盾构施工穿越钱塘江大堤沉降控制分析

吴军君，张开伟

(浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江 杭州310016)

0 前言

越江隧道因不制约航运、不受气象条件影响、抗震性能好、战略意义高等优越性，近些年来在越江工程中普遍应用[1]。盾构法是越江隧道主要的施工方法之一，经过近200 a的应用和发展，盾构施工技术已日益成熟。但隧道盾构在掘进施工过程中，周围土体将受到扰动作用，应力、应变状态发生变化。国内外许多学者对盾构施工及其对地表建（构）筑物产生的影响进行了不同程度的分析研究[2]。

徐方京等[3-5]通过不同方法研究了盾构施工引起的土体扰动、地层移动，以及地表沉降等变形规律。O’Reilly和Loganathan[6-7]通过对各种地质条件下开挖隧道时产生的地面沉降测试值的统计，研究分析了地表沉降槽宽度系数的经验计算公式。

防洪大堤是整个防洪体系的重要组成部分，其抗洪能力直接关乎堤防保护范围内人民生命财产安全[8]。因此，盾构机穿越钱塘江大堤时，如何有效的控制地表沉降十分关键。本文通过对西气东输二线管道上海支干线过江隧道施工监测数据的研究分析，总结了盾构施工穿越钱塘江大堤控制地表沉降的相关措施。

1 工程概况

1.1 工程设计概述

西气东输二线管道上海支干线钱塘江穿越工程位于钱塘江河口段，北接嘉兴海宁市，南连杭州市萧山区江东经济技术开发区，穿越长度3148 m，采用泥水平衡盾构隧道穿越方案，盾构管片内径为3.08 m，隧道中心埋设高程为-14.49 m，隧道穿越钱塘江北岸土层为淤泥质粉质粘土。盾构穿越段为海宁段鱼鳞石塘，大部分建于雍正、乾隆年间，塘身条石风化严重，条石间的粘结物基本脱落，抗变形能力差。该项穿越始建于清朝的古海塘为史上第一次，穿越施工难度较大。隧道穿越段海塘结构详见图1所示。

1.2 场地地质概况

管道穿越区域地层分布情况分述如下：第①层塘身填土、第②1层粉质粘土、第②2层粘土、第③1层粘土、③2层淤泥质粉质粘土夹粉土、第④1层粉质粘土、第④2层粉土夹粉质粘土、第⑤1层粉土夹粉质粘土、第⑤2层粉质粘土，具体物理力学性质指标详见表1所列。

该工程顶进管道主要位于③2层淤泥质粉质粘土及③3层淤泥质粘土层中。

1.3 测试点布置

盾构施工前，于护塘地区域隧道两侧钻孔埋设土压力盒和孔隙水压力计，观测盾构机推进过程中地基土体扰动程度和隧道施工完成后土体固结程度；沿隧道轴线且与隧道轴线位于同一高程处埋设2个土压力盒，观测盾构机推进过程中的土体水平应力变化幅度；在堤身布设5个沉降观测断面，分别为内坡脚(断面1)、堤顶路面内侧(断面2)、挡浪墙顶(断面 3)、外海平台(断面 4)和鱼鳞石塘顶(断面 5)。测试点平面布置见图2～图5所示。

表1 场地土层的物理力学性质指标一览表

2 观测数据分析

北岸始发井与内坡脚的距离为316m，2010年7月11日下午6∶30盾构机头到达大堤内坡脚位置。以钱塘江北岸大堤内坡脚作为零点，内坡方向为负，外海方向为正，盾构机头与大堤内坡脚的距离作为相应的数值盾构机掘进进度曲线，详见图6所示。

2.1 应力观测数据分析

经过盾构机头达到前5m,以及盾尾通过后50m的连续观测，将应力测试值绘制成与测点距离曲线，分析地基土体中孔隙水压力和土压力的变化特征。测试结果见图7～图10所示。

如图7和图8所示：图中的4位数字符为仪器编号，图中的孔隙水压力值计算方法为：将盾构施工影响前的静水压力设为零，图中曲线的变化量为完全由盾构施工影响产生。盾构机头达到测试点前6 m左右，孔隙水压力开始变大，机头通过后10 m左右达到峰值，机头通过10.5 m时，4859#（4935#破坏）孔隙水压力达到548.3 kPa。从距离关系可以看出：盾尾位于试验断面时，受注浆影响，孔隙水压力急剧增加，盾尾通过后一段时间，孔隙水压力开始慢慢减小。盾尾通过后40 m左右，受连续降雨地下水位抬高影响，孔隙水压力又开始增加。之后，盾构施工对试验区域地基土体不产生影响，超孔隙水压力逐渐消散。从仪器埋设高程与隧道轴线高程关系角度分析，隧道轴线高程处的地基土体受盾构注浆施工影响，产生的超孔隙水压力最大，轴线高程之下土体产生的超孔隙水压力逐渐减小，至轴线下6 m处土体产生的超孔隙水压力峰值也只有63 kPa。

土压力盒埋设位置和深度与前述孔隙水压力一致，除5659#埋设深度为19 m。图9中土压力盒为垂直埋设，受力面平行于隧道轴线，观测盾构机推进过程中地基土体侧压力的变化规律，图10中土压力盒为水平埋设，观测盾构机推进过程中土体总压力的变化规律。如图9和图10所示：土压力变化规律与孔隙水压力变化规律基本一致。盾构机头达到前6 m左右，土压力开始变大，机头通过后10 m左右达到峰值。机头通过10.5 m时，4880#土压力达到553.2 kPa。机头通过9.2 m时，4932#土体侧压力增加278.5 kPa。根据仪器埋设深度以及隧道轴线高程关系可知：靠近隧道轴线的土压力变化量较大，峰值超过500 kPa，23 m和25 m处的土压力变化量较小。4880#的应力峰值近似为4932#的两陪，这与仪器的埋设方法和观测目的有关，前者是土体侧压力观测，而后者是土体总压力观测。

