封炎 李洋溢 秦鮮卓

作者簡(jiǎn)介：

封 炎（1990—），助理工程師，主要從事隧道工程勘察設(shè)計(jì)工作。

文章以下穿黃河某盾構(gòu)隧道區(qū)間為研究背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，揭示了強(qiáng)透水砂卵石地層力學(xué)特性及失穩(wěn)機(jī)理，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析了強(qiáng)透水砂卵石地層受盾構(gòu)施工荷載擾動(dòng)后的地層沉降規(guī)律，并提出了相應(yīng)的安全控制措施。研究結(jié)果表明：下穿黃河段典型斷面地表橫向沉降值分布呈現(xiàn)明顯的離散性，與Peck經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型擬合度較低;通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，適當(dāng)提高盾構(gòu)推力設(shè)定值，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和切口泥水壓力波動(dòng)范圍，可有效控制地表沉降變形。

強(qiáng)透水砂卵石地層;盾構(gòu)隧道;失穩(wěn)機(jī)理;地層沉降

U455.43A431514

0 引言

盾構(gòu)法具有安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、自動(dòng)化程度高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，與城市地下空間發(fā)展的安全環(huán)保理念相契合，目前在城市地下軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用非常廣泛。然而，在城市地區(qū)修建地下軌道交通時(shí)，通常會(huì)面臨地層條件復(fù)雜、水文地質(zhì)狀況多變、建（構(gòu)）筑物及城市地下管線分布密集等復(fù)雜環(huán)境，盾構(gòu)法施工雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，卻不可避免地會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)地表塌陷等事故。

砂卵石地層為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，離散性較強(qiáng)。在盾構(gòu)施工荷載作用下，地層的初始平衡狀態(tài)很容易被破壞，開挖面前方部分土體容易發(fā)生松動(dòng)，然后逐漸對(duì)開挖面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而引起地層損失和地表沉降。近年來(lái)，關(guān)于盾構(gòu)隧道施工對(duì)砂卵石地層擾動(dòng)規(guī)律問(wèn)題的研究，開始受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的大量關(guān)注。王振飛等[1]選擇北京地下直徑線為依托工程，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降變形規(guī)律;范祚文等[2]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析北京砂卵石地層不同影響因素作用下的地表沉降規(guī)律，揭示土拱效應(yīng)、開挖面極限支護(hù)壓力及地表沉降的關(guān)系;程韜等[3]結(jié)合成都地鐵6號(hào)線某隧道區(qū)間砂卵石地層條件，采用三維數(shù)值模擬手段，分析施工中發(fā)生滯后沉降的原因，并提出相應(yīng)的控制措施;徐前衛(wèi)等[4]以北京地鐵8號(hào)線某區(qū)間為研究對(duì)象，分析砂卵石地層條件下盾構(gòu)施工參數(shù)與地層變形的影響關(guān)系。

目前國(guó)內(nèi)研究背景主要以北京、成都等地區(qū)的砂卵石地層為主，而關(guān)于黃河階地特有的強(qiáng)透水砂卵石地層研究還較少。本文以下穿黃河某盾構(gòu)隧道區(qū)間為研究背景，深入分析強(qiáng)透水砂卵石地層受盾構(gòu)施工荷載擾動(dòng)后的失穩(wěn)變形機(jī)制以及地層沉降規(guī)律，并提出相應(yīng)的安全控制措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

某盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道，采用泥水平衡盾構(gòu)工法施工。隧道左右線間的間距設(shè)計(jì)為6.8 m。左線起訖里程設(shè)計(jì)為ZK13+150～ZK15+057，全長(zhǎng)1 907 m;右線起訖里程為YK13+150～YK15+057，全長(zhǎng)1 907 m。線路總體呈V字型，線路縱坡坡度設(shè)計(jì)為2.8%。盾構(gòu)隧道在銀灘大橋上游附近下穿黃河底部，下穿黃河段長(zhǎng)度為404.0 m，隧道頂部距黃河河床底板約為18～24 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)間地層由上而下主要為第四系全新統(tǒng)雜填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)中砂層（Q4al）和卵石層（Q4al），再往下為第四系下更新統(tǒng)卵石層（Q1al）。盾構(gòu)隧道主要穿越下更新統(tǒng)卵石層，該地層結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)較為復(fù)雜，地下水極為豐富。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘報(bào)告結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各土層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

該盾構(gòu)隧道區(qū)間砂卵石地層的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）卵石含量高。該層卵石含量在55%～70%的范圍，呈中密狀態(tài);卵石的形狀大多為橢圓狀，級(jí)配不良，磨圓度比較好;卵石形成土體顆粒的骨架，卵石顆粒間的填充物主要有中砂與粗砂等，以薄層或透鏡狀砂層分布，局部呈弱鈣質(zhì)膠結(jié)，分布不規(guī)律且離散性較強(qiáng)。

