软黏土中盾构掘进地层变形与掘进参数关系

李忠超,陈仁朋,孟凡衍,叶俊能

（1.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州310058；2.浙江大学岩土工程研究所,浙江杭州310058；3.宁波市轨道交通工程建设指挥部,浙江宁波315012）

软黏土中盾构掘进地层变形与掘进参数关系

李忠超1,2,陈仁朋1,2,孟凡衍1,2,叶俊能3

（1.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州310058；2.浙江大学岩土工程研究所,浙江杭州310058；3.宁波市轨道交通工程建设指挥部,浙江宁波315012）

宁波地铁某区间单线隧道穿越地层主要为淤泥质黏土层,上覆地层主要为砂质粉土和淤泥质土.针对2类典型的上覆地层中土压平衡盾构施工,获取了相应的地表沉降监测数据,研究地表沉降与盾构施工过程的相互关系.采用经典高斯经验公式对盾构掘进引起的地表横向沉降曲线和纵向沉降发展曲线进行拟合,得到各监测断面沉降槽宽度ix及沉降槽宽度系数K.采用平移累积高斯沉降曲线对纵向沉降发展曲线进行拟合,获得盾构掘进引起的沿线地层损失率.研究盾构掘进参数取值对地层损失率的影响.结果表明,盾构推力、开挖面支护压力以及盾尾注浆率对地层损失率的影响显著.给出类似地层中各项盾构掘进参数的参考范围.

土压平衡盾构隧道；软黏土地层；地表沉降；地层损失率；掘进参数

中国东部沿海城市的深厚软土层广泛分布,盾构施工工法是软土地层中地铁隧道建设的主要工法.盾构隧道施工不可避免地会引起地表变形,地表变形过大可能导致地表建筑物变形超限,造成财产或人员损失.因此,准确预测盾构隧道施工引起的地表变形和影响范围,避让变形敏感的重要建筑物,对盾构隧道环境影响评估和线路设计有重要意义.

在盾构隧道施工过程中,变形实测统计分析是研究地表变形发展规律和影响范围的重要手段.根据对大量隧道开挖引起的地表沉降数据的统计研究,Peck［1］认为隧道开挖引起的垂直于隧道轴线方向（横向）地表沉降曲线分布可以用高斯曲线方程拟合表示,Attewell等［2］基于Peck理论提出地表纵向沉降曲线应符合累积高斯概率曲线.此后,大量学者采用高斯曲线和累积高斯概率曲线来拟合分析不同地层中隧道开挖引起地表横向沉降曲线和纵向沉降曲线,研究不同类型地层中横向沉降槽宽度ix、沉降槽宽度系数K以及地层损失率VL,并应用于相应地层中隧道开挖引起的地层变形及影响范围预测［3-9］.魏纲［10］统计得到南京、上海、杭州等地黏性土地层中VL＝0.35%～2.02%,提出一种盾构隧道施工引起的地层变形预测方法［11］.郭玉海等［12-15］从细观上研究了北京、杭州等地区典型地层中盾构隧道引起的地层变形及孔隙水压力变化规律,对盾构掘进参数与地表沉降、地层损失率之间宏观关系的研究较少.由于地层条件的区域性差异,各地区盾构隧道施工引起的地表沉降槽参数和沉降变形发展规律存在较大差异.因此,对特定地层中盾构隧道施工引起的地表沉降变形规律以及盾构掘进参数与地层损失率之间的相关关系进行研究,能够更好地预测后续盾构隧道施工地表变形及影响范围.

本文对宁波轨道交通2号线桃渡路-鼓楼区间隧道右线（上行线）单线盾构隧道施工引起的地表沉降进行实测研究,采用经典理论公式对地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线进行拟合分析,获得宁波软土地层中盾构隧道地表沉降槽参数和地层损失率.研究盾构掘进参数与地层损失率之间的相关关系,给出盾构掘进参数的建议值.

