软土地层盾构施工中掘进速度对地面沉降的影响分析

周海群

(杭州市地铁集团有限责任公司，浙江 杭州 310022)

盾构掘进速度是隧道施工中的一个重要参数，对于土压平衡式盾构机而言，对掘进速度影响最为显著的3个操作参数依次为油缸推力、土舱压力和刀盘转速［1-3］。然而，隧道通过的地层条件也直接影响着掘进速度的快慢，在黄土地层条件下西安地铁二号线试验段项目部曾创造了一个月掘进727.5 m的全国新纪录;在软硬不均的复合地层和砂卵石地层条件下，盾构机由于受刀具磨损和开挖面稳定性的影响掘进速度相对较慢［4-5］。

软土主要由粒径＜1 mm的细粒土组成，具有天然含水量高、压缩性大、承载力低、呈软塑性或流塑状态等特点，主要分布于渤海湾长江三角洲、珠江三角洲及浙闽等沿海地区的海相沉积地层中。在外荷载作用下，一方面土体中的孔隙水排出，使土体中孔隙减小，软土地层产生固结变形;另一方面由于黏土颗粒以结合水膜相互接触，在荷载不变情况下，随着时间的推移，土体变形还会继续增加，即土体的次时间效应，亦称土体的流变［6-7］。因此，盾构机在软土地层施工中面临着地面沉降的控制问题，控制开挖面的稳定性尤为重要。

国内学者对盾构掘进速度与开挖面的稳定性关系做了相关的理论研究工作。高健等考虑盾构掘进速度以及土体渗透系数的影响，研究发现在低渗透性土层中进行隧道掘进，盾构掘进速度的改变对隧道掘进面附近水头分布产生很大影响，掘进速度的增加将引起作用在隧道掘进面上支护力和隧道掘进面附近总水头梯度显著增加的规律［8-9］。本文主要就笔者参与的某一隧道工程中关于盾构正常掘进速度变化与地表沉降情况进行分析，通过对现场施工的实测数据统计，将掘进速度与地表沉降之间建立联系，研究成果可以为该方向的理论研究学者提供基础资料，同时可为隧道建设者提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程建设概况

杭州地铁1号线九九区间为双线盾构法施工隧道，单线全长734.473 m(612环)，区间线路最小平面曲线半径为400 m，最大坡度为－25‰，隧道洞顶埋深约为9.3～16.8 m。区间隧道采用日本小松公司制造的TM634PMX-43加泥型土压平衡盾构进行施工，从九堡站始发至九堡东站完成施工。盾构壳体直径φ6.34 m，隧道管片外径 φ6.20 m、内径 φ5.50 m、厚度0.35 m、宽度1.20 m，采用错缝拼装方式。

本文主要针对正常掘进中速度与地表沉降进行分析，盾构施工已经处于正常掘进状态，其盾构施工参数除掘进速度外均已确定，最大限度排除了其他因素的影响，如注浆量3.5 m3、舱内上部土压0.16 MPa、出土量37 m3、刀盘转速0.8 r/min等对沉降影响较大因素设定的数值均为恒定值。

1.2 水文地质与工程地质条件

场地浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及③-2～③-8层粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，在和睦港附近河水补给，地下水位随季节变化。根据区域水文地质资料，浅层地下水水位年变幅为1.0～2.0 m，多年平均高水位埋深约0.5～1.0 m。施工土层承压水层不具承压性质。

掘进范围内地基土主要为③层粉、砂性土及④层、⑥层饱和软黏土。粉土、砂土与软黏土的强度等级性质、变形特性均存在较大差异，掘进过程中容易造成软弱层排土过快引起地层下沉。本文取样范围内土层覆土深度平均为14～15 m，从上到下分别为①-1杂填土、③-2砂质粉土、③-3砂质粉土、③-6砂质粉土夹粉砂、③-7淤泥质粉质黏土夹粉砂、③-8砂质粉土夹粉砂、⑥-1淤泥质粉质黏土，盾构体正面穿越土层主要为③-7淤泥质粉质黏土夹粉砂、③-8砂质粉土夹粉砂和⑥-1淤泥质粉质黏土。

