摘要 以成都軌道交通30號線高碑壩出入段下穿成雅高速公路為工程背景，同時考慮復合地層和埋深突變的影響，對盾構(gòu)施工掘進參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得出平均土壓、注漿壓力、注漿量、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩和掘進速度在復合地層和埋深突變情況下的變化趨勢，最后提出該施工條件下的掘進參數(shù)優(yōu)化建議。主要結(jié)論：（1）平均土壓與埋深呈變化的倍數(shù)關(guān)系，其中倍數(shù)的大小與地質(zhì)條件有關(guān)；（2）注漿方量與圍巖滲透性有關(guān)，需依據(jù)不同地層條件進行取值；（3）盾構(gòu)推力受復合地層和埋深突變的影響不大，但應減少盾構(gòu)推力變化幅度，保持平穩(wěn)；（4）刀盤扭矩和掘進速度應根據(jù)開挖面硬巖比設(shè)定合理的數(shù)值，同時應避免參數(shù)突變。

關(guān)鍵詞 盾構(gòu)隧道；復合地層；埋深突變；掘進參數(shù)；統(tǒng)計分析

中圖分類號 U455.43 文獻標志碼 A

0引言

近年來，隨著我國城市軌道交通的大力修建，盾構(gòu)法施工因其具有對周邊環(huán)境影響小、地層適應范圍廣、施工速度快等優(yōu)點被廣泛應用于城市地鐵隧道建設(shè)中。但在盾構(gòu)施工過程中若選取不恰當?shù)木蜻M參數(shù)極易導致路面沉降過大、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制等問題［1-2］，尤其在復合地層和埋深突變條件下盾構(gòu)施工工程中更為突顯。

較多學者對盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)的選取開展了研究。例如：羅宇勤等［3］針對黏土地層，分析了埋深對掘進參數(shù)的影響，其中盾構(gòu)總推力和平均土倉壓力與埋深呈正相關(guān)關(guān)系。羅錫波等［4］分析了盾構(gòu)“V”型坡施工時各掘進參數(shù)的變化規(guī)律，土倉壓力和掘進速度受“V”型坡的影響明顯。李經(jīng)緯［5］針對上軟下硬復合地層，分析了各掘進參數(shù)與地質(zhì)條件之間的相關(guān)性，得到開挖面硬巖比例增大時，總推力和刀盤扭矩隨之增大，掘進速度變慢。趙博劍等［6］等研究了復合地層中盾構(gòu)掘進參數(shù)與地層的相關(guān)性，并給出各掘參數(shù)的選取依據(jù)。秦佳佳［7］通過數(shù)值計算方法，分別分析了軟土、硬巖和復合地層條件下土倉壓力和注漿壓力對地面沉降的影響規(guī)律，得到上述參數(shù)受地層和埋深的限制較大。沈翔等［8］針對復合地層，通過引入灰色系統(tǒng)理論下的GM預測模型對掘進推力進行了預測，在實際施工中驗證了參數(shù)選取的合理性。徐一帆等［9］等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，考慮巖體強度和開挖面硬巖占比等條件，預測總推力和刀盤扭矩的取值，平均預測誤差小于15%。文佳等［10］將復合地層硬巖比引入盾構(gòu)掘進速度預測模型，預測的準確性得到現(xiàn)場實測的驗證。

分析上述文獻可知，針對復合地層盾構(gòu)掘進參數(shù)研究成果較多，但是針對復合地層埋深突變條件下盾構(gòu)掘進參數(shù)研究相對不足，因此，本文依托成都軌道交通30號線高碑壩出入段區(qū)間盾構(gòu)下穿成雅高速公路工程，對復合地層埋深突變條件下盾構(gòu)掘進參數(shù)與地表沉降的相關(guān)性開展分析，相關(guān)研究成果可為類似工程提供經(jīng)驗。

1工程概況

成都軌道交通30號線高碑壩出入段區(qū)間盾構(gòu)穿越成雅高速公路工程土層自上而下主要有：lt;0gt;高速路基、lt;1-2gt;雜填土、lt;3-8-1gt;稍密卵石土、lt;3-8-2gt;中密卵石土、lt;3-8-3gt;密實卵石土、lt;5-1-2gt;強風化泥巖和lt;5-1-3gt;中風化泥巖。盾構(gòu)穿越地層復雜多樣，土體強度差異較大，主要為密實卵石土、強風化泥巖和中風化泥巖，該段工程地質(zhì)條件如圖1、圖2所示。