1 工程概况

1.1 盾构隧道施工概况及工程地质条件

宁波轨道交通2号线桃渡路站-鼓楼站区间沿大庆南路、解放北路行进,并穿越余姚江.桃-鼓区间双线隧道均采用土压平衡盾构法施工,本文研究的盾构隧道为区间右线（上行线）,右线隧道长1 174.9 m（979环）,区间隧道纵坡为V行坡,最大坡度为26‰,最小平曲线半径为350 m.隧道轴线埋深为12.3～22.5 m.桃渡路站-鼓楼站区间盾构隧道右线从桃渡路站于2012年3月21日始发,于2012年9月17日到达鼓楼站,历时180 d,平均每天掘进6.5 m；左线（下行线）于2012年5月1日始发,于2012年12月7日到达鼓楼站,历时221 d,平均每天掘进5.3 m.盾构机为海瑞克土压平衡盾构,盾构外径D＝6.39 m,主机全长8.515 m,刀盘开口率为45%.隧道衬砌为预制钢筋混凝土管片,管片厚0.35 m,长1.2 m,外径为6.2 m,内径为5.5 m,采用通用双面楔型环错缝拼装.

图1 桃渡路-鼓楼区间隧道右线沿线地质剖面图Fig.1 Ground conditions and tunnel depth along right tunnel alignment

桃渡路-鼓楼区间右线隧道沿线埋深及沿线地层分布如图1所示.由图1可知,盾构隧道初始220环内隧道上覆地层主要为②-1a层砂质粉土,后750环隧道上覆地层转变为②-2b层淤泥质黏土和②-2c层淤泥质粉质黏土.盾构隧道开挖面地层主要为②层、③层和④层等软黏土地层.区间隧道内地基各层土体物理力学性质包括土体天然密度ρ、天然含水量w、孔隙比e0及十字板不排水抗剪强度su沿埋深的变化如图2所示［16］.②-1a层砂质粉土粉粒质量分数为83%,黏粒质量分数为11.8%,渗透系数为2×10－4～3×10－4cm／s,标准贯入值N＝4～9.区间内黏性土层渗透系数为0.13×10－6～2.6× 10－6cm／s,黏质粉土渗透系数为4.6×10－4～5.8× 10－4cm／s.

图2 宁波软黏土的主要物理力学特性指标Fig.2 Main parameters of soils of Ningbo strata

1.2 地表沉降监测布置

桃渡路-鼓楼区间隧道的地表沉降监测设置中,如图3所示.每20～30环布置一个横向沉降槽监测断面（S_3表示监测断面布置在3环处）,测点布置在轴线两侧20～30 m范围内.沿隧道轴线方向每5环设置一个沉降监测点.监测频率为1次／12 h.图3给出了盾构隧道部分沉降监测断面及隧道轴线地表沉降监测点,盾构隧道沿线其他部分的沉降监测布置类似于图3的监测布置.

图3 隧道初始部分地表沉降监测布置Fig.3 Plan view of settlement monitoring program of initial portion of route

2 地表变形实测结果分析

2.1 地表横向沉降槽及地层损失率

根据Peck等［1］的研究可知,盾构隧道施工引起的地表沉降可以采用高斯曲线方程拟合,如下所示：

式中：Sv,max为隧道轴线上方地表最大沉降；x为离隧道轴线水平距离；ix为隧道轴线距沉降曲线拐点距离,根据O'Reilly等［3］的研究,ix＝Kz0,其中z0为隧道轴线埋深.由式（1）的积分可得,单位长度内沉降槽体积为Vs＝ixSv,max,则有VL＝Vs／At＝3.192ixSv,max／D2,其中At为单位长度内隧道体积,D为隧道直径.

