复合地层盾构施工监测分析及控制技术措施

金 华，刘凤华

（南京地铁建设有限责任公司，江苏南京 210000）



复合地层盾构施工监测分析及控制技术措施

金 华，刘凤华

（南京地铁建设有限责任公司，江苏南京 210000）

摘 要：文章以南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间盾构隧道为工程背景，对该区间各类型地质条件下盾构施工以及下穿九龙华隧道的实测数据进行分析，并根据复合地层情况的差异，得出复合地层中盾构法施工对地表沉降影响的规律，结合该区间的复合地层条件，提出相应的对环境影响的施工控制措施。

关键词：复合地层；盾构施工；控制措施

1　工程概况

南京地铁 3号线新庄站—鸡鸣寺站区间位于南京市玄武区，区间隧道为双线隧道，左线长 2688m，右线长 2684m。隧道拱顶覆土厚度 9.2～34m，至玄武湖边中间风井处隧道埋深达最大 34m。区间隧道穿越地层包括淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、混合土、闪长岩、角岩化泥岩等，地质变化快，岩石强度高，为典型的复合地层，也是南京地区极具代表性地质区间。

沿线侧穿新庄立交桥桩、南林大厦、南京市城建中等专业学校、市政府，下穿龙蟠路地下过街通道、九华山公路隧道等公共建构筑物。

2　施工监测分析

2.1监测点布设

南京地铁 3号线新庄站—鸡鸣寺站区间建立了地面沉降监测网，在现场布置平行于隧道轴线的沉降监测点和垂直于隧道轴线的沉降监测点。平行于隧道轴线的沉降监测点每 5m 布设 1 测点，垂直于轴线的沉降监测点每 50m 布设 1 组长 24m 的断面，每组断面均为 9 测点，与隧道轴线水平距离分别为 0、2、3、6、12m，左右对称布设测点，监测范围为盾构前 20m 和后 30m。

九华山隧道建设有东线、西线 2 条隧道，在 3号线下穿区段的九华山隧道设有 5 个监测断面，监测断面间距 6～8m，每个监测断面设有 4 个监测点，监测点布设在九华山隧道中间墙（快车道旁）和两侧墙（慢车道旁）上。

2.2监测数据分析

2.2.1流塑状淤泥质粉质黏土及粉土夹粉质黏土地层沉降分析

本地层区间隧道里程 K18+192～K18+480，隧道拱顶埋深 10～15m，掌子面为流塑状淤泥质粉质黏土及粉土夹粉质黏土地层，土质强度较低。以右线地表平行于盾构轴线监测点 DB10-05、左线地表平行于盾构轴线监测点 DB10-10 及左线地表平行于盾构轴线监测点 DB10-17 的沉降为例，研究本复合地层类型区间段的沉降机理及规律。

（1）由图 1 和图 3 可知，盾构在全断面软弱地层中掘进时，地层对盾构的抗扰动能力较差，对地层损失的反应明显，在盾构通过后产生较大瞬时沉降，约为 10mm，由于淤泥质土体的次固结时间较长，在盾构机通过约 150 天最终沉降达到约 30mm，并逐渐趋于稳定。

（2）由图 2 和图 4 可以看出，由于土层扰动，在第3 天其沉降速率最大达到 3～4mm · 天-1警戒值，经过注浆后沉降速率变小，随着土体次固结的逐步稳定，沉降速率最后趋近 0。

（3）在本区段全断面流塑状淤泥质粉质黏土及粉土夹粉质黏土地层施工过程中，有个别监测点产生了较大的沉降，为了阐述产生较大沉降的原因，图 5 和图 6 分别列出了左线 DB10-10 监测点与上述左线 DB10-17 监测点累计沉降值和沉降速率的时程曲线。由图 5 和图 6可以看出，DB10-10 监测点最终沉降比 DB10-17 监测点大 1 倍左右，且盾构机通过后的瞬时沉降速率差异也有 1 倍左右。产生此差异的原因在于，盾构机通过DB10-10 监测点时对地层产生了较大扰动，注浆量不足引发卸荷作用而产生较大沉降，加之未及时进行二次注浆从而产生了较大的最终沉降。

2.2.2上部可塑粉质黏土中部强风化岩下部中风化岩地层沉降分析

本地层区间隧道里程 K18+485～K18+732，隧道拱顶埋深 18～25m，开挖断面上部为可塑粉质黏土，中部为砂土状强风化闪长岩，下部为中风化闪长岩地层。该区段隧道主要在半土半岩中经过，岩土层垂向分布界限变化大。以左线地表平行于盾构轴线监测点 DB13-19、右线地表平行于盾构轴线监测点 DB13-14 的沉降为例，分析本复合地层类型区间段的沉降机理及规律。

图1　左线地表 DB10-17 监测点累计沉降时程曲线

图2　左线地表 DB10-17 监测点沉降速率时程曲线

图3　右线地表 DB10-05 监测点沉降时程曲线

图4　右线地表 DB10-05 监测点沉降速率时程曲线

图5　左线地表 DB10-17 和 DB10-10 监测点累计沉降时程曲线

图6　左线地表 DB10-17 和 DB10-10 监测点沉降速率时程曲线

（1）由图 7 和图 9 可知，此区间地表在盾构通过过程中有明显的上抬和下沉过程，盾构到达监测断面前，地表有微量的隆起；盾构尾部远离监测断面后，随着注浆压力及超孔隙水压力逐渐消散，地表开始下沉，并在大约 15 天后到达稳定，沉降量稳定值为 -4～-6 mm。

