盾构法隧道施工地层变形管控分析

葛存源，席培胜，2，穆 琳，胡彩云

(1. 安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601; 2. 安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心，安徽 合肥 230601)

随着城市快速发展和现代化进程加快，交通运输业发展迅速，地铁由于污染小、容量大、空间利用率高等优点成为公众首选[1]。张治国[2]使用通过Laplace并结合复变函数的相关理论，阐明了开挖时四周土体变形的机理。年吴昌胜[3]研究了大直径盾构施工过程中造成的地层变形，阐述在采用大直径盾构隧道施工时所造成地层变形的规律。叶飞[4]研究了同步注浆对周围土体产生的影响，导出了引起地表变形的计算公式，并分析出了同步注浆过程中造成地表变形的一系列影响因素。

本文以合肥地铁1号线为背景，深入分析合肥地铁沿线工程地质特征，以及合肥地铁盾构施工引起地层变形的影响因素、作用机理及一般分布规律；用岩土数值模拟软Midas-Gts系统分析合肥地铁沿线盾构施工引起地层变形影响因素敏感性程度大小，并在此基础上提出应对措施。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

合肥市轨道交通1号线三期工程在1号线北段，线路北从新站区天水路站开始向南进行建设施工，在北二环路转向东，然后与一期工程起点合肥火车站连接。如图1所示。

图1 工程线路

1.2 地质条件

合肥地铁轨道1号线所经过地区内岩体主要为碎屑岩建造，沿线基岩埋深总体为北浅南深。地层自上而下表述如下。

1) 人工填土层：褐黄色，稍密，层厚1.5～4.0 m。

2) 第四系全新世冲洪积层：褐黄色，层厚1.2～5.9 m，压缩模量4.83～21.29 MPa，平均18.5 MPa，天然快剪建议值c=14 kPa，φ=13°。

3) 第四系晚更新世冲洪积层：①黏土②层：褐黄色，硬塑，压缩模量14.54～25.5 MPa，天然快剪建议值c=20 kPa，φ=15°；②粉质黏土层：褐黄色，硬塑，压缩模量19.1～38.39 MPa，平均29 MPa，天然快剪建议值：c=31 kPa，φ=21°，层厚13.7～31.1 m。

4) 白垩系基岩，全风化泥质砂岩层：棕红色，岩体破碎，属极软岩，岩芯基本质量等级为Ⅴ级。

2 地层变形数值分析

2.1 基本假设

为了使得盾构开挖施工过程更加合理，进行以下假定：

1) 假设土是各向同性的弹塑性体，土体采用摩尔-库仑本构模型；

2) 忽略地下水的影响，同时不考虑时间作用；

3) 考虑岩土体的自重影响。

2.2 模型中所用地层和材料参数

天水路站至合肥火车站区间内盾构隧道穿越的土层主要为黏土②层，自上而下分别为杂填土、黏土①、黏土②、粉质黏土、全风化。地层和材料参数分别见表1～2。

表1 模型计算所用的地层参数

表2 模型中所用的材料参数

2.3 模型计算边界及网格划分

设计模拟对象为瑶海公园站至合肥站盾构隧道，根据工程地质条件以及隧道的隐藏深度和环境等一系列因素，建立的计算模型中岩土尺寸为45 m×30 m×30 m；x轴方向为隧道界面的水平方向，隧道的长度为30 m；z轴负向为重力方向，岩土厚度为30 m，y轴正方向为盾构隧道方向，每级长度为1.5 m。模型网格划分见图2。

图2 计算模型

2.4 结果分析

通过有限元Midas-Gts对瑶海公园站—合肥火车站区间盾构施工进行数值模拟[5]，第5步地层位移云图如图3。

图3 开挖第5步地层位移云图(单位：m)

盾构隧道开挖时，隧道四周土体的位移呈现出动态变化的特点，土体沉降深度的增加将导致土体位移的增加。变形与土体和衬砌结构之间的距离呈现出反比的关系。选取3个不同的施工断面将数值模拟竖向深度沉降曲线与peck经验拟合沉降曲线进行了对比分析，如图4所示。

由图4可知：断面地表沉降结果符合Peak沉降曲线的特征，当y=15 m时中心点的最大沉降量为12.36 mm；隧道竖向位移最大值发生在中心位置。模拟结果与经验拟合沉降存在偏差，但在整体变形上保持一致，说明数值模拟结果是可行的，能够较好地预测地表沉降。由于模拟状态相对较理想化，未考虑地层的变化，实际沉降值会有一定误差，但总体的地层变化趋势可以反映实际工程问题。

(a) 开挖第1步

(b) 开挖第5步

(c) 开挖第10步图4 不同断面竖向深度与peck经验拟合沉降 曲线对比

3 地层变形对策管控

在盾构隧道掘进施工的过程中，由于出土量、掘进速度以及土仓压力等的不同，对施工过程中地层的变形也会产生很大的影响。通过对盾构法隧道施工沉降影响的分析，本文从同步注浆、土仓压力、推进速度和出渣量方面对盾构法引起的地层变形进行控制。

