張 哲 寧

(成都軌道交通集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031)

0 引言

各大城市地鐵的大量興建，在解決了城市交通擁擠的同時(shí)，也伴隨著一些工程技術(shù)上的問題，城市地鐵基本上采用盾構(gòu)法施工。因盾構(gòu)技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)，在城市地鐵施工中有著明顯的優(yōu)越性和適用性，盾構(gòu)法施工在城市地鐵隧道建設(shè)中正扮演著越來越重要的角色。成都地區(qū)以富水砂卵石地層為主，特別是在市中心及西部、北部地區(qū)，大規(guī)模穿越富水砂卵石地層，其工程地質(zhì)具有地下水位高(水位埋深2.0 m～5.0 m，為國內(nèi)城市地鐵砂卵石地層最高水位)、卵漂石含量高(含量高達(dá)60%～71%，粒徑以30 mm～110 mm為主)、卵石強(qiáng)度高(單軸抗壓強(qiáng)度50 MPa～150 MPa)等“三高”特點(diǎn)。受盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)、超挖和施工降水影響，造成地層損失、細(xì)顆粒物質(zhì)大量流失，卵石之間形成孔洞，容易誘發(fā)地面沉降、塌陷，且沉降存在滯后性和突發(fā)性，因此有必要對(duì)成都砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的地層變形機(jī)理及影響范圍進(jìn)行分析，以期對(duì)類似地層的盾構(gòu)安全施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

2 砂卵石地層盾構(gòu)施工引起地層變形機(jī)理

在砂卵石地層中，土體顆粒間的摩擦阻力大，滲透系數(shù)大，砂卵石地層富含地下水，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，利用掘削土壓和排土設(shè)備的調(diào)節(jié)作用難以平衡開挖面水土壓力。另外砂卵石層開挖面土體容易崩塌滑落，加之土倉渣土的流動(dòng)性差，因此開挖面穩(wěn)定控制極其困難。地層較為松散，卵石之間無膠結(jié)，單個(gè)卵石強(qiáng)度高，土體孔隙率大，卵石在地層中起骨架作用，刀盤切削旋轉(zhuǎn)時(shí)很容易破壞原來地層的穩(wěn)定狀態(tài)。盾構(gòu)施工對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，并容易引起較大的地層損失，表現(xiàn)出力學(xué)不穩(wěn)定性。刀盤磨損大，易發(fā)生開挖面失穩(wěn)而引起超出土問題，地面塌陷事故較突出。

卵石層地層為松散體，離散性介質(zhì)，粘聚力低，結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，且自穩(wěn)性差，易涌沙、涌水。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，因開挖面支護(hù)壓力不足，開挖面前方的砂卵石土涌入土倉出現(xiàn)局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)。如圖1，圖2所示，隨著刀盤前方超過盾構(gòu)斷面應(yīng)切削方量的土體不斷涌入土倉并被傳送機(jī)排出，刀盤前面斜上方的空洞會(huì)不斷擴(kuò)大，逐漸坍塌至地面，形成坍坑。

砂卵石地層土體強(qiáng)度不高，但土層中含有強(qiáng)度高、粒徑大的卵石，屬于柔中帶剛、軟中帶硬的地層，在盾構(gòu)施工過程中上方易形成空洞,砂卵石地層骨架效應(yīng)較好,產(chǎn)生臨時(shí)平衡拱(見圖3)，在一定時(shí)間內(nèi)可自穩(wěn),在地面荷載作用下,逐步延伸至地表,以致臨時(shí)平衡拱破壞，造成地表塌陷,且表現(xiàn)為滯后性,短則一兩個(gè)月,多則一年甚至兩年以上，施工風(fēng)險(xiǎn)和隱患極大，對(duì)施工和監(jiān)測(cè)都造成了一定的困擾。

3 砂卵石地層盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響范圍分析

成都地鐵盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)的地表沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則：沿隧道中線走向每5 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每30 m布設(shè)一個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面，垂直于隧道中線的方向向外每3 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。其中始發(fā)段或接收段的100 m范圍內(nèi)每10 m布設(shè)一個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面，前50 m按每10 m逐步過渡至后50 m每20 m設(shè)置一個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面，如圖4所示。

下面就砂卵石地層盾構(gòu)施工分別對(duì)地表沉降橫向和縱向影響分析如下：

1)橫向影響分析。

整理統(tǒng)計(jì)成都地鐵3號(hào)線一期、7號(hào)線總計(jì)12 289個(gè)地表沉降測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于沉降監(jiān)測(cè)值和數(shù)量采用下面兩種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：第一種根據(jù)不同沉降值大小的分布區(qū)間進(jìn)行分類匯總，見表1。

表1 按地表沉降累計(jì)值大小分段統(tǒng)計(jì)

觀察表1可得，在正常情況下，地表沉降值在0 mm～18 mm內(nèi)，地表沉降累計(jì)值小于18 mm的測(cè)點(diǎn)占96.5%，而超過18 mm的測(cè)點(diǎn)只占3.50%，在地質(zhì)情況較差的特殊地段或盾構(gòu)出土量超方較大時(shí)，地表沉降值會(huì)高于18 mm，此時(shí)地表沉降值過大，施工監(jiān)測(cè)應(yīng)啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率。

