海域围堰孤石地层超大直径泥水盾构掘进变形规律分析——以汕头海湾隧道盾构段为例

李先进， 张文新， 陈海军

(1. 广州市南沙区建设中心, 广东 广州 511458； 2. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司, 广东 广州 511458；3. 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室， 广东 广州 511458)

0 引言

随着城市的快速发展，为确保城市轨道交通和市政工程中隧道及周边环境的安全，盾构法施工应用日益广泛。盾构隧道施工会破坏原状地层，打破原有的应力平衡，引起隧道周围土体变形，其变形大小则对新建隧道和周边建(构) 筑物的安全影响至关重要[1-3]。为此，隧道与地下工程技术科研人员在隧道施工中不断总结不同盾构类型、不同地层中的变形规律，为施工提供指导。文献[4]分析了软土地层中小净距盾构隧道施工的地表沉降规律。文献[5-6]通过数值模拟与现场监测相结合的方法，分析地铁盾构隧道施工引起的地表沉降变形规律。文献[7-10]分析了砂卵石地层盾构施工引起的地表变形过程和分布规律。文献[11]采用有限元数值模拟，分析了盾构施工触发隧道周围土体位移变化规律。文献[12]分析了圆砾地层双线地铁隧道分别采用泥水和土压平衡盾构施工时的地层沉降变形规律。文献[13]分析了大直径土压平衡盾构施工诱发的地层横向和纵向变形规律。文献[14]采用室内试验与计算模拟相结合的方法，分析了全黏土地层泥水盾构施工开挖面失稳原因,提出了开挖面稳定性控制措施。文献[15]分析了粉细砂地层盾构施工引起的地表沉降规律。

以上研究主要从理论和实际出发，针对软土地层、砂卵石地层、黏土地层等盾构施工引起的地表沉降规律进行分析，但对于海域围堰内上软下硬地层盾构施工对地层的挤压应力、深层土体位移和地表沉降变化规律的综合分析鲜见报道。本文结合汕头海湾隧道海域围堰内加固区和回填区盾构掘进施工，在加固区采用密钻孔和回填区采用钻孔爆破孤石、基岩的处理方式，分析盾构掘进引起的地层变形规律，以期为类似工程积累经验。

1 工程概况

汕头海湾隧道位于海湾大桥与礐石大桥之间，工程全长6 680 m，隧道长5 300 m，其中盾构段为东线3 047.5 m、西线3 045.7 m的双线隧道，于南岸围堰内始发井始发，依次掘进通过加固区、回填区、围堰堤、抛石区、苏埃湾、北岸大堤，至华侨公园内接收。加固区和回填区平面如图1所示。隧道内径为13.3 m，外径为14.5 m；隧道管片环宽2 m、厚600 mm，为通用双面楔形环，楔形量为48 mm，分10块采用“7+2+1”模式错缝拼装。

图1 加固区和回填区平面图(单位： m)

海域围堰内加固区和回填区地层主要包含②1淤泥土、②3淤泥混砂、②4粉细砂、②5中粗砂、③1粉质黏土、⑤1砂质黏性土、⑥1全风化花岗岩、⑥2强风化花岗岩。施工区域存在较厚的②1淤泥层，地层上软下硬差异大。上部淤泥地层具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、流塑性强的特点，易变形失稳； 中部砂层富水，易发生涌水、涌砂； 下部强风化、中风化岩层岩石强度高，潜在大量孤石和基岩，分布不规则，孤石强度为80～100 MPa，基岩强度为100～140 MPa，掘进控制要求高。地层分类评价见表1。

表1 地层分类评价表[16]

南岸地下水与地表水呈互补关系。地下水划分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水及块状岩类裂隙水。区内地下水的补给主要为大气降水和垂直渗入补给。

2 加固区和回填区孤石处理

2.1 加固区孤石处理

根据加固区孤石钻孔补勘，确定了东线隧道范围存在3块孤石，西线隧道范围存在4块孤石和1处基岩突起。孤石主要为中—微风化花岗岩，最大饱和抗压强度为110 MPa。加固区已完成三轴搅拌桩施工，孤石上部四周介质为搅拌桩加固土体，下部的中粗砂、强风化花岗岩采用压密注浆进行加固，周边土体稳定性较好，对孤石有较强的握裹力。

