某盾构施工钱塘江大堤监测成果分析

毛建东

（浙江省钱塘江管理局嘉兴管理处 杭州 310016）

王拥文 王梓烨

（浙江省钱塘江管理局勘测设计院 杭州 310016）

1 前言

盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法，它是由法国工程师布鲁诺尔于1818年从一种食船虫在船身上打洞一事受到启发而研究提出的，经过近200年的应用和发展，盾构施工已为世界各国广泛采用。但隧道盾构在掘进施工过程中，周围土体将受到扰动作用，应力、应变状态发生变化。国内外许多学者对盾构施工及其对地表建（构）筑物产生的影响进行了不同程度的分析研究。

R.B.Peck（1969）[1]通过大量地面沉陷数据以及工程资料分析，提出地面沉降槽呈正态分布。认为地层移动由地层损失引起，施工引起的地面沉降在不排水条件下发生且土体体积不可压缩（μ=0.5），则沉降槽体积应等于地层损失体积，得出如下横向地面沉降估算公式：

上二式中x——距隧道轴线的横向水平距离，m；

S（x）——x处地面沉降量，m；

Smax——隧道轴线上方的最大地面沉降量，m；

Vloss——隧道单位长度的土体损失量，m3/m；

i——地面沉降槽宽度系数，m；即沉降槽曲线拐点至隧道轴线的水平距离。

O’Reilly和Loganathan[2-3]通过对各种地质条件下开挖隧道时产生的地面沉降测试值的统计，研究分析了地表沉降槽宽度系数的经验计算公式。

徐方京[4-8]等通过不同方法研究了盾构施工引起的土体扰动、地层移动以及地表沉降等变形规律。

2 工程概况

2.1 工程简介

西气东输二线管道上海支干线钱塘江穿越工程位于钱塘江河口段，北接嘉兴海宁市，南连杭州市萧山区江东经济技术开发区，穿越长度3148m，采用泥水平衡盾构隧道穿越方案，盾构管片内径3.08m，隧道中心埋设高程确-14.49m，隧道穿越钱塘江北岸土层为淤泥质粉质粘土。盾构穿越段为海宁鱼鳞石塘，大部分建于雍正、乾隆年间，这些留存下来的古海塘是人类历史劳动与智慧的结晶，有其不可估量的历史、文化、工程技术价值。

2.2 地质概况

该区域地貌属钱塘江冲海相沉积平原区，场地各岩土层岩性特征分述如下：

①层：塘身填土，灰黄—灰色，稍密，很湿，主要由粉土组成，南侧钻孔上部发现50～80cm左右厚的碎石层，含腐殖质。

②-1层：粉质粘土，灰黄色，可塑，饱和，含铁质氧化物及有机质，干强度中等，中等韧性，摇振反应慢，切面光滑。

②-2层：粘土，灰黄色，可塑，饱和，含铁质氧化物及有机质，干强度高，韧性高，摇振无反应，切面光滑，油脂光泽。

③-1层：粘土，灰色，流塑—软塑，饱和，含腐殖质，干强度高，韧性高，摇振无反应，切面光滑，油脂光泽。

③-2层：淤泥质粉质粘土夹粉土，灰色，流塑，饱和，层状构造，层间夹粉土，含腐殖质、贝壳粉末及云母，干强度低，韧性弱，摇振反应快。

④-1层：粉质粘土，灰黄色，可塑，饱和，含铁质氧化物及有机质，干强度中等，中等韧性，摇振反应慢，切面光滑，局部为粘土。

④-2层：粉土夹粉质粘土，灰黄色，稍密，很湿，层状构造，层间夹粉质粘土夹层，含铁质氧化物及有机质，干强度低，韧性弱，摇振反应快，切面粗糙，无光泽。

⑤-1层：粉土夹粉质粘土，灰色，稍密，很湿，层状构造，层间夹粉质粘土，含腐殖质及云母，干强度低，韧性弱，摇振反应快，切面粗糙，无光泽。

⑤-2层：粉质粘土，灰色，软塑—可塑，饱和，层状构造，含贝壳粉末、腐殖质及云母，干强度中等，中等韧性，摇振反应慢，切面光滑，局部为粘土。

具体物理力学性质指标详见下表。

场地土层的物理力学性质指标表

3 观测成果分析

盾构施工前，于护塘地区域沿隧道轴线且与隧道轴线位于同一高程处埋设3个土压力盒，埋设间距为5m，观测盾构机推进过程中的土体水平应力变化幅度；在堤身布设5个沉降观测断面，分别为内坡脚、堤顶路面内侧、挡浪墙顶、外海平台和鱼鳞石塘顶；于塘面草皮护坡处埋设3根测斜管，位于隧道轴线两侧。测试点平面布置和海塘结构见图1和图2。

3.1 地基土体水平应力观测成果分析

2010年7月9日晚10：30左右，盾构机从始发井累计推进201m，试验区域土压力测试点开始产生应力变化。为分析盾构机推进过程中地基土体应力的变化规律，根据盾构机掘进速度，每小时对土压力测试点采集一次数据，经过38h的连续测试，1号和3号测点处地基土体水平应力随盾构机头推进过程的变化曲线见图3和图4，2号孔测试仪器坏死。