所以提出成都砂卵石地層盾構(gòu)施工引起地表沉降的控制值為20 mm，在當(dāng)前全國范圍內(nèi)的沉降控制值30 mm之內(nèi)。當(dāng)施工過程中所測(cè)得的地表沉降值在20 mm以內(nèi)時(shí)，說明沉降值在正常的范圍內(nèi)，表明盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置合理。

第二種根據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)到隧道中線的距離進(jìn)行分類匯總，見表2。

表2 測(cè)點(diǎn)到隧道中線距離的地表沉降累計(jì)值分類統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，距離為12 m,15 m,18 m的測(cè)點(diǎn)包括左右線的測(cè)點(diǎn)，且其中后掘進(jìn)隧道的測(cè)點(diǎn)較多，后掘進(jìn)隧道受先掘進(jìn)隧道的影響,距離左線隧道中線12 m處共998個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中左線有112個(gè)測(cè)點(diǎn),右線有886個(gè)測(cè)點(diǎn)。在成都地鐵盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)中，地表沉降的測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在距離隧道中線左右12 m的范圍內(nèi)。

下面對(duì)于成都地鐵施工監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的范圍進(jìn)行可行性討論：

a.表2中距離隧道中線12 m處共112個(gè)測(cè)點(diǎn)，取平均值計(jì)算，得出該位置測(cè)點(diǎn)的沉降平均值為3.15 mm；

b.砂卵石地層掘進(jìn)盾構(gòu)隧道時(shí)，以成都隧道平均埋深18 m計(jì)算，砂卵石地層的內(nèi)摩擦角根據(jù)成都地勘報(bào)告取35°，可以用式(1)估算地層沉降的影響范圍，如圖5所示。

L=(H+D)×tan(45°-φ/2)

(1)

其中，L為到隧道中線的水平距離；H為隧道埋深；D為隧道直徑；φ為砂卵石地層的內(nèi)摩擦角。

代入具體取值得：(18+6)×tan(45°-35°/2)≈12 m。

即在成都砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工的影響區(qū)域分布在隧道中線兩側(cè)12 m寬的范圍。

綜上所述，在成都地區(qū)盾構(gòu)施工，根據(jù)理論計(jì)算得出地表沉降的大致影響區(qū)域在隧道中線左右12 m處的范圍內(nèi)，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出距隧道中線12 m處的地表沉降平均值為3.15 mm，為控制值的15%左右，較小且變化不大，那么在距離中線12 m以外的點(diǎn)的沉降值會(huì)更小，所以對(duì)于12 m以外的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的意義不大，所以成都地表沉降的測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在距離隧道中線左右12 m的范圍內(nèi)是合理的。

2)縱向影響分析。

隧道中心地表點(diǎn)的沉降隨盾構(gòu)刀盤移動(dòng)的發(fā)展分為盾構(gòu)刀盤在未經(jīng)過該測(cè)點(diǎn)階段、經(jīng)過該測(cè)點(diǎn)階段，以及已經(jīng)過該測(cè)點(diǎn)階段的盾構(gòu)刀盤距離測(cè)點(diǎn)的水平距離與測(cè)點(diǎn)地表沉降的關(guān)系，見圖6。

在盾構(gòu)刀盤到達(dá)該點(diǎn)前，地表沉降會(huì)出現(xiàn)正值，但在3 mm之內(nèi)，即會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的地表隆起現(xiàn)象；在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)前后10 m處，地表沉降會(huì)以一定的趨勢(shì)增大，沉降曲線基本與水平線呈21.8°～26.6°的夾角；在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)后10 m～20 m處，沉降會(huì)在上階段的增大趨勢(shì)上產(chǎn)生一個(gè)突變，考慮到刀盤過后的同步注漿，在注漿壓力偏大時(shí)，該突變表現(xiàn)為沉降變小;注漿壓力偏小時(shí)，該突變表現(xiàn)為沉降變大；注漿壓力正常時(shí)，則趨于平緩，無突變；在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)20 m后，沉降趨于穩(wěn)定，由于后期固結(jié)沉降，地表沉降呈緩慢增大的趨勢(shì)。

4 結(jié)論及建議

本文以成都地鐵3號(hào)線一期工程和7號(hào)線工程為依托，通過對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)施工引起地層變形機(jī)理和砂卵石地層盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響范圍等進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，得出相關(guān)結(jié)論如下：

1)成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工過程中上方易形成空洞,砂卵石地層骨架效應(yīng)較好,產(chǎn)生臨時(shí)平衡拱，在一定時(shí)間內(nèi)可自穩(wěn),在地面荷載作用下,逐步延伸至地表,以致臨時(shí)平衡拱破壞，造成地表塌陷,且表現(xiàn)為滯后性,短則一兩個(gè)月,多則一年甚至兩年以上，施工風(fēng)險(xiǎn)和隱患極大，對(duì)施工和監(jiān)測(cè)都造成了一定的困擾。

2)統(tǒng)計(jì)了成都地鐵3，7號(hào)線12 289個(gè)測(cè)點(diǎn)的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在一般情況下，成都砂卵石地層盾構(gòu)施工的地表沉降控制值為20 mm，地表沉降的測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在距離隧道中線左右12 m的范圍內(nèi)是合理的。

3)在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)前后10 m處，由于地表沉降值會(huì)持續(xù)增大，應(yīng)保證定時(shí)定量對(duì)該區(qū)間進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)；在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)后10 m～20 m處，由于地表沉降值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變，應(yīng)在該區(qū)段加強(qiáng)對(duì)該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻率，通過沉降值的突變情況來觀察同步注漿壓力是否正常。

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