为保证加固体地层的完整性，采用密布钻孔破碎孤石的方式处理。密布孔采用φ150 mm潜孔钻机钻孔，250 mm×250 mm梅花型布置，孔底至开挖轮廓线下1 m，钻孔深度为23～27 m。密布钻孔破碎处理施工步骤为： 测量放线—潜孔钻机定位—钻孔至设计标高—验孔—钻机移位—水泥砂浆回填。密钻孔后的孤石如图2所示。

图2 密钻孔后的孤石

2.2 回填区孤石处理

回填区按隧道中心线方向横纵3 m×3 m(由南向北30 m)和5 m×5 m(由南向北116 m)进行孤石孔位探测，钻孔深度为隧道轮廓线下1 m。对发现基岩、孤石的钻孔向周边按1 m×1 m加密钻孔，以锁定孤石分布区域，摸清孤石边界，钻孔兼做爆破孔。

通过钻孔发现孤石43处，孤石最大粒径约为5.3 m×5 m、最小粒径约为1.1 m ×1 m； 基岩主要分布6个爆破区，最大跨度为19 m，侵入隧道范围最高为6.87 m。回填区孤石和基岩采用爆破处理。由于要求破碎的块度较小，根据类似工程经验，初期爆破炸药单耗q=1.99×(1+50%)≈3.0 kg/m3，经试爆及抽芯检验，爆破效果不佳； 将单耗量提升至3.6 kg/m3后，取芯长度在2～18 cm，满足要求。爆破后芯样如图3所示。

图3 爆破后芯样图

3 加固区和回填区盾构掘进参数变化分析

盾构掘进参数的变化是引起地层变形的主要原因，尤其以泥水舱顶部压力、掘进速度、刀盘转速和总挤压力为主要因素。

3.1 泥水舱顶部压力

盾构始发后，先进入加固区。加固区中孤石在密钻孔后，其强度虽然降低，但孤石整体性相对较好，受刀具冲击碾压碰撞破碎后排出，对刀具的破坏性较大，导致掘进中多次停机检查刀具，使得泥水舱顶部压力变化波动大，尤其是在1环时，泥浆抽排后，人工常压进舱检修刀具,泥水舱房内外相通，泥水舱顶部压力降至0。地层通过加固，泥水舱顶部压力降低对地层的稳定性影响很小。进入回填区，孤石爆破后破碎程度高，对掘进的影响较小，随着掘进的连续进行，泥水舱顶部压力变化较小，基本维持在134 kPa左右。掘进过程中，地面出现一定程度的漏气或漏浆，影响地层的沉降。泥水舱顶部压力变化曲线如图4所示。

图4 泥水舱顶部压力变化曲线图

3.2 掘进速度

盾构始发掘进加固区时，处于掘进参数试验调整阶段。初期掘进速度较快，超过8 mm/min，刀具损坏频率较高； 通过逐步降低掘进速度，到加固区后半段及回填区，掘进速度都维持在4 mm/min左右。掘进速度的快慢直接影响其对地层的挤压作用，进而影响地层应力变化和深层位移变化。掘进速度变化曲线如图5所示。

图5 掘进速度变化曲线图

3.3 刀盘转速

初期刀盘转速较快，达到 0.85 r/min； 结合刀具转速与刀具破坏情况，刀盘转速逐步稳定在0.55 r/min左右。刀盘转速的快慢对地层的挤压作用不同，进而影响地层深层位移变化的幅度。刀盘转速变化曲线如图6所示。

图6 刀盘转速变化曲线图

3.4 总挤压力

盾构始发掘进后，由于加固体中孤石的完整性较好，造成刀具损坏较多，需要多次停机检查更换，泥浆抽排又重新注入，泥水舱掘进挤压力变化频繁，且幅度较大。进入回填区，孤石爆破后，地层均匀性得以改善，随着盾构连续掘进，泥水舱挤压力变化相对平稳。挤压力的变化直接影响地层应力、深层土体位移的变化。总挤压力变化曲线如图7所示。

4 盾构掘进地层变形与土体压力分析

4.1 测点设置

在加固区和回填区各设置1组断面，监测盾构掘进中的地层变化。测点采取钻孔埋设，埋设完成后进行封孔。地表沉降测点埋设于隧道顶部地面，间距5 m布置； 土压力测点分别位于隧道边线、拱腰、拱顶处，共9个测点； 深层土体位移布置在隧道开挖范围外两侧1 m位置。地层变形测点布置如图8所示。