該區(qū)段盾構(gòu)隧道襯砌外徑Φ6m，內(nèi)徑Φ5.4m，管片幅寬1.2m，厚度0.3m，左右線保持水平且間距為6m。

2沉降分析

2.1監(jiān)測方案

盾構(gòu)穿越成雅高速公路前，對研究區(qū)段進行沉降測線和測點的布置，其平面布置如圖3所示。

地表沉降測線沿線路中線按5m間距布設(shè)，下穿成雅高速公路段適當加密測點，橫向地表沉降測點在施工影響范圍內(nèi)地表非等距布置。

2.2地層條件對沉降的影響分析

盾構(gòu)開挖會對周邊地層產(chǎn)生力學響應，其中地層條件是影響地層響應強弱的關(guān)鍵因素，圖4和圖5分別為出段線和入段線軸線地表沉降。

盾構(gòu)在DBC1475測點的位置進入泥巖地層，在DBC1425和DBC1420測點之間達到硬巖比（泥巖厚度與隧道開挖半徑的比值）最大，隨后逐漸減小。而入段線所選區(qū)間盾構(gòu)均處于卵石地層。

由圖4可知，出段線盾構(gòu)進入泥巖地層后沉降曲線由明顯波動，硬巖比越大沉降越小。而入段線盾構(gòu)均處于卵石地層，其沉降曲線（圖5）波動較出段線不明顯。上述分析表明：隧身所處地質(zhì)條件越好，沉降相對越小；軟硬地層交界處存在沉降突變，需控制好盾構(gòu)掘進參數(shù)。

3盾構(gòu)掘進參數(shù)分析

為探究復合地層埋深突變情況下，各掘進參數(shù)的變化趨勢，對雙線盾構(gòu)下穿成雅高速公路工程中具有復合地層特征的出段線盾構(gòu)掘進參數(shù)開展分析。本節(jié)主要分析受埋深突變影響較大的25～125環(huán)的掘進參數(shù)，其中在44環(huán)～54環(huán)隧道埋深由5.6m突增到11.5m；在80環(huán)到90環(huán)隧道埋深由12.5m銳減到7.2m；在70環(huán)開始進入泥巖地層，在100環(huán)的位置硬巖比達到最大，隨后硬巖比逐漸減小至0（120環(huán)）。

3.1平均土壓

圖6為盾構(gòu)施工的平均土壓、地表沉降和埋深三者之間的關(guān)系，主要性質(zhì)表現(xiàn)為：

（1）平均土壓與埋深存在變化的倍數(shù)關(guān)系，具體表現(xiàn)為圖6中平均土壓與埋深近似平行，但倍數(shù)關(guān)系不同，主要原因是由于在70環(huán)附近盾構(gòu)開始進入復合地層，上覆土重度和靜止土壓力系數(shù)的增加，導致倍數(shù)變化。

（2）平均土壓力和沉降存在滯后的負相關(guān)關(guān)系，主要表現(xiàn)為30～50環(huán)時土壓維持在最低的0.9MPa附近，此時沉降并未出現(xiàn)最大值，而是滯后15環(huán)出現(xiàn)最大值-11.2mm。同理土壓在55環(huán)附近開始迅速提高，沉降在78環(huán)得到響應，滯后23環(huán)。這是由于較大的土壓會使前方地表隆起，進而可以抵消盾構(gòu)開挖之后所產(chǎn)生的沉降，最終可將地表沉降控制在合理范圍內(nèi)，但需注意地表隆起的控制標準。

3.2同步注漿壓力及方量

（1）注漿壓力與埋深和地層條件關(guān)系不大，其值在0.145～0.175MPa左右波動。

（2）注漿壓力與沉降相關(guān)性較好，在73環(huán)注漿壓力為遠低于波動范圍的0.115MPa，導致沉降過大，在78環(huán)和98環(huán)注漿壓力為0.175MPa，達到波動范圍內(nèi)最大值，導致附近測點沉降較少。

