù)據(jù)，均為盾構(gòu)進入正常掘進范圍后的取值數(shù)據(jù)。

3.2 盾構(gòu)掘進速度對地面沉降影響數(shù)據(jù)分析

1)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

99-140環(huán)掘進過程中地面累計沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，盾構(gòu)機在縱向施工過程中，掘進速度的不同對地層擾動的影響是不同的。地表整體表現(xiàn)為下沉狀態(tài)，局部區(qū)域的測點在某個施工環(huán)節(jié)中有地層隆起的現(xiàn)象出現(xiàn)。測點Z110和測點Z125受施工擾動較大，單次掘進沉降量最大值均達到了2.99 mm;從累計變形量數(shù)據(jù)分析來看，地表最大沉降量位于測點Z105處，最大值達到了12.17 mm，隨盾構(gòu)機的后續(xù)施工，沉降量略有減小，測點Z140的累計變形量最小，約為1.2 mm。

表1 99—140環(huán)掘進過程中地面沉降監(jiān)測點累計變形量數(shù)據(jù) mm

2)單環(huán)掘進中速度變化對地表沉降影響

盾構(gòu)隧道單環(huán)掘進瞬時速率變化曲線如圖3所示，排除各環(huán)總平均速度大小不一的影響，根據(jù)瞬時V變化曲線圖從圖3(a)、圖3(b)上可見，在此階段掘進過程中，單環(huán)瞬時速度變化較快，且變化幅度較大，達到2～3 cm上下;從圖3(c)、圖3(d)上可見，掘進過程中，單環(huán)瞬時速度變化較慢，且變化幅度較圖3(a)、圖3(b)大幅度降低，基本上均在1 cm以內(nèi)浮動，甚至于基本平均。對比監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其中圖3(a)、圖3(b)所表示的101～120環(huán)地表監(jiān)測中，當前環(huán)位置的單次沉降值均較大且沉降差異較大，在－1.5～－3.0 mm之間浮動，且已經(jīng)脫出盾尾環(huán)片上方，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隨著盾構(gòu)掘進沉降增加明顯，而在圖3(c)、圖3(d)所表示的121～140環(huán)地表監(jiān)測中，當前環(huán)位置的單次沉降數(shù)據(jù)較為平均，在2.5 mm左右或 －1 mm左右，沉降值較為平均，且已經(jīng)脫出盾尾環(huán)片上方，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示沉降未隨盾構(gòu)掘進而增加，比較均勻，且數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在2.5 mm以下。另外，在盾構(gòu)切口環(huán)位置可以發(fā)現(xiàn):在盾構(gòu)隆沉均在1.0～1.5 mm左右，未出現(xiàn)明顯變化。

根據(jù)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)掘進過程中，單環(huán)掘進速度變化幅度越快，對地面沉降影響越大，且沉降呈不均勻狀及后續(xù)增大狀;掘進速度變化幅度越小，對地面沉降影響越小，且沉降呈均勻狀及后續(xù)沉降較小且均衡。對切口位置而言地表沉降均無大影響。

3)不同環(huán)片平均掘進速度變化對地表沉降影響

從盾構(gòu)宏觀平均速度上進行分析(如圖4所示)，101～120環(huán)平均速度均較為接近，基本在3.5～4.5 cm/min之間，而120～140環(huán)平均速度變化幅度較大，從最低的2.5 cm/min左右到4.5 cm/min左右均有，且相鄰環(huán)速度變化較大。結(jié)合表1中累計沉降數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，101～120環(huán)中盾構(gòu)切口環(huán)后地表累計沉降較小，約在3～5 mm左右，而120～140環(huán)部分中盾構(gòu)切口環(huán)后地表累計沉降則較大，且幅度也較大，處于5～10 mm間。另外，盾構(gòu)切口環(huán)位置可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隆沉均在1.0～1.5 mm左右，未出現(xiàn)明顯變化。

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，從宏觀上分析，盾構(gòu)掘進速度越平均，變化幅度越小，對地表沉降影響越小，且沉降量也較小，盾構(gòu)掘進速度幅度變化越大，對地表沉降影響越大，且沉降量也較大，而對切口位置地表沉降均無大影響。

圖3 盾構(gòu)隧道單環(huán)掘進瞬時速率變化曲線(每25～30 s速度變化趨勢)

圖4 101～140環(huán)盾構(gòu)隧道單環(huán)掘進平均速率變化曲線

4 結(jié)語

隨著國際上盾構(gòu)技術(shù)的日趨完善以及國內(nèi)對盾構(gòu)技術(shù)的需求加大，盾構(gòu)的發(fā)展逐漸趨向于微型化和超大型化、形式多樣化、高度自動化和高適應性。然而，盾構(gòu)隧道施工是一種機械化相對要求較高的復雜技術(shù)，其施工質(zhì)量的好壞受多種因素的制約與控制。

本文以杭州地鐵1號線九九區(qū)間隧道盾構(gòu)施工為工程背景，分析了盾構(gòu)施工引發(fā)地面沉降的影響因素，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對杭州地鐵軟土層盾構(gòu)施工中掘進速度與地表沉降的變化規(guī)律進行研究。研究結(jié)果表明，在盾構(gòu)施工參數(shù)已經(jīng)設定的前提下，無論是單環(huán)掘進速度還是整體掘進速度，對地表沉降的影響最終取決于掘進速度變化幅度的大小，掘進速度變化幅度大，則沉降大，控制施工掘進速度的變化量可有效控制地表沉降。

研究數(shù)據(jù)與成果可以為該方向的理論研究學者提供基礎資料，同時可為隧道建設者提供借鑒。

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