（2）卵石粒徑大。隧道區(qū)間砂卵石地層的卵石粒徑大多分布在5～10 cm范圍內(nèi)，部分卵石的粒徑可達(dá)10～20 cm。漂石位置分布具有隨機(jī)性，粒徑多數(shù)>20 cm，分層不明顯。根據(jù)鉆孔資料與周邊開挖基坑資料表明，漂石最大粒徑可達(dá)50 cm，漂石的含量不均勻。

（3）卵石強(qiáng)度高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)試驗(yàn)資料，卵石的天然單軸抗壓強(qiáng)度為47 ～110 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為36～80 MPa。

（4）地下水豐富，滲透系數(shù)大。本區(qū)間地下水補(bǔ)給資源豐富，地下水變化情況主要受季節(jié)的影響。含水層厚度最大可達(dá)316.77 m，地層滲透系數(shù)大，砂卵石地層的滲透系數(shù)可達(dá)55～60 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水地層。

2 強(qiáng)透水砂卵石地層力學(xué)特性及失穩(wěn)機(jī)理分析

黃河階地砂卵石地層中以卵石構(gòu)成主要的骨架，卵石顆粒主要以點(diǎn)與點(diǎn)的形式進(jìn)行接觸與傳力，表現(xiàn)出明顯的離散性和不穩(wěn)定性。砂卵石地層在外界荷載的擾動(dòng)下，易失去原來(lái)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。與黏土地層相比，砂卵石土粘聚力不高，幾乎不能承受拉應(yīng)力。當(dāng)開挖面土體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象時(shí)，開挖面土體顆粒會(huì)發(fā)生相應(yīng)的流動(dòng)現(xiàn)象，失穩(wěn)破壞形態(tài)為剪切破壞。

再加上隧道區(qū)間穿黃段地下水豐富，地下水壓高，砂卵石層中細(xì)顆粒會(huì)隨著水的滲透力而流失，卵石骨架從緊密結(jié)構(gòu)變成松散結(jié)構(gòu)，松散單粒結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，此時(shí)卵石顆粒間的咬合作用將變?nèi)?，土體力學(xué)性質(zhì)降低，更容易引起開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象。

開挖面的失穩(wěn)又會(huì)使前方部分土體發(fā)生松動(dòng)，卵石顆粒表現(xiàn)出流動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)開挖面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，加大上部土體的松動(dòng)范圍（如圖1所示）。隨著開挖面上方土體顆粒的松動(dòng)塌落，上方土體部分土拱效應(yīng)會(huì)被破壞，導(dǎo)致開挖面上方出現(xiàn)地層空洞現(xiàn)象。在地下水位變化和季節(jié)降雨等因素的影響下，地層空洞頂部處的松散砂卵石不斷脫落，使得開挖面上部地層空洞逐漸往上發(fā)展，最終影響發(fā)展至地表面，從而引起地面塌陷等事故。

3 盾構(gòu)施工引起的土體擾動(dòng)規(guī)律研究

3.1 地層變形監(jiān)測(cè)布置方案

盾構(gòu)隧道區(qū)間地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案如圖2所示，每10～20環(huán)設(shè)置1個(gè)橫向沉降槽監(jiān)測(cè)斷面，表示為DB-01、DB-02等以此類推。每個(gè)橫向斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置6～11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不等，每?jī)蓚€(gè)橫向沉降槽布置斷面之間加設(shè)2～3個(gè)縱向布置點(diǎn)，布置在隧道軸線正上方地表位置，表示為DB-01+、DB-02+等以此類推。根據(jù)各個(gè)斷面地表處的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置會(huì)有微調(diào)。

3.2 地層橫向沉降規(guī)律

Peck經(jīng)驗(yàn)公式[5]是目前用以預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工引起地層沉降規(guī)律的經(jīng)典理論。Peck認(rèn)為在不排水的情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。假定地層損失在整個(gè)隧道長(zhǎng)度上均勻分布，隧道施工所產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為正態(tài)分布曲線，又稱高斯分布曲線，即Peck經(jīng)驗(yàn)公式法。Peck經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)應(yīng)的地層沉降位移預(yù)測(cè)模型如圖3所示。

本文選取下穿黃河段典型斷面DB-34、DB-36和下穿黃河后典型斷面DB-45、DB-48的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究，分析強(qiáng)透水砂卵石地層泥水盾構(gòu)施工地層橫向沉降變形規(guī)律。地層橫向沉降分布規(guī)律曲線如圖4～5所示。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示：下穿黃河段典型斷面地表橫向沉降值分布呈現(xiàn)出明顯的離散性，與Peck經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型擬合度較低，地表沉降值最大為-12.23 mm，沉降值多分布在5～12 mm范圍內(nèi)。盾構(gòu)隧道下穿黃河后的典型斷面地表橫向沉降值分布與Peck經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型擬合較好，地表沉降值最大為-7.54 mm，沉降值多分布在2～8 mm范圍內(nèi)。下穿黃河段典型斷面地表沉降值比下穿黃河后典型斷面的地表沉降值大。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況和地層條件，分析沉降規(guī)律原因：（1）下穿黃河段地下水壓大、地下水豐富，砂卵石層中細(xì)顆粒會(huì)隨著水的滲透力而流失，卵石骨架從緊密結(jié)構(gòu)變成松散結(jié)構(gòu)，卵石顆粒表現(xiàn)出流動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致地表橫向沉降值分布不規(guī)律，呈現(xiàn)出明顯的離散性;（2）下穿黃河段水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜，地層滲透系數(shù)大，且通過(guò)卵石層孔隙潛水與黃河水互通，施工過(guò)程中面臨著諸多不確定的施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)施工參數(shù)控制困難，各種因素導(dǎo)致下穿黃河段地表沉降值相對(duì)較大;（3）施工前期經(jīng)驗(yàn)不足，沒(méi)有很好地控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，泥漿漿液參數(shù)指標(biāo)偏弱，使得地表沉降值相對(duì)較大，而后期通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，適當(dāng)提高盾構(gòu)推力設(shè)定值，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和切口泥水壓力波動(dòng)范圍，有效控制了地表沉降變形。