基于Peck理论,Attewell等［2］提出隧道轴线上方地表纵向沉降曲线可以采用累积高斯概率曲线拟合,如下所示：

式中：iy为纵向沉降槽拐点到开挖面的距离；Φ（y／iy）为累积概率密度函数,

采用式（1）对各监测断面横向沉降槽分布曲线进行拟合分析,得到盾构隧道初始220环和后750环中的典型横向沉降槽及相应的拟合高斯曲线分别如图4（a）、（b）所示.图4（a）中各测点沉降均与拟合高斯沉降曲线非常吻合,图4（b）中盾构推进方向右侧实测沉降曲线与高斯曲线吻合较好,但左侧测点沉降与高斯曲线稍有偏差.距盾构隧道轴线20～25 m处地表沉降为0～5 mm,表明盾构隧道轴线20～25 m之外地层受盾构隧道施工的影响较小.盾构施工影响范围基本为轴线两侧20～25 m内,即3.2～4.0D,最大沉降发生在隧道轴线处.

从上覆地层主要为砂质粉土的前220环和淤泥质黏土-淤泥质粉质黏土的后750环中分别选择10个和11个监测断面得到的横向沉降槽进行拟合分析,得到各监测断面K及ix,如图5所示.由图5可知,对于上覆地层主要为厚层砂质粉土的前220环盾构隧道,地表沉降槽宽度系数K＝0.30～0.40, ix＝3.78～5.44 m,而后750环盾构隧道上覆地层主要为淤泥质黏土-淤泥质粉质黏土,沉降槽宽度相对较大,K＝0.4～0.55,ix＝5.69～10.1 m.

图6给出隧道沿线各监测断面盾构隧道施工引起的VL.除前文提到的21个监测断面外,对于前220环和后750环盾构隧道,地层损失率分别取K＝0.35和K＝0.5计算得到.图6表明,盾构隧道前220环地层损失率远大于后750环,前220环地层损失率VL＝0.60%～1.90%,平均地层损失率为1.15%；后750环地层损失率VL＝0.22%～1.22%,平均地层损失率为0.52%,均与魏纲［10］统计的国内黏土地层中盾构隧道地层损失率为VL＝0.2%～2.0%的结论吻合.区间隧道总体平均地层损失率＝0.71%.

图4 典型监测断面沉降槽与高斯曲线拟合分析Fig.4 Interpretation of measured typical settlement trough by Gaussian curve

图5 隧道沿线沉降槽宽度系数K及沉降槽宽度i xFig.5 Settlement trough indexes K and i x along tunnel alignment

2.2 地表纵向沉降发展曲线

盾构隧道轴线地表沉降Sv随归一化开挖面距监测断面距离y／D的变化发展曲线如图7所示.由图7可知,盾构推进会引起盾构开挖面前方2D～3D内地表有轻微沉降,而开挖面前方0～2.0D内表现出轻微的隆起,竖向变形为－3～＋3 mm.随着盾构通过监测断面,监测断面沉降迅速发展,大部分测点在盾构通过监测断面4D～6D后基本稳定.

图6 隧道沿线地层损失率V LFig.6 V L along tunnel alignment

对盾构隧道引起的地表轴线沉降进行归一化处理,得到盾构隧道初始220环和后750环典型测点的归一化纵向累积沉降Sv／Sv,max随y／D的变化发展曲线及相应的累积高斯概率曲线如图8（a）、（b）所示.盾构隧道初始220环轴线平均埋深z0＝14.2 m,取K＝0.35,有ix＝4.97 m,取iy＝2ix；后750环盾构隧道平均轴线埋深z0＝17.8 m,取K＝0.5,有ix＝8.9 m,取iy＝ix.