盾构机推进过程中，于护塘地隧道轴线高程处埋设2个压力盒，观测盾构机推进时机头正面平衡压力的变化。测试结果见图11所示。

图11为隧道轴线位置受盾构施工影响土体应力变化曲线，从图11可以看出：在盾构机头离测试点接近10 m时，土体应力开始变化，随盾构机头逐渐靠近，土体应力慢慢增加，在机头距测试点1～2 m时，土体应力达到峰值，分别为24.2 kPa和24.8 kPa，之后逐渐减小直至机头到达，测试仪器破坏。曲线变化过程中出现波浪型，主要是受盾构施工影响，盾构机掘进过程中测试的土体应力要比衬切片组装时测试的应力大。

2.2 堤表沉降观测数据分析

对隧道开挖引起地表沉降的计算，目前工程实践中普遍采用的是Peck[9]提出的地表沉降的横向分布正态估算公式。图12为该工程钱塘江大堤地表5个特征断面的实测横向分布曲线。

如图12沉降分布曲线所示：地表测试点累计沉降量较小，累计沉降最大值为20.4 mm。累计沉降量从遂道轴线向两侧逐渐减小，基本呈正态分布。鱼鳞石塘顶沉降量相对较小，与有效的沉降控制措施有关。5个沉降观测断面中，堤顶路面内侧的沉降槽最陡。根据沉降分布曲线，受盾构机掘进施工影响，隧道轴线两侧20 m范围内的测试点累计沉降量相对较大。

对于沉降量随时间的分布规律，本文选取内坡脚、堤顶路面内侧和挡浪墙位于隧道轴线上方3个测点，进行累计沉降量分析，测试结果见图13所示。

如图13所示：DS23测点的累计沉降量最大，累计沉降值为20.4 mm，DS09和DS37的累计沉降值分别为17.5和17.8 mm。盾尾通过堤身后，此3个测点的累计沉降量分别为1.6 mm、2.1 mm和1.8 mm，即工后沉降分别为15.8 mm、18.3 mm和16.0 mm，工后沉降占总沉降量的百分比分别为90.7、89.8和89.6。根据地质资料，钱塘江北岸土层粘土含量高，受盾构机掘进施工扰动影响，固结沉降历时较长，工后沉降所占比例大。

3 结论

本文通过对盾构施工过程中试验段土体应力和钱塘大堤地表沉降试验数据的分析研究得出如下结论：

（1）盾构施工穿越重要建筑物前需设计试验段，使各项参数调整到最佳值，穿越时保持盾构良好的掘进状态，尽可能地减少盾构施工对大堤的扰动，从而有效地控制地表沉降。

（2）盾构机穿越试验段下覆地层前后，通过应力观测成果显示：盾构机头达到测试点前，土体正面压力最大值为24.8 kPa，孔隙水压力最大值为0.54 MPa，观测值与设计值较为接近。同时结合地表沉降观测数据分析，认为机头平衡压力24 kPa左右和盾尾注浆压力0.5 MPa穿越钱塘江北岸大堤比较合适，对地基土体扰动较小，同时又能达到控制地表沉降的目的。在盾构机头掘进过程中，土体受到的水平应力慢慢增加，在机头距压力盒1～2 m时，土体水平应力达到峰值，之后逐渐减小直至机头到达，测试仪器被破坏。盾构机掘进过程中土体受到的水平应力要比管片组装时土体受到的水平应力大。

（3）实测横向沉降分布曲线基本呈正态分布，符合Peck正态估算公式。钱塘江北岸嘉兴段大堤地基土体粘粒含量较高，施工扰动引起的地表工后沉降历时较长，所占比例大，需有效的控制盾构施工扰动，减少施工期沉降，将盾构穿越破坏大堤的风险降至最低。

[1]杨红禹,周建民.论我国越江隧道的发展[J].地下空间,20(3)∶209-213.

[2]毛建东,王拥文,王梓烨.某盾构施工钱塘江大堤监测成果分析[J].水利建设与管理,2011,(5).

[3]徐方京,侯学渊.盾尾间隙引起地层移动的机理及注浆方法分析[J].地下工程与隧道,1994,20∶12-16.

[4]王敏强,陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J].岩石力学与工程学报,2002,21(2)∶228-232.

[5]易宏伟,孙钧.盾构施工对软粘土的扰动机理分析[J].同济大学学报.1999,28(6)∶277-281.

[6]O’Reilly M P,New B M.Settlements above tunnels in the United Kingdom-theirmagnitude and prediction [A].Proceedings,Tunneling’82[C].London∶Institution of Mining and Metallurgy.[s.1.]∶[s.n.].1982.137-181.

[7]Loganathan N,Poulos H G.Analytical prediction for tunnelinginduced ground movement in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998,124(9)∶846-856.

[8]张忠苗,林存刚,吴世民,刘冠水,王承山,谢文斌.过江盾构隧道穿越大堤的地层沉降分析与控制[J].岩土工程技术,33(6)∶977-984.

[9]R.B.Peck.Deep excavations and tunneling in soft ground[A].Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexico City∶State of the Art Report,1969.225-290.