上软下硬地层浅埋盾构施工引起地表沉降及施工风险研究

张贺，温永凯

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010）

0 引言

随着城市人口不断增加，对市政基础设施承载能力的要求越来越高，越来越多的大直径给排水设施被列入城市基础建设清单。其中，盾构法以其安全性、对城市交通影响较小、工程周期短等优势被广泛用于大直径城市地下隧道建设工程中。然而，盾构施工扰动引起地层损失会导致地面出现不同程度的地表沉降，在不同的地质条件下会产生不同的施工风险。已有众多学者针对软土地层、砂卵石地层、黄土地层等地质条件下非浅埋隧道盾构施工引起的地表沉降及施工风险规律进行了研究，并得出单一地质条件下的经验规律[1-8]。但目前针对浅埋盾构施工穿越上软下硬地层引起的地表沉降及施工风险规律研究仍然较少。武汉市某市政排水隧道盾构施工段沿现状市政道路规划，盾构施工段局部穿越突变地层，地层表现为上软下硬，分析该地质情况下盾构施工引起的地表沉降规律有利于施工风险的控制，相关经验对类似工程施工也具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

某工程盾构隧道沿现状市政道路修建，采用土压平衡盾构法施工。盾构隧道内径4250mm，管片厚度250mm，隧道衬砌强度等级为C50，抗渗等级P12。其中，K3+410-K3 +510 里程段盾构施工穿越突变地层，掘进方向上地层由土层逐渐变化为岩层，该段管顶覆土约为6.0m，为浅埋隧道。该段盾构由大里程向小里程方向掘进，地层变化表现为由粉质黏土、黏土向砾岩、泥质粉砂岩层变化。

2 有限元模型建立

图1 盾构模型

通过三维有限元软件MIDAS GTS NX 结合实际地层构建分析模型，本次模型建立拟采用本次勘察查明实际地层，横向上假设地层水平分布。为减小边界效应影响，模型左右距隧道边界距离大于3D，模型底边界距隧道底部大于3D。模型边界条件：模型表面为自由表面，模型侧面及底面施加法向约束。

岩土材料采用摩尔-库伦模型，盾壳及混凝土管片刚度较大，采用弹性模型。盾壳厚度0.05m，管片厚度0.25m，均采用壳单元模拟。掘进压力70kPa，注浆压力0.25MPa，注浆层通过改变属性功能来实现。每次开挖步距为标准节管片长度。各岩土材料参数见表1、表2。

表1 岩土材料参数表

表2 盾构掘进参数表

3 地表沉降特征分析

为重点分析地层性质差异引起地表沉降规律的不同，在地表布置四个监测断面JC1、JC2、JC3、JC4，以隧道轴线为X 轴建立坐标系，以隧道掘进方向为正向。JC1、JC2、JC3 三个横向监测断面监测点以X 轴为中心向两侧均匀布置，间距约2m，每个横向监测断面布置17 个监测点。JC4 监测断面共布置8 个监测点，如图2 所示。

图2 监测断面平面布置图

3.1 隧道纵向地表沉降

通过分析可知，各监测断面地表沉降具有相似的分布规律（图3），沉降最大点位于隧道轴线正上方，沉降呈高斯分布。各监测断面最大沉降量有较大差异，非岩石段沉降大于过渡段及岩石段，地表呈现显著的不均匀沉降。根据沉降监测计算各横断面沉降槽宽度i，由表3 可知，浅埋盾构施工引起的地表沉降槽宽度i非岩石段>i过渡段>i岩石段，表明浅埋盾构施工对非岩石段造成的地层扰动范围大于岩石段。

图3 JC1-3监测断面各监测点地表沉降规律

表3 沉降槽宽度统计表

由数值模拟结果可知，盾构施工引起地层损失，进而产生地表沉降。由图4 可知，JC4 监测断面非岩石段盾构施工引起的地表沉降最大值在13～15mm 之间，岩石段浅埋盾构施工引起的地表沉降最大值在3～4mm 之间。当盾构穿越过渡段地层时，地层上软下硬，随着掌子面岩层比例逐渐增加，地表沉降最大值随之减小，当掌子面完全进入岩层时，地表沉降最大值趋于稳定。