图7 隧道轴线地表沉降发展曲线Fig.7 Settlement measured at ground surface above tunnel axis

由图8可知,隧道前220环,盾构开挖面通过监测断面时地表轴线沉降Sv,f与Sv,max比Sv,f／Sv,max＝0.15～0.42,后750环Sv,f／Sv,max＝0.15～0.38,这与式（3）中的Sv,f／Sv,max＝0.5存在一定差异.Attewell等［3,6,17］的研究均表明,盾尾间隙是造成地表沉降的主要原因,因此盾构开挖面正上方的地表沉降远小于0.5Sv,max；Fuente等［18］认为Sv,f／Sv,max＝0.20～0.30,与本文的分析结果相近.鉴于此,采用平移累积高斯曲线方程来拟合分析地表纵向沉降发展曲线更加合理.图8表明,初始220环盾构隧道地表轴线沉降发展曲线基本分布在图8（a）给出的iy＝2ix＝9.94 m高斯累积沉降曲线和平移iy后高斯累积沉降曲线之间,而后750环盾构隧道地表轴线沉降曲线基本分布在图8（b）给出的iy＝ix＝8.9 m和平移iy后的累积高斯沉降曲线之间.

图8 归一化隧道轴线地表沉降曲线Fig.8 Normalized longitudinal settlement trough above tunnel axis

3 盾构施工参数对地层损失率的影响

盾构施工参数总推力N、扭矩T、掘进速度v、注浆率δ以及土压舱支护压力ps是影响地层变形的重要参数,各参数沿隧道里程L的变化分别如图9所示.图中,土压舱支护压力以归一化土压舱支护压力ps／σv（σv为隧道轴线埋深处土体竖向总应力）表示.此外,图9给出隧道沿线地表最大沉降以作对比.由图9可知,区间隧道内盾构扭矩T＝ 1 000～4 000 k N·m,平均扭矩为1 812 k N·m,盾构掘进至L＝800～1 000 m时盾构扭矩相对较大,主要是由于开挖面大部分土层为⑤层粉质黏土,土体相对较坚硬,切削扭矩及刀盘与围岩摩阻力较大.盾构总推力N＝6 000～16 000 k N,平均推力为11 300 k N；ps／σv＝0.4～1.3,平均值为0.935,δ＝130%～270%,平均注浆率为202%.区间内v＝10～60 mm／min,平均值为34.2 mm／min.区间内盾构隧道所处地层均为软黏土地层,而盾构隧道前220环地表最大沉降平均值为30.2 mm,远大于后750环的9.4 mm,这与盾构掘进参数的控制密切相关.

图9 隧道沿线盾构掘进施工参数与地表最大沉降Fig.9 Excavation parameters recorded during tunnel advancement and maximum settlements

图9表明,在盾构隧道初始段,N、δ和ps均较大.N和ps能够为开挖面提供足够的支护力,减小开挖面地层损失,高注浆率可以提供足够的浆液填充盾尾间隙,然而在初始段内发生了较大的地表沉降和地层损失,随着N、δ和ps逐步调整至相对较低的水平,地表沉降和VL减小.这一现象表明,在盾构施工过程中,并非开挖面支护力越大、δ越高,越有利于减小地表沉降和地层损失率.鉴于此,研究掘进参数与地层损失率之间的相关关系对确定施工参数控制原则和控制范围非常重要.

盾构推力N主要由刀盘面板阻力、刀盘开口阻力、及盾壳四周摩阻力组成.Krause［19］收集并分析了大量的盾构载荷数据,得到盾构总推力经验公式N＝βD2,其中β为盾构总推力经验系数,D为盾构直径.为了研究桃-鼓区间内盾构推力对前方土体的挤压效应对地层损失率的影响,本文将β＝N／D2无量纲化,定义总推力指数Γ＝N／（D2·σh）,表征盾构总推力与开挖面侧向水土压力的相对大小,其中σh为侧向水土压力.图10研究了Γ与VL之间的相关关系.由图10可知,桃-鼓区间隧道内均有Γ＞1,且VL随Γ的增大基本呈线性增长,近似拟合线性相关方程为VL＝1.67Γ－2.当Γ＝1.0～1.8时, VL基本小于＝0.71%；当Γ＞1.8时,VL偏大,基本都超过.

