盾构穿越沉降敏感区段的沉降监测及分析

万宗祥， 董汉军, 蒲诃夫

(1. 广州市地下铁道总公司建设事业总部, 广东 广州 510380;2. 中交集团第二航务工程局有限公司, 湖北 武汉 430071;3. 华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074)

盾构穿越既有地铁线路、下穿浅基础建筑或文物保护建筑等这类对沉降要求非常敏感的区段，对沉降控制要求很高[1,2]。因此，盾构掘进施工前掌握不同地层的沉降规律，制定完善的施工控制措施，确保穿越区域地面沉降不超过控制标准，显得非常重要。

盾构施工沉降实质上是隧道施工引起的地层位移问题。扰动的影响范围和程度取决于很多因素，包括盾构型式、地层性质、地下水位、隧道上部荷载、施工参数(如土仓压力、刀盘扭矩、推力、出土量、注浆量、注浆压力、盾尾间隙等)、施工管理以及其他施工条件，其机理非常复杂[3～5]。

国内外许多专家学者对隧道施工引起的地基变位问题进行了深入的研究。如Peck[6]公式系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法，后来很多学者对Peck公式中参数的取值进行了大量研究，给出了很多经验取值；日本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验，半谷通过整理58例实测资料，给出了预测地表最大沉降量的方法，他指出，在软弱黏土的情况下，压密沉降在总沉降中占相当大的比重；藤田应Peck要求，对软弱地层隧道工程不同施工方法对地层的影响差别进行研究。刘建航院士[7]提出了“负地层损失”的概念，并修正了Peck公式预测地表纵向沉降计算式。

从国内外研究文献来看，对于盾构隧道施工引起的地表变形以及对既有结构影响的研究方法主要有经验公式法、模型试验法、现场实测法、数值计算法等[8～10]。研究主要集中在软土地层，而硬岩地层由于盾构开挖后围岩的稳定性好，盾尾脱出管片后及时进行同步注浆充填，几乎不会造成地面变形。对于复合地层，即上软下硬地层的沉降变形规律研究则少见报道。复合地层是一种特殊的地质，在工程上表现为高度的非均质性，盾构机在这类地层中推进时，刀盘切削工作面土体，上部软地层较易进入密封土舱，而下部较硬岩体不易破碎，盾构机的姿态较难控制，需要经常变换盾构施工模式，采用的施工工艺和施工参数也需要根据地层情况随时调整。本文主要通过现场实测，介绍了复合地层中盾构穿越沉降敏感区段的沉降规律，并对控制沉降的措施进行了分析。

1 工程概况

广州至佛山城际地铁(菊树站～西朗站)盾构区间下穿广州地铁1号线，此段隧道顶部覆土厚约10～11 m，隧道覆土自上而下主要为(1)人工填砂、(2-1A)5～10 m厚淤泥，(6)全风化泥质粉砂岩、(7)强风化泥质粉砂岩、(8)中风化泥质粉砂岩，隧道范围内顶部为厚1～2 m(2-1A)淤泥层，下部为(6)、(7)、(8)泥质粉砂岩。隧道上部(2-1A)淤泥层标贯击数为1～2击，下部(8)微风化粗砂岩层强度约20 MPa，为典型的上软下硬复合地层，盾构机掘进姿态和沉降控制较困难。左线隧道地质纵断面见图1。

图1 左线隧道地质纵断面

广州地铁1号线线路全长18.497 km，其中地面线2.048 km，地下线路16.449 km，于1996年全线开通运营，以西南面西朗站为起点，到坑口站后转入地下，穿珠江水下隧道至黄沙，途经人口稠密、交通繁忙的市中心繁华地区，最后到达终点广州东站。由于其位于人口稠密的商业区，因此要求盾构施工必须对该线路地铁影响很小。

根据地铁1号线运营要求，盾构区间隧道穿越既有地铁线路的施工变形控制标准按表1执行，而《盾构法隧道施工与验收规范》(GB 50446-2008)确定的沉降标准为(+10 mm；-30 mm)[11]。因此，穿越地铁1号线这一沉降敏感区段提出了超出规范要求的沉降控制标准。由于地铁1号线运营繁忙，无法预先从地面对轨道下地基进行土体加固，使得沉降控制更为困难。