2 盾构施工对地面沉降的影响因素分析

2.1 盾构施工中控制地层变形主要原理

土压平衡式盾构是通过压力舱内的土压力来平衡开挖面的土体，达到对盾构正前方开挖面支护的目的。平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键，维持和调整压力值是盾构推进操作中的重要环节，包含对推力、推进速度和出土量三者的调整，在盾构施工轴线和地层变形量的控制上起主导作用。在盾构施工中要根据不同土质和覆土厚度、地面建筑物，结合监测信息的分析，及时调整平衡压力值的设定及注浆量多寡，同时保持推进速度相对平稳，减少每次纠偏的量，以降低对土体的扰动，在创造良好管片拼装条件的同时，将轴线和地层变形控制在允许的范围内［10］。

2.2 盾构施工影响地层变形的原因及分析

根据盾构法隧道施工的过程和特点，综合国内外的研究成果，影响土体移动和地表沉降的原因主要可以归纳为如下几个方面:①开挖面土体的应力状态变化;②盾壳半径小于刀盘半径，盾构壳周围有间隙，周围土体向空隙处移动，导致地表沉降变化;③盾构开挖面前方土体和与盾构可接触的周围土体受到挤压而向前和四周移动;④土体与衬砌的相互作用;⑤纠偏过程中出现超挖现象;⑥盾尾注浆不适当引起的土体挤压导致沉降;⑦土体次固结即盾构隧道周围土体施工扰动后，软黏土土体进一步产生蠕变，持续次固结沉降的影响。

上述影响因素中，其中①，③，⑤，⑥项为人为影响因素，主要通过土压力设定、盾构掘进速度、注浆、掘进操作、监控等方面进行控制，另外②，④，⑦等因素为客观存在的因素。在整条隧道施工中，去除操作失误等小概率事件，在外界条件相似情况下，将土压力、注浆量及压力、出土量、刀盘回转等设定为恒定值，纠偏、土体次固结、盾构空隙引起变化等在大范围上认为恒定，即可确定推力、推进速度为地表沉降变化的最大影响因素。

笔者在九九区间盾构工程区段中取相类似条件下施工完成的多段隧道，通过对掘进速度的变化情况及地表监测沉降情况进行分析。

3 盾构掘进速度对地面沉降影响分析

3.1 现场施工数据监测及分析统计方法

杭州地铁九九区间左线盾构施工过程中建立了盾构自动导向系统及地表第三方人工监测数据的监测平台。盾构导向系统为日本ENZAN KOUBOU公司的Robotec Survey System(Rss)自动导向系统，2.5 km之内的误差为3 mm+2 ppm，每环均测;人工监测使用仪器为DSZ2+FS1精密水准仪及配套铟钢尺，精度在±0.5 mm，布点为1点/(每5环6 m)，每点从盾构切口到达前 20 m、后30 m开始监测，沉降量 ＜±0.3 mm，则停止监测(见图1和图2)。

图1 自动导向系统原理

图2 现场施工测量系统

通过对九九区间左线盾构全线掘进监测数据及地表沉降监测数据进行统计分析，采用均值及最小值归纳方法进行统计分析，现取其部分数据进行描述，其中监测数据为99～153环地表沉降监测值，盾构数据为101～140环盾构掘进速度值，其余数据统计法相同。因隧道地表埋设点位为每5环一点，实际取值分析过程中，如101环，则取值为100环数据，如104环，则取值为103环数据，以此类推，整个分析过程数据，均为盾构进入正常掘进范围后的取值数据。

3.2 盾构掘进速度对地面沉降影响数据分析

1)地表沉降监测数据

99-140环掘进过程中地面累计沉降监测数据如表1所示。从表中数据可以看出，盾构机在纵向施工过程中，掘进速度的不同对地层扰动的影响是不同的。地表整体表现为下沉状态，局部区域的测点在某个施工环节中有地层隆起的现象出现。测点Z110和测点Z125受施工扰动较大，单次掘进沉降量最大值均达到了2.99 mm;从累计变形量数据分析来看，地表最大沉降量位于测点Z105处，最大值达到了12.17 mm，随盾构机的后续施工，沉降量略有减小，测点Z140的累计变形量最小，约为1.2 mm。