王洪新［20］提出盾构掘进中刀盘面板对围岩有明显的挤土效应,是盾构施工扰动地层的重要因素,开挖面土体力学特性、盾构掘进速度和刀盘开口率等都影响挤土效应.刀盘面板正面的接触压力应为p0＋Δp0,其中p0为土层的初始侧向土压力,Δp0为面板挤土附加应力,

式中：μ、Eu分别为总应力条件下土体泊松比、弹性模量,v为盾构推进速度,k为刀盘分块数,ω为刀盘转速,D为盾构隧道直径,ξ为刀盘开口率.

利用式（1）计算得到盾构通过各监测断面时的Δp0,得到VL随Δp0的变化趋势如图11所示.由图11可知,地层损失率对刀盘挤土附加应力的变化非常敏感,随着Δp0的逐步增大,地层损失率呈先减小后增大的趋势,发展形态近似呈抛物线型.当15 kPa≤Δp0≤40 kPa时,地层损失率相对较小,基本分布在＝0.71%之下；当Δp0＜15 k Pa或Δp0＞40 k Pa时,VL基本都超过了＝0.71%.

图10 V L与Γ的相关关系Fig.10 Relationship between V L andΓ

图11 V L随刀盘面板挤土附加应力Δp 0的变化趋势Fig.11 Observed trend between V L and additional stressΔp 0 due to compaction effect of cutter head

图12分析了VL与ps／σv之间的相关关系和变化趋势.由图12可知,当ps／σv＝0.8～1.0时,VL基本小于L＝0.71%,而当ps／σv＞1.0时,VL的分布区间较大,并有较多区段VL＞0.71%,这表明盾构施工过程中,尽管需要保证ps足够大以减小开挖面地层损失,但过大的ps同样会引起较大的地表沉降和地层变形.因此,设置合理的ps是控制地表沉降的重要手段,而对宁波类似软黏土地层中ps／σv＝0.8～1.0较合理.

图13表明,VL随v的变化分布相对离散.可知,当v＜30 mm／min时,VL基本小于L；当v＞30 mm／min时,VL相对更大,分布更离散,且较多区段VL＞0.71%.这可能是由于当v较大时,Δp0相应较大,土压舱支护压力控制更加困难,导致v较大时VL较大,而在宁波类似地层中,控制v＝15～30 mm／min是较合理的.

图12 V L随归一化支护压力p s/σv的变化趋势Fig.12 Observed trend V L and normalized face support pressure p s／σv

图14研究了VL随δ的变化趋势.当δ一定时, VL变化范围较大,这表明其他因素也影响地层损失率.可以看出,当δ≥150%时,随着δ的增大,各级δ下的平均VL呈线性增大；当δ＝200%～220%时,地层损失率分布相对集中,大部分为0～1.0%.这表明在软黏土地层中,并非δ越大越能达到减小地层损失的目的,δ过大反而导致较大的地层损失率.

图13 V L随掘进速度v变化趋势Fig.13 Observed trend between V L and TBM penetration rate

图14 V L随δ的变化趋势Fig.14 Relationship between V L and grouting volume ratioδ

综合图10～14可见,N、v、Δp0、ps／σv以及δ对VL的影响非常明显,过大或过小均将导致较大的地层损失,因此各参数必须严格控制在合理范围内.Δp0综合反映了盾构面板对开挖面前方土体的挤压效应,地层损失率对该参数的变化最敏感.控制Δp0在合理范围内,可以对开挖面前方地层起到较好的支撑作用,一定程度上弥补由刀具切削引起的应力释放,从而减少开挖面的地层损失.Δp0过小,则不足以弥补刀具切削引起的应力释放,使得开挖面地层损失较大；Δp0过大,将强烈扰动围岩,弱化围岩性质.两者均将造成较大的地层沉降变形和地层损失.此外,虽然较大的N、ps／σv能够为开挖面提供足够支护力,较高的盾尾注浆率能够提供足够的浆液来填充盾尾间隙,但这均将加剧盾构隧道施工对周围地层的扰动,最终导致VL较大.盾构隧道施工过程中,控制掘进参数在合理范围之内对控制地层变形和地层损失率至关重要,本文研究成果表明,对于类似本文中的宁波典型软黏土地层,控制N以实现Γ＝1.0～1.8,Δp0＝15～40 kPa,ps／σv＝0.8～1.0,δ＝ 200%～220%,v＝15～30 mm／min是较合理的.