表1 盾构区间隧道穿越既有地铁线路施工控制标准

2 监测点布置

为确保地铁1号线安全运营，对轨行区长度范围进行了密切监测，监测项目包括轨道沉隆、路基沉降、供电接触网柱沉降及倾斜等，监测频率为每半小时一次。左线隧道测点布置见图2。目的是通过监测工作的实施，掌握穿越1号线过程中道床路基、轨道等的沉降情况，为掘进参数的调整和地铁运营维护提供及时可靠的信息，确保地铁1号线正常运营。

图2 左线隧道沉降测点布置

3 沉降情况及沉降规律分析

3.1 沉降情况

盾构穿越期间，沉降变形均在控制值之内，变形最大点见表2，其中1、2、3号监测断面沉降量随时间变化曲线如图3～图5所示。

表2 左线盾构沉降变形最大值统计

图3 1号监测断面沉降量随时间变化曲线

图4 2号监测断面沉降量随时间变化曲线

图5 3号监测断面沉降量随时间变化曲线

3.2 沉降规律及控制措施分析

根据上面的沉降数据统计，沉降可划分为以下六个阶段：

(1)刀盘离监测断面5～8 m以上之前，地面基本无沉降；

(2)刀盘在监测断面前后5 m左右，普遍表现为隆起2～6 mm；

(3)盾体通过监测断面下方时，表现为2～3 mm左右的平缓沉降；

(4)盾尾脱出监测断面后，表现为5～8 mm左右的急剧沉降，这一期间的沉降速率大，沉降量也较大;

(5)盾尾脱出监测断面后及时二次注浆，表现为4～6 mm左右的快速隆起，个别点甚至达到了10 mm的隆起；

(6)盾体逐步远离监测断面，表现为4～6 mm的缓慢沉降并逐步趋于稳定。

通过监测结果可以看出，第一阶段未发生先期沉降，说明对前方开挖面无扰动；第二阶段开挖面附近隆起，是由于土舱压力设定值超过了被动土压力值(理论计算土压力为120 kPa，而实际设定为160～180 kPa)；第三阶段盾体通过时发生的平缓下沉是由于盾构外周面与围岩发生摩擦，且开挖直径大于盾体直径；第四阶段盾尾脱出引起急剧沉降；第五阶段盾尾及时二次补注浆，使地表快速隆起，若无及时的二次补注浆，则第四阶段的急剧沉降会加大；第六阶段后续下沉是软弱淤泥中出现的现象，主要是由于盾构推进引起整个地基松弛或扰动而发生的，并最终趋于稳定。

施工过程中，始终维持30～40 mm/min的推进速度，保持土舱压力在180 kPa并尽量减小波动范围，加大泡沫注入量防止土舱结泥饼，加大同步注浆浆液稠度，管片脱出盾尾及时进行二次注浆，注浆压力控制在0.35～0.4 MPa，注浆量根据地面沉降情况确定。压力表显示的0.4 MPa注浆压力将对管片外弧面土体产生大约3 kg/cm2的反力，而上覆土自重产生的垂直向下压力约2 kg/cm2，二者压力差对上覆土层产生抬升作用，导致地层隆起。该地层为渗透系数低的淤泥层，浆液难以向土体深层渗透，因此抬升作用明显。但如果上部为砂层，二次注浆的浆液可能会渗透进入地层深处，难以产生抬升力，通过多次注入快速凝固的浆液，封闭渗透通道，也有可能对地层产生一定的抬升作用。

由盾构的推进引起的横断面方向的最终地基下沉分布，一般以隧道为中心单向横坡，形状近似于倒立的标准概率曲线，其影响范围大致保持以盾构下端处起的仰角45°+φ/2扩散区域内(其中φ为土体的内摩擦角)。一般情况下，影响范围考虑仰角45°即可。一般沉降影响范围如图6所示，其中对于全断面软土层的影响宽度为2×(D+H)，而对于下部硬岩、上部软土地层的沉降宽度为2×H。

