盾构隧道施工对强透水砂卵石地层扰动规律研究

封炎 李洋溢 秦鲜卓

作者简介：

封 炎（1990—），助理工程师，主要从事隧道工程勘察设计工作。

文章以下穿黄河某盾构隧道区间为研究背景，结合现场实际施工情况，揭示了强透水砂卵石地层力学特性及失稳机理，同时根据现场监控量测数据，深入分析了强透水砂卵石地层受盾构施工荷载扰动后的地层沉降规律，并提出了相应的安全控制措施。研究结果表明：下穿黄河段典型断面地表横向沉降值分布呈现明显的离散性，与Peck经验公式预测模型拟合度较低;通过对盾构掘进参数进行合理优化，适当提高盾构推力设定值，严格控制盾构掘进姿态和切口泥水压力波动范围，可有效控制地表沉降变形。

强透水砂卵石地层;盾构隧道;失稳机理;地层沉降

U455.43A431514

0 引言

盾构法具有安全高效、经济环保、自动化程度高、对周边环境影响小等优点，与城市地下空间发展的安全环保理念相契合，目前在城市地下轨道交通建设中的应用非常广泛。然而，在城市地区修建地下轨道交通时，通常会面临地层条件复杂、水文地质状况多变、建（构）筑物及城市地下管线分布密集等复杂环境，盾构法施工虽有诸多优点，却不可避免地会对周围环境造成不良影响，严重时会引发地表塌陷等事故。

砂卵石地层为典型的力学不稳定地层，离散性较强。在盾构施工荷载作用下，地层的初始平衡状态很容易被破坏，开挖面前方部分土体容易发生松动，然后逐渐对开挖面上部土体的稳定性产生影响，从而引起地层损失和地表沉降。近年来，关于盾构隧道施工对砂卵石地层扰动规律问题的研究，开始受到国内学者的大量关注。王振飞等[1]选择北京地下直径线为依托工程，通过分析现场实测数据，得出砂卵石地层盾构隧道施工引起的地层沉降变形规律;范祚文等[2]利用室内模型试验，分析北京砂卵石地层不同影响因素作用下的地表沉降规律，揭示土拱效应、开挖面极限支护压力及地表沉降的关系;程韬等[3]结合成都地铁6号线某隧道区间砂卵石地层条件，采用三维数值模拟手段，分析施工中发生滞后沉降的原因，并提出相应的控制措施;徐前卫等[4]以北京地铁8号线某区间为研究对象，分析砂卵石地层条件下盾构施工参数与地层变形的影响关系。

目前国内研究背景主要以北京、成都等地区的砂卵石地层为主，而关于黄河阶地特有的强透水砂卵石地层研究还较少。本文以下穿黄河某盾构隧道区间为研究背景，深入分析强透水砂卵石地层受盾构施工荷载扰动后的失稳变形机制以及地层沉降规律，并提出相应的安全控制措施。

1 工程概况

1.1 工程背景

某盾构隧道设计为双线隧道，采用泥水平衡盾构工法施工。隧道左右线间的间距设计为6.8 m。左线起讫里程设计为ZK13+150～ZK15+057，全长1 907 m;右线起讫里程为YK13+150～YK15+057，全长1 907 m。线路总体呈V字型，线路纵坡坡度设计为2.8%。盾构隧道在银滩大桥上游附近下穿黄河底部，下穿黄河段长度为404.0 m，隧道顶部距黄河河床底板约为18～24 m。

1.2 工程地质条件

隧道区间地层由上而下主要为第四系全新统杂填土层（Q4ml）、第四系全新统中砂层（Q4al）和卵石层（Q4al），再往下为第四系下更新统卵石层（Q1al）。盾构隧道主要穿越下更新统卵石层，该地层结构力学特点较为复杂，地下水极为丰富。根据现场的勘报告结果，统计各土层的物理力学参数，如表1所示。

该盾构隧道区间砂卵石地层的主要结构特点总结如下：

（1）卵石含量高。该层卵石含量在55%～70%的范围，呈中密状态;卵石的形状大多为椭圆状，级配不良，磨圆度比较好;卵石形成土体颗粒的骨架，卵石颗粒间的填充物主要有中砂与粗砂等，以薄层或透镜状砂层分布，局部呈弱钙质胶结，分布不规律且离散性较强。