4 结 论

（1）隧道上覆土层对地表沉降槽形态的影响显著,当上覆土层为厚层砂质粉土时,地表沉降槽宽度系数ix＝3.78～5.44 m,K＝0.3～0.4,纵向沉降曲线基本分布于iy＝2ix及平移iy后的累积高斯沉降曲线之间.当上覆土层为软黏土地层时,K＝0.45～0.55,ix＝5.69～10.1 m,纵向沉降曲线基本位于iy＝ix及平移iy后的累积高斯沉降曲线之间.地表横向沉降槽的影响范围为隧道轴线两侧3.2D～4.0D内,纵向沉降发展的影响范围为开挖面前3D至开挖面后4D～6D.

（2）盾构掘进参数对地表最大沉降及地层损失率的影响显著.在盾构隧道掘进过程中,采用较大的N、ps和δ的区段地层损失率相对较大,VL＝0.60%～1.90%,平均VL＝1.15%；当N、ps和δ逐步调整至相对较低水平时,VL降至较低水平,VL＝0.22%～1.22%,平均VL＝0.52%.

（3）本文提出表征盾构总推力与开挖面总水土压力相对大小的总推力指数Γ,分析面板挤土效应对地层损失率的影响.桃-鼓区间隧道内均有Γ＞1,且VL随Γ基本呈线性增长.VL随Δp0的增加变化显著,呈先减小、后增大的趋势,相关曲线近似呈抛物线.

（4）盾构隧道施工参数应严格控制在合理的上限与下限内,建议对宁波类似的软黏土地层中盾构隧道施工,应控制N使得Γ＝1.0～1.8,Δp0＝15～40 k Pa,ps／σv＝0.8～1.0,δ＝220%～200%,v＝15～30 mm／min,可以较好地控制盾构施工对周围地层的扰动,减小地表沉降和地层损失.

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Tunnel boring machine tunneling-induced ground settlements in soft clay and influence of excavation parameters

LI Zhong-chao1,2,CHEN Ren-peng1,2,MENG Fan-yan1,2,YE Jun-neng3
（1.MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China；
2.Department of Civil Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China；3.Ningbo Urban Rail Transit Project Construction Headquarters,Ningbo 315012,China）

Measurements of ground settlements induced by the construction of a single tunnel mainly in soft clay of Ningbo Metro Line were presented.The soils above tunnel were mainly sandy silt and mucky clay, and the tunnel was constructed using earth pressure balanced（EPB）tunnel boring machine.Ground settlements due to shield tunneling were back-analyzed using the classical Gaussian empirical predictions, both in the transverse and longitudinal directions.Thus the transverse settlement trough parameters ixand K were obtained.Translated Gaussian cumulative curves were proposed to better match the evolution of settlements during tunnel advancement.The ground volume loss along the alignment was obtained,and the influence of excavation parameters on the volume loss was investigated.Results indicate that the total thrust force of the shield,normalized face-support pressure and backfilling grouting ratio can markedly influence the ground volume loss.Suggested ranges of different excavation parameters were presented.

earth pressure balanced shield tunneling；soft clay；ground settlement；ground volume loss；excavation parameter

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.010

TU 47

A

1008- 973X（2015）07- 1268- 08

2014- 07- 15. 浙江大学学报(工学版)网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

国家自然科学基金资助项目（51225804,U1234204）；浙江省重大科技专项重点资助项目（2011C13043）.

李忠超（1987—）,男,博士生,从事软土中盾构隧道和深基坑工程等对周围环境影响的研究.E-mail：10912014＠zju.edu.cn

陈仁朋,男,教授.E-mail：chenrp＠zju.edu.cn