表1 99—140环掘进过程中地面沉降监测点累计变形量数据 mm

2)单环掘进中速度变化对地表沉降影响

盾构隧道单环掘进瞬时速率变化曲线如图3所示，排除各环总平均速度大小不一的影响，根据瞬时V变化曲线图从图3(a)、图3(b)上可见，在此阶段掘进过程中，单环瞬时速度变化较快，且变化幅度较大，达到2～3 cm上下;从图3(c)、图3(d)上可见，掘进过程中，单环瞬时速度变化较慢，且变化幅度较图3(a)、图3(b)大幅度降低，基本上均在1 cm以内浮动，甚至于基本平均。对比监测数据，可以发现其中图3(a)、图3(b)所表示的101～120环地表监测中，当前环位置的单次沉降值均较大且沉降差异较大，在－1.5～－3.0 mm之间浮动，且已经脱出盾尾环片上方，监测数据显示随着盾构掘进沉降增加明显，而在图3(c)、图3(d)所表示的121～140环地表监测中，当前环位置的单次沉降数据较为平均，在2.5 mm左右或 －1 mm左右，沉降值较为平均，且已经脱出盾尾环片上方，监测数据显示沉降未随盾构掘进而增加，比较均匀，且数据基本稳定在2.5 mm以下。另外，在盾构切口环位置可以发现:在盾构隆沉均在1.0～1.5 mm左右，未出现明显变化。

根据以上分析，可以发现，在盾构掘进过程中，单环掘进速度变化幅度越快，对地面沉降影响越大，且沉降呈不均匀状及后续增大状;掘进速度变化幅度越小，对地面沉降影响越小，且沉降呈均匀状及后续沉降较小且均衡。对切口位置而言地表沉降均无大影响。

3)不同环片平均掘进速度变化对地表沉降影响

从盾构宏观平均速度上进行分析(如图4所示)，101～120环平均速度均较为接近，基本在3.5～4.5 cm/min之间，而120～140环平均速度变化幅度较大，从最低的2.5 cm/min左右到4.5 cm/min左右均有，且相邻环速度变化较大。结合表1中累计沉降数据分析可发现，101～120环中盾构切口环后地表累计沉降较小，约在3～5 mm左右，而120～140环部分中盾构切口环后地表累计沉降则较大，且幅度也较大，处于5～10 mm间。另外，盾构切口环位置可以发现，盾构隆沉均在1.0～1.5 mm左右，未出现明显变化。

根据以上分析可以发现，从宏观上分析，盾构掘进速度越平均，变化幅度越小，对地表沉降影响越小，且沉降量也较小，盾构掘进速度幅度变化越大，对地表沉降影响越大，且沉降量也较大，而对切口位置地表沉降均无大影响。

图3 盾构隧道单环掘进瞬时速率变化曲线(每25～30 s速度变化趋势)

图4 101～140环盾构隧道单环掘进平均速率变化曲线

4 结语

随着国际上盾构技术的日趋完善以及国内对盾构技术的需求加大，盾构的发展逐渐趋向于微型化和超大型化、形式多样化、高度自动化和高适应性。然而，盾构隧道施工是一种机械化相对要求较高的复杂技术，其施工质量的好坏受多种因素的制约与控制。

本文以杭州地铁1号线九九区间隧道盾构施工为工程背景，分析了盾构施工引发地面沉降的影响因素，结合现场实测数据对杭州地铁软土层盾构施工中掘进速度与地表沉降的变化规律进行研究。研究结果表明，在盾构施工参数已经设定的前提下，无论是单环掘进速度还是整体掘进速度，对地表沉降的影响最终取决于掘进速度变化幅度的大小，掘进速度变化幅度大，则沉降大，控制施工掘进速度的变化量可有效控制地表沉降。

研究数据与成果可以为该方向的理论研究学者提供基础资料，同时可为隧道建设者提供借鉴。

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