（2）卵石粒径大。隧道区间砂卵石地层的卵石粒径大多分布在5～10 cm范围内，部分卵石的粒径可达10～20 cm。漂石位置分布具有随机性，粒径多数>20 cm，分层不明显。根据钻孔资料与周边开挖基坑资料表明，漂石最大粒径可达50 cm，漂石的含量不均匀。

（3）卵石强度高。根据现场工程地质试验资料，卵石的天然单轴抗压强度为47 ～110 MPa，饱和单轴抗压强度为36～80 MPa。

（4）地下水丰富，渗透系数大。本区间地下水补给资源丰富，地下水变化情况主要受季节的影响。含水层厚度最大可达316.77 m，地层渗透系数大，砂卵石地层的渗透系数可达55～60 m/d，属强透水地层。

2 强透水砂卵石地层力学特性及失稳机理分析

黄河阶地砂卵石地层中以卵石构成主要的骨架，卵石颗粒主要以点与点的形式进行接触与传力，表现出明显的离散性和不稳定性。砂卵石地层在外界荷载的扰动下，易失去原来的稳定平衡状态。与黏土地层相比，砂卵石土粘聚力不高，几乎不能承受拉应力。当开挖面土体出现失稳破坏现象时，开挖面土体颗粒会发生相应的流动现象，失稳破坏形态为剪切破坏。

再加上隧道区间穿黄段地下水丰富，地下水压高，砂卵石层中细颗粒会随着水的渗透力而流失，卵石骨架从紧密结构变成松散结构，松散单粒结构不稳定，此时卵石颗粒间的咬合作用将变弱，土体力学性质降低，更容易引起开挖面失稳现象。

开挖面的失稳又會使前方部分土体发生松动，卵石颗粒表现出流动现象，进而对开挖面上部土体的稳定性产生影响，加大上部土体的松动范围（如图1所示）。随着开挖面上方土体颗粒的松动塌落，上方土体部分土拱效应会被破坏，导致开挖面上方出现地层空洞现象。在地下水位变化和季节降雨等因素的影响下，地层空洞顶部处的松散砂卵石不断脱落，使得开挖面上部地层空洞逐渐往上发展，最终影响发展至地表面，从而引起地面塌陷等事故。

3 盾构施工引起的土体扰动规律研究

3.1 地层变形监测布置方案

盾构隧道区间地表沉降监测点布置方案如图2所示，每10～20环设置1个横向沉降槽监测断面，表示为DB-01、DB-02等以此类推。每个横向断面监测点布置6～11个监测点不等，每两个横向沉降槽布置断面之间加设2～3个纵向布置点，布置在隧道轴线正上方地表位置，表示为DB-01+、DB-02+等以此类推。根据各个断面地表处的实际情况，现场测点布置会有微调。

3.2 地层横向沉降规律

Peck经验公式[5]是目前用以预测盾构施工引起地层沉降规律的经典理论。Peck认为在不排水的情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为正态分布曲线，又称高斯分布曲线，即Peck经验公式法。Peck经验公式法对应的地层沉降位移预测模型如图3所示。

本文选取下穿黄河段典型断面DB-34、DB-36和下穿黄河后典型断面DB-45、DB-48的现场监测数据来进行研究，分析强透水砂卵石地层泥水盾构施工地层横向沉降变形规律。地层横向沉降分布规律曲线如图4～5所示。

现场监测数据揭示：下穿黄河段典型断面地表横向沉降值分布呈现出明显的离散性，与Peck经验公式预测模型拟合度较低，地表沉降值最大为-12.23 mm，沉降值多分布在5～12 mm范围内。盾构隧道下穿黄河后的典型断面地表横向沉降值分布与Peck经验公式预测模型拟合较好，地表沉降值最大为-7.54 mm，沉降值多分布在2～8 mm范围内。下穿黄河段典型断面地表沉降值比下穿黄河后典型断面的地表沉降值大。

结合现场施工情况和地层条件，分析沉降规律原因：（1）下穿黄河段地下水压大、地下水丰富，砂卵石层中细颗粒会随着水的渗透力而流失，卵石骨架从紧密结构变成松散结构，卵石颗粒表现出流动现象，导致地表横向沉降值分布不规律，呈现出明显的离散性;（2）下穿黄河段水文地质条件更为复杂，地层渗透系数大，且通过卵石层孔隙潜水与黄河水互通，施工过程中面临着诸多不确定的施工技术风险，盾构施工参数控制困难，各种因素导致下穿黄河段地表沉降值相对较大;（3）施工前期经验不足，没有很好地控制盾构掘进参数，泥浆浆液参数指标偏弱，使得地表沉降值相对较大，而后期通过对盾构掘进参数进行合理优化，适当提高盾构推力设定值，严格控制盾构掘进姿态和切口泥水压力波动范围，有效控制了地表沉降变形。