图7 总挤压力变化曲线图

(a) 平面布置图

4.2 地层变形情况

4.2.1 地表沉降

1)加固区地表沉降。从洞门破除开始至盾构通过，累计最大沉降变形为-7.1 mm； 盾构掘进期间最大下沉速度为-1.4 mm/d，在监测过程中部分测点出现上升，单次上升幅度为1.0 mm左右，总体变化较小。加固区盾构掘进中，由于刀具损坏造成多次停机检查更换，虽然泥水舱顶部压力和总挤压力变化幅度大，但地面沉降变形很稳定，说明加固后地层稳定性好，达到了加固效果，盾构掘进的参数变化对盾构顶部地层沉降影响较小。加固区地表沉降历时曲线如图9所示。

图9 加固区地表沉降历时曲线图(2018年)

2)回填区沉降。回填区地表在盾构掘进期间出现阶段性沉降，符合盾构掘进地层的沉降变形规律，即掘进通过后地表持续沉降，累计达到27 mm。由于回填区经过对孤石和基岩钻孔爆破，对地层扰动大，虽经过注浆加固，但无法恢复地层的完整性。回填区掘进中，盾构掘进参数变化较小，相对稳定，但盾构掘进过程中地面出现冒浆和漏气，使得地层损失加大，进而地层沉降较大。回填区地表沉降历时曲线如图10所示。

图10 回填区地表沉降历时曲线图(2018年)

3)由图9和图10可知： ①二者沉降规律表现不同，加固区沉降变化幅度在3 mm以内，基本处于稳定； 回填区沉降变化符合盾构推进过程中沉降阶段变化规律。②二者的沉降量不同，由于地层条件不同，回填区沉降是加固区沉降的3.86倍。

4.2.2 土压力

盾构施工土压力监测点位于盾构隧道周边轮廓线1 mm范围外，防止盾构掘进中损坏。

1)加固区盾构掘进靠近过程中，盾构挤压力对地层土体的作用传递到监测元器件，测试土压力增大； 盾构停机检查过程中，由于泥浆排出，作用于地层的挤压力下降甚至消失，测试土压力逐步减小； 盾构再次掘进过程中，受挤压作用，地层受力先增大后减小； 盾尾脱出后受同步注浆影响，地层受力出现峰值，后逐步减小至稳定。加固区内隧道两侧土压力大于隧道顶部土压力，边墙最大土压力位于25 m处，最大土压力测值为0.17 MPa。加固区土压力变化曲线如图11所示。

图11 加固区土压力变化曲线图(2018年)

2)回填区盾构施工土体压力监测点布置与加固区相同。回填区孤石和基岩钻孔爆破后对地层扰动大，回填注浆难以恢复到原地层状态，使得回填区地层挤压受力损失大，导致土体压力值明显小于加固区，且总体数值较小。回填区测点土压力在盾构掘进通过前开始增大； 刀盘通过后测点土压力有一定减小； 脱出盾尾后受同步注浆影响，测点土压力再次增大并出现峰值； 在浆液凝固和地层逐步稳定后，土压力逐步变小并趋于稳定。回填区隧道两侧土压力大于隧道顶部土压力； 隧道两侧最大土压力位于距地面15 m深的测点处，为42.69 kPa； 隧道顶部土压力很小。回填区土压力变化曲线如图12所示。

图12 回填区土压力变化曲线图(2018年)

3)综合加固区和回填区土压力曲线变化，盾构掘进中对土压力的影响规律可分为4个阶段： ①缓慢增长阶段，刀盘到监测点前20 m，土压力上升； ②快速增长阶段，盾构刀盘距监测点10 m至盾体通过后，土体受扰动严重，土压力大幅度上升； ③波动阶段，盾尾通过断面1监测点4 m，受同步注浆影响，土压力有一定波动，其峰值也出现在此阶段； ④逐步消散阶段，盾尾脱离断面，同步注浆完成后，土压力逐步回落并趋于稳定。

由图11和图12可知： 1)二者的曲线规律表现不同。加固区土压力与泥水舱顶部压力和总挤压力同步变化明显，并在盾尾脱出后持续减小；回填区随着盾构连续掘进，土压力曲线在盾构刀盘距测点20 m处开始增大，并在刀盘脱出同步注浆时达到峰值，随着刀盘的远离，土压力逐步下降并趋于稳定。2)二者测试最大土压力值和深度不同。加固区地层稳固，盾构掘进时，在挤压力作用下地层位移变形小，应力损失小，土压力测试值在距地面25 m受力最大，为回填区的3.95倍； 而回填区地层受孤石爆破扰动破坏，以及回填注浆效果有限，使得下部地层加固效果差，盾构掘进中地层变形较大，受力损失较大，土压力测试值在距地面15 m受力最大，且远小于回填区。