圖8為注漿量、地表沉降和埋深三者之間的關(guān)系，主要表現(xiàn)性質(zhì)為：

（1）注漿量與地層條件有關(guān)。除了66環(huán)注漿量數(shù)據(jù)異常以外，盾構(gòu)在砂卵石地層開挖時，注漿量維持在5.0～5.5m3，盾構(gòu)砂卵石泥巖復合地層開挖時，注漿量維持在5.5～6.0m3。因此在施工時應及時根據(jù)地層條件選擇合適的注入率，并修正注漿量。

（2）注漿量與埋深關(guān)系不明顯。

3.3盾構(gòu)推力

圖9為盾構(gòu)推力、地表沉降和埋深三者之間的關(guān)系，主要性質(zhì)表現(xiàn)為：

由圖9可知，盾構(gòu)推力受復合地層和埋深突變的影響不大，但55～65環(huán)盾構(gòu)推力明顯高于全段平均推力（11620kN），過大的地層擾動導致地表出現(xiàn)較大的沉降（-11.2mm），因此應控制盾構(gòu)推力在合理范圍之間波動，防止盾構(gòu)推力發(fā)生突變。

3.4刀盤扭矩

圖10為刀盤扭矩、地表沉降和埋深三者之間的關(guān)系，主要性質(zhì)表現(xiàn)為：

（1）刀盤扭矩與地層條件存在一定相關(guān)性。盾構(gòu)在85～100環(huán)時（硬巖比最大）的刀盤扭矩明顯比100～125環(huán)（全斷面砂卵石）大，且85～125環(huán)不受埋深突變的影響。造成這一現(xiàn)象的主要原因是隨著硬巖比的減小，刀盤所受阻力減小，刀盤扭矩也相應的減少。

（2）刀盤扭矩與埋深關(guān)系不明顯。

3.5掘進速度

圖11為掘進速度、地表沉降和埋深三者之間的關(guān)系，主要表現(xiàn)性質(zhì)為：

（1）掘進速度與地層條件存在一定相關(guān)性。盾構(gòu)機在砂卵石地層（60～75環(huán)）掘進速度最快，其平均值達到48.19mm/min，在進入泥巖地層后速度明顯減少，在硬巖比達到最大值附近（102環(huán)）時掘進速度為37.61mm/min，最后隨著硬巖比的減小，掘進速度有一定程度的增加。

（2）掘進速度與埋深關(guān)系不明顯。

4結(jié)論

本文主要對盾構(gòu)下穿成雅高速公路監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，研究了地層條件、土倉壓力、注漿壓力及方量、掘進速度、刀盤扭矩和總推力對地表沉降的影響。主要結(jié)論有：

（1）通過分析地層條件對地表沉降的影響可知，隧周地質(zhì)條件越好沉降越少，且軟硬地層交界處存在沉降突變，需控制好盾構(gòu)掘進參數(shù)。

（2）通過分析土倉壓力對地表沉降的影響可知，土倉壓力與埋深存在變化的倍數(shù)關(guān)系，且與沉降存在滯后的負相關(guān)關(guān)系，建議在埋深突變的施工段中，根據(jù)埋深和地質(zhì)情況科學的計算土壓力值，并提前20環(huán)左右逐步變換土倉壓力，以防止地表沉降過大，同時還需更加關(guān)注施工前方地表隆起量。

（3）通過分析注漿壓力和注漿量對地表沉降的影響可知，注漿壓力與埋深和地層條件關(guān)系不大，其值在0.145～0.175MPa之間波動，但與沉降相關(guān)性較好。注漿方量主要與圍巖滲透性有關(guān)，需依據(jù)不同地層條件進行取值變化。

（4）通過分析盾構(gòu)推力對地表沉降的影響可知，盾構(gòu)推力受復合地層和埋深突變的影響不大，但沉降突變點亦發(fā)生在推力變化較大處，因此減小推力變化幅度，保持盾構(gòu)的平穩(wěn)推進可以減小對土層的突然擾動可以減小地表沉降突變。

（5）刀盤扭矩和掘進速度的設(shè)定與地層條件存在一定相關(guān)性，根據(jù)不同的硬巖比設(shè)定合理的掘進參數(shù)有助于控制地表沉降，同時應避免參數(shù)突變。

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