3.3 地表沉降历时规律

相比于横向地表沉降主要反映为空间上的特点，纵向地表沉降则主要反映为时间的特点。以隧道轴线上方对应的地表监测点为例，地层沉降变化规律随着盾构的掘进主要经历四个阶段[6]：盾构到达前的先期变形、盾构通过地表下方引起的沉降、盾尾脱离管片间隙引起的沉降以及后期土体固结沉降。地表沉降历时规律曲线如图6所示。

对下穿黄河段典型断面DB-32的地表沉降值随时间变化历时规律进行研究（地表沉降值为隧道轴线上方的监测点数据），如图7所示。盾构刀盘到达监测断面4～8 d内，地表沉降值变化速率很大，累计沉降值达-5.45 mm，随后地表沉降值变化速率放缓，地表沉降值缓慢增加，最后趋于平稳态势。

结合现场施工情况和地层条件，分析沉降规律原因：（1）强透水砂卵石地层力学性质不稳定，盾构到达前期对地层产生扰动，引起开挖面土体及上方土体出现松动，导致前期沉降变化速率较大;（2）盾构通过后不久，经过盾尾同步注浆和上方土体形成土拱效应等因素，使得地表沉降变形率开始变缓;（3）盾构通过后期地表沉降仍存在变化，说明砂卵石地层沉降具有滞后性的特征，当前期上方土体形成的土拱效应被破坏后，地层沉降会继续发生缓慢变化。

4 结语

本文以某盾构隧道区间为研究背景，深入分析黄河阶地强透水砂卵石地层受盾构施工荷载扰动后的失稳变形机制以及地层沉降规律，并提出相应的安全控制措施。研究结果表明：

（1）黄河阶地砂卵石地层表现出明显的离散性和不稳定性，且隧址区地下水丰富，地下水压高，砂卵石层中细颗粒会随着水的渗透力而流失，此时卵石颗粒间的咬合作用将变弱，开挖面极易发生失稳现象。开挖面的失稳会引起前方部分土体发生松动，卵石颗粒表现出流动现象，对开挖面上部土体的稳定性产生影响，进而产生地层损失。

（2）下穿黄河段典型断面地表横向沉降值分布呈现较明显的离散性，与Peck经验公式预测模型拟合度较低，地表沉降值最大为-12.23 mm，沉降值多分布在5～12 mm范围内。下穿黄河段水文地质条件更为复杂，盾构施工参数控制困难，导致下穿黄河段地表沉降值相对较大。

（3）盾构隧道下穿黄河后的典型断面地表横向沉降值分布与Peck经验公式预测模型拟合较好，地表沉降值最大为-7.54 mm，沉降值多分布在2～8 mm范圍内。通过对盾构掘进参数进行合理优化，适当提高盾构推力设定值，严格控制盾构掘进姿态和切口泥水压力波动范围，可有效控制地表沉降变形。

（4）盾构隧道下穿黄河砂卵石地层历时沉降规律经历三个阶段：①盾构到达前期对地层产生较大扰动，导致前期地层沉降变化速率较大;②盾构通过后不久，经过盾尾同步注浆和上方土体形成土拱效应等因素，地表沉降变形率开始变缓;③由于砂卵石地层沉降具有滞后性，后期地层沉降会继续发生缓慢变化。

[1]王振飞，张成平，王剑晨.富水砂卵石地层泥水盾构施工地层变形规律[J].铁道工程学报，2013（9）：78-83.

[2]范祚文，张子新.砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（12）：2 506-2 512.

[3]程 韬，郭洋洋，有智慧.大粒径富水卵石地层盾构下穿既有线技术措施[J].地下空间与工程学报，2020，16（S1）：224-231.

[4]徐前卫，贺 翔，龚振宇，等.砂卵石地层盾构微扰动施工及掘进控制研究[J].铁道工程学报，2020，37（9）：72-77.

[5]韩 煊，李 宁，J.R.Standing.Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J].岩土力学，2007（1）：23-28.

[6]袁大军，尹 凡，王华伟，等.超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（10）：2 074-2 080.