图4 JC4监测断面各监测点地表沉降规律

3.2 隧道管片竖向位移分析

将监测断面JC4 沿Z 轴负方向投影至盾构管片上，以此作为管片竖向位移监测点，提取相应数据进行分析。由图5a 可以看出，非岩石段、过渡段、岩石段隧道管片竖向位移具有明显的位移差，非岩石段竖向位移较大。由图5b 位移曲线可知，非岩石段隧道管片竖向位移量大于过渡段及岩石段。随着掌子面岩层占比的增大，过渡段盾构管片竖向位移逐渐减小，当掌子面岩层占比增大到约50%时，随着岩层比例增加，管片竖向位移趋于稳定。

图5 盾构管片竖向位移

由图6 可知，随着掘进过程中掌子面岩层比例不断增大，管片顶部监测点与相应地表监测点沉降差逐渐减小，当掌子面完全进入岩层中时，沉降差趋于零，并保持稳定，表明盾构穿越上软下硬地层产生的地层损失及地层扰动主要表现在较软地层中，因此较软地层的处理是沉降控制的关键。

图6 隧道及地表监测点竖向位移曲线

4 施工风险及应对措施

浅埋盾构施工穿越上软下硬不均匀地层时往往会产生诸多问题，主要表现在两方面：一是地表和管片发生不均匀沉降；二是盾构机姿态不稳定。

4.1 管片及地表沉降风险控制

由第三节对地表沉降及隧道管片竖向位移分析可知，浅埋盾构隧道穿越上软下硬地层引起的地表沉降差异较大，极易引起地表构筑物的不均匀沉降。盾构管片在穿越软硬不均地层时，管片竖向位移表现出明显的差异。不均匀沉降导致管片应力集中，容易引起管线开裂、局部破损及错台等问题，降低隧道整体强度及防水功能，在地震等地质灾害工况加持下，极大增加了隧道破坏的风险。由于盾构施工扰动在较软地层中表现较为明显，因此，针对该类地层，可通过软弱地层改良加固减小盾构施工产生的地层扰动。目前地层改良的方式主要有两种，一是地面提前加固，在盾构掘进前进行注浆或旋喷桩等措施加固处理；二是洞内加固，采取注浆的方式在隧道内注浆加固，以减小管片的不均匀沉降[9-10]。

4.2 盾构姿态控制

盾构施工穿越过渡段时，由于地层上软下硬，如盾构机控制参数不及时调整，极易出现“磕头”、向地层较软一侧偏离的现象。针对该地层条件，施工前应根据施工区间地质情况选取合适的刀盘形式，优化刀间距和相位角。施工过程中针对过渡段地层，及时调节掘进速度、刀盘转速、掌子面顶推力及土舱压力，可有效控制盾构机姿态。当盾构施工穿越过渡段地层时，可适当降低掘进速度、刀盘转速，但应合理增加土舱压力，以避免产生过大的地层沉降。为避免出现“磕头”现象，可适当减小刀盘上部推力，增加刀盘下部推力。施工过程中应加强过渡段的监控测量，信息化施工，发现问题及时调整相关参数[11-12]。

5 结论

（1）浅埋盾构隧道施工穿越上软下硬地层时，地表呈现出较明显的不均匀沉降，随着掌子面岩层比例逐渐增加，地表沉降最大值逐渐减小，其对应的沉降槽宽度也逐渐减小。当掌子面岩层比例达到100%时，地表沉降最大值逐渐趋于稳定。随着掌子面岩层比例逐渐增加，盾构管片顶部竖向位移先减小后趋于稳定。通过对较软地层的改良可有效控制因盾构施工产生的地层沉降。

（2）上软下硬地层中浅埋隧道盾构施工，在合理选取刀盘形式的前提下，应合理降低掘进速度、刀盘转速，增加刀盘下部千斤顶推力，降低上部千斤顶推力，适当增加土舱压力，在达到控制盾构机姿态的同时，减小因盾构施工产生的地表沉降。此外，应加强相关监控测量。