3.3 地表沉降歷時(shí)規(guī)律

相比于橫向地表沉降主要反映為空間上的特點(diǎn)，縱向地表沉降則主要反映為時(shí)間的特點(diǎn)。以隧道軸線上方對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，地層沉降變化規(guī)律隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)主要經(jīng)歷四個(gè)階段[6]：盾構(gòu)到達(dá)前的先期變形、盾構(gòu)通過(guò)地表下方引起的沉降、盾尾脫離管片間隙引起的沉降以及后期土體固結(jié)沉降。地表沉降歷時(shí)規(guī)律曲線如圖6所示。

對(duì)下穿黃河段典型斷面DB-32的地表沉降值隨時(shí)間變化歷時(shí)規(guī)律進(jìn)行研究（地表沉降值為隧道軸線上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)），如圖7所示。盾構(gòu)刀盤到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面4～8 d內(nèi)，地表沉降值變化速率很大，累計(jì)沉降值達(dá)-5.45 mm，隨后地表沉降值變化速率放緩，地表沉降值緩慢增加，最后趨于平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況和地層條件，分析沉降規(guī)律原因：（1）強(qiáng)透水砂卵石地層力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，盾構(gòu)到達(dá)前期對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起開挖面土體及上方土體出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致前期沉降變化速率較大;（2）盾構(gòu)通過(guò)后不久，經(jīng)過(guò)盾尾同步注漿和上方土體形成土拱效應(yīng)等因素，使得地表沉降變形率開始變緩;（3）盾構(gòu)通過(guò)后期地表沉降仍存在變化，說(shuō)明砂卵石地層沉降具有滯后性的特征，當(dāng)前期上方土體形成的土拱效應(yīng)被破壞后，地層沉降會(huì)繼續(xù)發(fā)生緩慢變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某盾構(gòu)隧道區(qū)間為研究背景，深入分析黃河階地強(qiáng)透水砂卵石地層受盾構(gòu)施工荷載擾動(dòng)后的失穩(wěn)變形機(jī)制以及地層沉降規(guī)律，并提出相應(yīng)的安全控制措施。研究結(jié)果表明：

（1）黃河階地砂卵石地層表現(xiàn)出明顯的離散性和不穩(wěn)定性，且隧址區(qū)地下水豐富，地下水壓高，砂卵石層中細(xì)顆粒會(huì)隨著水的滲透力而流失，此時(shí)卵石顆粒間的咬合作用將變?nèi)?，開挖面極易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。開挖面的失穩(wěn)會(huì)引起前方部分土體發(fā)生松動(dòng)，卵石顆粒表現(xiàn)出流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)開挖面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生地層損失。

（2）下穿黃河段典型斷面地表橫向沉降值分布呈現(xiàn)較明顯的離散性，與Peck經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型擬合度較低，地表沉降值最大為-12.23 mm，沉降值多分布在5～12 mm范圍內(nèi)。下穿黃河段水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜，盾構(gòu)施工參數(shù)控制困難，導(dǎo)致下穿黃河段地表沉降值相對(duì)較大。

（3）盾構(gòu)隧道下穿黃河后的典型斷面地表橫向沉降值分布與Peck經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型擬合較好，地表沉降值最大為-7.54 mm，沉降值多分布在2～8 mm范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，適當(dāng)提高盾構(gòu)推力設(shè)定值，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和切口泥水壓力波動(dòng)范圍，可有效控制地表沉降變形。

（4）盾構(gòu)隧道下穿黃河砂卵石地層歷時(shí)沉降規(guī)律經(jīng)歷三個(gè)階段：①盾構(gòu)到達(dá)前期對(duì)地層產(chǎn)生較大擾動(dòng)，導(dǎo)致前期地層沉降變化速率較大;②盾構(gòu)通過(guò)后不久，經(jīng)過(guò)盾尾同步注漿和上方土體形成土拱效應(yīng)等因素，地表沉降變形率開始變緩;③由于砂卵石地層沉降具有滯后性，后期地層沉降會(huì)繼續(xù)發(fā)生緩慢變化。

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