从图3和图4可以看出：在盾构机头距测试点接近10m时，测试点土体应力开始产生变化，随盾构机头逐渐靠近，土体应力慢慢增加，在机头距测试点1～2m时，测试点土体水平应力达到峰值，分别为24.2kPa和24.8kPa，之后逐渐减小直至机头到达，测试仪器被破坏。曲线变化过程中出现波浪形，主要是受盾构施工工艺影响，如应力测试时，盾构机正在掘进或者正在管片组装，则测试应力变化过程存在差异，盾构机掘进过程中测试的土体水平应力要比管片组装时测试的水平应力大。

3.2 地表沉降观测成果分析

2010年7月11日下午6：30盾构机头进入钱塘江大堤内坡脚，7月14日盾构机累计掘进255m，盾尾通过外坡脚护坦，盾构机穿越钱塘江大堤累计用时接近3天，其间堤身沉降测试点产生的沉降量较小。经过7个月的工后观测发现，工后沉降相对施工期要大。堤身5个沉降观测断面的沉降分布曲线见图5。

图1 测试点平面布置图

图2 海塘结构图

图3 1号地基土体水平应力变化规律

图4 3号地基土体水平应力变化规律

由图5可见，堤表测试点累计沉降量较小，至2011年2月22日累计沉降最大的为DS23测试点，累计沉降量为20.4mm。累计沉降量从隧道轴线位置向两侧逐渐减小，基本呈正态分布。鱼鳞石塘顶沉降量相对较小，可能与塘身的条石结构有关。5个沉降观测断面中，堤顶路面内侧的沉降槽最陡。根据沉降分布曲线，受盾构机掘进施工影响，隧道轴线两侧20m范围内的测试点累计沉降量相对较大。

图5 堤身观测断面沉降分布曲线

选取内坡脚、堤顶路面内侧和挡浪墙位于隧道轴线上方的3个测点进行累计沉降量分析，见图6。

图6 测点累计沉降量随时间变化曲线

由图6可见，DS23测点的累计沉降量最大，累计沉降值为20.4mm，DS09和DS37的累计沉降值分别为17.5mm和17.8mm。盾尾通过堤身后，此3个测点的累计沉降量分别为1.6mm、2.1mm和1.8mm，即工后沉降分别为15.8mm、18.3mm和16.0mm，工后沉降分别占总沉降量的90.7%、89.8%和89.6%。根据地质资料，钱塘江北岸土层粘土含量高，受盾构机掘进施工扰动影响，固结沉降历时较长，工后沉降所占比例大。

3.3 堤基土体深层水平位移观测成果分析

盾构机穿越鱼鳞石塘前，对堤基土体深层水平位移进行了连续测试，考虑到盾构机掘进速度和土体深层水平位移测试所需时间，只对F1和F2两根测斜管进行了现场试验。F2测斜管距隧道边界3m，F1测斜管距隧道边界5m。测试到的堤基土体深层水平位移曲线见图7和图8。

图7 F2土体深度—位移量曲线

图8 F1土体深度—位移量曲线

由图7和图8可见，堤基土体深层水平位移最大值分别为8.8mm和7.1mm，发生于地表下20～21m处，位于隧道轴线高程附近。从图7、图8中曲线可以看出，2010年7月14日，盾尾通过该深层水平位移观测断面，堤基土体累计位移量达到峰值，即土体深层水平位移受盾尾注浆影响较大，而盾构机头掘进过程中，土体深层水平位移量较小。

4 结论

通过对盾构施工过程中钱塘大堤护塘地及堤身土体的应力、变形测试和试验数据的分析研究得出如下结论：

a.在盾构机头掘进过程中，土体受到的水平应力慢慢增加，在机头距压力盒1～2m时，土体水平应力达到峰值，之后逐渐减小直至机头到达，测试仪器被破坏。盾构机掘进过程中土体受到的水平应力要比管片组装时土体受到的水平应力大。

b.同一横向沉降观测断面，累计沉降量从遂道轴线位置向两侧逐渐减小，基本呈正态分布。根据沉降分布曲线，受盾构机掘进施工影响，隧道轴线两侧20m范围内的堤基土体受到的扰动程度相对较大。在钱塘江北岸的软土中进行盾构掘进施工，土体固结沉降历时较长，工后沉降占总沉降量约90%。

c.堤基土体深层水平位移最大值发生隧道轴线高程附近。土体深层水平位移受盾尾注浆影响较大，而盾构机头掘进过程中，土体深层水平位移量较小。

1 R.B.Peck.Deep excavations and tunneling in soft ground[A].Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexico City：State of the Art Report，1969.225-290.

2 O’Reilly M P，New B M.Settlements above tunnels in the United Kingdom-their magnitude and prediction[A].Proceedings，Tunneling’82[C].London：Institution of Mining and Metallurgy.[s.1.]：[s.n.].1982.137-181.

3 Loganathan N，Poulos H G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movement in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124（9）：846-856.

4 徐方京，侯学渊.盾尾间隙引起地层移动的机理及注浆方法分析.地下工程与隧道，1994（20）：12～16.

5 孙建华，侯学渊.松散地层浅埋隧道基于地表下沉的反分析理论.隧道建设.1991（1）：16～27.

6 张冬梅，黄宏伟，王箭明.盾构推进引起地表沉降的粘弹性分析[J].岩土力学.2001，29(3)：311-314.

7 王敏强，陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J].岩石力学与工程学报.2002，21（2）：228-232.

8 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.1999，28（6）：277-281.