4.2.3 盾构隧道两侧土体水平位移

盾构施工土体水平位移监测点位于盾构隧道两侧1 mm处位置，以防止被盾构掘进损坏，以及泥水舱泥浆击穿地层沿监测孔冒浆。

1)加固区由于地层稳定，盾构掘进速度慢，掘进时间长，压力设置较低，盾构掘进两侧土体的变形不明显。以刀盘距测点断面-5、0、5、15 m统计，盾构隧道掘进过程中加固区变化较小，累计最大位移位于距地面21 m处，为-5.23 mm，土体变化范围集中在隧道直径范围内。加固区土体位移变化曲线如图13所示。

(a) 加固区隧道左边线土体位移

2)回填区地层孤石和基岩爆破对地层扰动大，使地层的稳定性变差，地层受盾构掘进挤压土体影响变化明显，土体位移变形数值较加固区明显偏大。掘进中以刀盘距测点断面-5、0、5、15 m及盾尾脱出15 m统计，累计最大变形位于距地面25.5 m处，为-17.65 mm，土体位移变化集中在盾构隧道底部上下5 mm。盾构刀盘掘进过测点8 m前，受盾构挤压作用，土体位移向远离盾构侧变形； 在盾构刀盘通过测点8 m以后，测点向靠近盾构侧变形；盾构刀盘通过测点15 m和盾尾脱出15 m后2阶段，受泥水压力减小、地层收缩和同步注浆浆液固结的影响，测点向隧道内侧变化明显并趋于稳定，说明回填区盾构掘进对两侧土体的挤压作用明显。回填区土体位移变化曲线如图14所示。

(a) 回填区隧道左边线土体位移

3)由图13和图14可知： ①二者土体深层位移变形规律基本相同，为土体位移向隧道外侧明显变化(盾构刀盘靠近测点至刀盘通过监测点8 m)—土体位移向隧道内侧缓慢变化(盾构继续推进至盾尾通过监测点)—土体位移向隧道内侧变化至稳定(盾尾脱出监测点至同步注浆凝固)。第1阶段变化为盾构掘进挤压隧道周边土体导致，第2阶段开挖泥水压力的影响逐渐减弱，第3阶段为盾尾地层收缩和同步注浆作用导致。②二者土体深层位移变形值不同，由于加固区地层比回填区地层稳定，所以回填区地层位移为加固区地层位移的3.37倍。

5 结论与讨论

通过对海域围堰内孤石基岩采取密钻孔和爆破的不同处理方式，总结分析盾构掘进的地层变形规律，得出以下结论：

1)孤石和基岩处理中，加固区密钻孔方式处理孤石，降低了孤石整体强度，保证了加固区地层的整体性； 回填区采用爆破方式处理孤石和基岩，提高了其破碎程度，利于盾构掘进顺畅。

2)加固区因地层整体性好，掘进中地面出现略微上浮和沉降，土体深层位移受盾构挤压作用变化幅度小，地表沉降和地层位移变化总体较小。

3)回填区因孤石基岩爆破对原状地层扰动，地表沉降变形符合盾构掘进过程沉降规律变化，其沉降是加固区的3.86倍； 土体深层位移受盾构挤压作用明显，表现出先远离后靠近隧道并最终稳定，其地层位移为加固区的3.37倍。

4)土体压力随盾构隧道掘进靠近监测断面而逐步增大，停机降压或远离监测断面后减小，在盾尾脱出同步注浆出现峰值，随着地层收缩和浆液凝固减小并趋于稳定。由于两者孤石处理方式不同，使加固区地层最大土压力为回填区的3.95倍，且测点位置也不同(加固区在隧道开挖面底部位置，回填区在隧道开挖面上部位置)。

5)土体压力测点是采用钻孔埋设，土压力实际监测值小于理论计算值，在后续施工中应进一步加强测点埋设的稳固性和对恢复地层原始性的研究； 同时，在上软下硬地层中盾构掘进的前方应进一步加强对地层纵向位移和孔隙水压力的变化研究，使盾构掘进地层变化规律分析更加全面。