图6 盾构推进横断方向影响范围示意图

图7和图8为1号、3号观测断面实测横断面方向各阶段沉降曲线。可以看出两侧距隧道轴线10 m测点均无明显沉降，距隧道轴线5 m测点有2～3 mm左右的沉降，轴线位置点有8 mm左右的沉降。即对于下部硬岩、上部软土地层的沉降影响宽度不会超过2倍的覆土厚。

各测点均表现为超土舱压力下刀盘前位置的隆起和二次注浆后的抬升。说明超土压力下的隆起和二次注浆后的抬升对沉降控制起到了重要作用。如A11点有6 mm的最大隆起，该位置的二次注浆量达到了3 m3，注浆压力达到了0.4 MPa。

图7 1号观测断面横断面方向各阶段沉降曲线

图8 3号观测断面横断面方向各阶段沉降曲线

4 结 论

本次地面最大沉降最终控制在8 mm以内，满足了地铁正常运营的要求。对于敏感地段的沉降规律与控制措施有如下结论：

(1)对于下部为硬岩、上部为淤泥或黏土等透水性差的上软下硬复合地层，当地面加固实施难度大，无法采取地面注浆加固措施时，通过信息化监测、掘进参数调整控制、二次注浆等措施，是可以很好地控制地面沉降的。

(2)复合地层由于下部硬，上部为流塑状淤泥，一旦土舱压力设定过小，更易引起土体超挖，通过设定较高的土舱压力，使上部淤泥层在超土压力下形成隆起有助于减小最终沉降。

(3)同步注浆虽能及时填充盾尾间隙，但由于浆液未凝固时难以及时支撑盾尾脱出后上部土层的压力，盾尾脱出后的急剧沉降无法避免。

(4)盾尾及时二次注浆能同时补充同步注浆量的不足，并能使同步注浆的浆液和二次补充注浆的浆液快速凝结，对土体形成支撑。二次注浆压力的抬升作用在淤泥或黏土地层对沉降控制作用显著。

(5)复合地层沉降槽宽度，取决于覆盖软土地层的厚度，与隧道底部埋深无关，有助于评估地面受影响建筑物或构筑物的范围。

(6)复合地层中盾构掘进，设定超土舱压力时，应特别重视土体改良措施，防止刀盘结泥饼，一旦结泥饼，推力、扭矩上升并产生喷涌、出土量控制困难等，将造成沉降加大。

(7)本次沉降监测频率达到了每半小时一次，由于沉降信息反馈及时，对随时调整掘进参数、及时指导二次注浆压力及注浆量、了解注浆效果，起到了非常重要的作用。因此，监测与施工控制的信息化联动至关重要。

[1] 张成平, 张顶立, 吴介普, 等. 暗挖地铁车站下穿既有地铁隧道施工控制[J]. 中国铁道科学, 2009, 30(1): 69-73.

[2] 杨俊龙, 范垚垚. 大直径泥水盾构近距离穿越运营地铁隧道的施工控制技术[J]. 地下工程与隧道, 2008,(3): 26-30.

[3] 阳军生, 刘宝深. 城市隧道施工引起的地表移动及变形[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2002.

[4] 孙 钧. 地铁隧道盾构掘进施工市区的环境土工安全技术标准及其变形与沉降控制[J]. 世界隧道, 2000，(s): 223-240.

[5] 张 云, 殷宗泽, 徐永福. 盾构法隧道引起的地表变形分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(3): 388-392.

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[7] 刘建航，侯学渊. 盾构隧道[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1991.

[8] Kimura T, Mair R J. Centrifugal testing of model tunnels in soft clay[C]//10th International Conference Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, Balkema, 1981: 319-322.

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[10]易宏伟，孙 钧. 盾构施工对软粘土的扰动机理分析[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2000, 28(3): 277-281.

[11]GB 50446-2008, 盾构法隧道施工与验收规范[S].