3.1 同步注浆

在盾构施工中，注浆压力是控制浆液流动的重要因素，所以在注浆时一定要保证注浆压力适当[6]。当注浆压力不够时，会造成空隙无法被完全填充，从而造成地表沉降量增加；当注浆压力过大时，会使四周土体产生扰动，从而造成隧道本身和地层产生位移，且易发生跑浆。在此区间中，注浆压力为0.3～0.4 MPa。

注浆量是导致地表沉降的重要因素，因此可以通过合理地控制注浆量来实现对地表沉降的控制。一般情况下，注浆量的多少用填充率来表达，填充率是指注浆的体积与建筑空隙体积的比值。只有当浆液体积与建筑空隙相等时，才可以视为注浆量恰好可以填充满空隙；但注浆时容易出现跑浆、超挖以及凝固时发生体积收缩，因此在实际工程施工中，填充率都会按照大于100%进行施工。当同步注浆完成后如果空隙没有被很好地填充，或者浆液硬化后有较大的收缩时，仍然需要进行二次注浆。在天水路站至合肥站盾构区间浆液固结收缩率小于5%，填充率为理论填充率的2倍左右。

由于在实际工程施工中存在浆液渗透、跑浆漏浆等一系列现象，所以会根据工程的实际施工过程来调整注浆量，实际注浆量往往会大于理论注浆量。根据本区间内的工程地质条件，通常情况下，实际注浆量一般为理论注浆的1.3～1.8倍，并且需要结合实际工程中的地表沉降监测反馈信息来对注浆量进行合理的调整。实际注浆量为

Q=λ×V，

式中：λ为注浆率(一般取1.3～1.8)；V为盾尾建筑空隙体积；D为刀盘直径；d为管片外径；L为每环管片宽度(1.5 m)。

则V=π×(39.69-36)÷4×1.5=1.38 m3，计算得注浆量为Q=1.7～2.5 m3/环。

3.2 土仓压力

土压平衡盾构机土仓压力P值与静水压力地层土压力之和应为相对稳定，设静水压力之和为P0[7]，有

P=k×P0，

P0=γ×h，

式中：k为土的侧向静止土压力系数(通常情况下取1.0～1.3)：γ为土体的平均重度；h为刀盘中心距离地表的高度。

当盾构机整机全部进入土体时，开始设立土仓压力，由计算结果可知，土仓压力设定为：0.12 MPa；在盾构机掘进的过程中，压力设定为0.14～0.20 MPa。在实际工程施工中，可以通过即时调节进土量与出土量，来平衡土仓内的进土量与出土量，从而使得土仓压力保持稳定[8]。

3.3 推进速度

推进力的选定和掘进速度[9]的选择以保持土仓压力为目的，使盾构掌子面在侧向压力的作用下掌子面地层不会发生塌陷。盾构始发时速度应保持低速、匀速掘进，一般选择在15～25 mm/min区间内，正常段掘进速度一般保持在45～75 mm/min区间内[10]。出土量影响着地表隆沉情况，所以控制出土量也可以达到使隧道上方土体保持稳定的目的。

3.4 出渣量

海瑞克S217盾构机掘进每一环理论出土量为

式中：V′为每环开挖量；D′为盾尾外径。

则

V′=π/4×D′2×L=3.14/4×39.69×1.5=46.37 m3.

盾构机实际出土量保持在97%～103%区间内，实际工程中1环出土量为44.91～47.69 m3；如果工程中出现1环的出土量小于44.91 m3的现象，那么下一步掘进则需要合理降低土压，还需要对地表起伏进行观测；如果工程中出现1环实际出土量大于 47.69 m3的现象，那么则应该马上停止出渣，然后关闭螺旋机，并且还需要注意监控地表的沉降情况，当地表沉降量达到预警值时，则需要给土仓压力加压，来减少地表的沉降量。

4 结论

1) 通过不同断面数值模拟沉降曲线随着开挖面积的推进，该场地的沉降速率将逐渐降低，最终趋于稳定。

2) 通过数值模拟位移云图和不同断面数值模拟沉降曲线得出，盾构施工时在没有到达影响区时地表沉降的变化十分小，但当开挖场地通过盾构时，沉降值会突然发生变化。一段时间过后趋于稳定。

3) 通过数值模拟位移云图得出，完成盾构隧道开挖后，隧道四周土体向内有变形趋势，土体产生变形，且变形向四周扩散，变形会逐步向上传递至地表，从而导致隧道正上方地表沉降。

4) 根据合肥轨道交通1号线三期工程地质情况和现场施工条件，建议了控制地表沉降的同步注浆量、土仓压力、推进速度和出渣量4种参数的设定规律。