（2）图 8 和图 10 可以看出，沉降速率波动较大，在进行同步注浆及二次注浆时，监测点下沉速率减小甚至隆起，随着超孔隙水压力的逐渐消散，沉降速率很快趋于 0。由此可见，此上软下硬复合地层对盾构施工参数的设定较为敏感，沉降稳定周期较短，累计沉降量均不大，最终沉降量大约在 6～7mm 之间；在严格控制掌子面开挖量的情况下，通过同步注浆和二次注浆，可以短时期内控制稳定地表沉降。

图7　左线地表 DB13-19 监测点累计沉降时程曲线

图8　左线地表 DB13-19 监测点沉降速率时程曲线

图9　右线地表 DB13-14 监测点累计沉降时程曲线

图10　右线地表 DB13-14 监测点沉降速率时程曲线线

2.2.3全断面为中风化岩地层沉降分析

本地层区间隧道里程 K18+735～K19+045，隧道拱顶埋深 25～35m。以左线地表平行于盾构轴线监测点DB26-09、右线地表平行于盾构轴线监测点 DB26-05 的沉降为例，分析本复合地层类型区间段的沉降机理及规律。

（1）由图 11 和图 13 可知，盾构通过前后在一定时间内地表监测点处于小范围的波动，并在 30 天左右沉降趋于稳定，沉降量稳定值约为 0，即长时间看该处地表基本无沉降。

图11　左线地表 DB26-09 监测点累计沉降时程曲线

图12　左线地表 DB26-09 监测点沉降速率时程曲线

（2）图 12 和图 14 表明，沉降速率与沉降趋势相似，均处于小范围波动，其原因主要受测量误差等影响。由此可见，全断面为中风化岩的地层，在盾构通过后地表基本无沉降，其原因为：此段区间隧道埋深较大、整体性较好，下部土层的地层损失以及扰动所受的影响很难传至地表，隧道上方岩土层形成稳定的拱效应，充分发挥了地层自身的稳定性。

2.2.4九华山隧道位移分析

地铁3号线下穿九华山隧道盾构区段里程K19+380.563～K19+411.858，盾构隧道顶部以软土层及混合土为主，掌子面中部以下为中风化岩，以上为强风化岩，属于典型上软下硬地层。图 15～18 给出了九华山隧道典型监测点东线 EH5、EH11、WH15、EH19 和西线 WH5、WH11、WH15、WH19 等监测点的沉降和水平位移随时程曲线。

（1）图 15 和 16 为九华山隧道东线和西线累计沉降时程曲线，临近地铁 3号线隧道右线的九华山隧道西线最终沉降量为 5.7mm，东线最终沉降量为 5.94mm；图17 和图 18 为水平位移时程曲线，可见水平位移均保持在 1mm 范围内波动，可以认为受温度及测量误差等因素影响。

（2）在第 90 天时曲线存在突然变化，主要为 3号线右线盾构先通过九华山隧道，在 90 天后左线盾构通过九华山隧道，在盾构隧道对九华山隧道的二次扰动后，九华山隧道监测数据逐渐趋于稳定。整体来说，地铁3号线隧道盾构施工对九华山隧道的影响是在可以控制的范围内，不会造成九华山隧道较大沉降变形。

图13　右线地表 DB26-05 监测点累计沉降时程曲线

图14　右线地表 DB26-05 监测点沉降速率时程曲线

图15　九华山隧道东线累计沉降时程曲线

图16　九华山隧道西线累计沉降时程曲线

图17　九华山隧道东线水平位移时程曲线

图18　九华山隧道西线水平位移时程曲线

3　施工控制措施

3.1掘进参数控制

（1）盾构全断面穿越流塑状淤泥质粉质黏土及粉土夹粉质黏土地层等软弱土层时，应在保障进出土匹配的技术条件下，尽量快速通过，减小对地层的扰动时间。

（2）严格控制盾构姿态，确保盾构壳体与地层接触过程中除剪切作用外，不出现或少出现与周边地层的挤压或脱空状态，以此控制周边地层中超孔隙水压力峰值，从而尽可能减小盾构壳体通过对后续固结沉降的影响。

（3）严格控制总推力大小，使盾构开挖面附加作用于前部地层的荷载分布模式能与地层自身的水土压力分布模式相吻合，从而减小应力释放，进而减小盾构头部荷载作用对后续固结沉降的影响。

3.2同步注浆参数控制

（1）以压力能满足工作性能为标准，严格控制注浆压力，防止流动的同步注浆的过大压力对周边地层的影响。

（2）以注浆量能满足填充盾尾间隙为标准，严格控制同步注浆率，以防注浆量过大后挤压劈裂外部地层，注浆量过小后，形成较大的地层损失。

4　结束语

本文通过复合地层盾构施工对周边环境影响的监测，得出了复合地层盾构施工引起地表累计沉降变化与时间的特征关系曲线，得出了复合地层地质条件下盾构掘进对地表的影响规律，以及对既有九华山隧道位移的影响，并进一步提出相应的限制周边环境变形的控制措施。监测分析表明：

（1）南京地铁 3号线新庄站—鸡鸣寺站区间复合地层中盾构穿越流塑状淤泥质粉质粘土及粉土夹粉质粘土地层时，易引发较大的沉降变形，而全断面穿越中风化岩层时，对周边环境影响较小。

（2）盾构穿越流塑状淤泥质粉质黏土及粉土夹粉质黏土地层，需严格控制盾构姿态、总推力大小、同步注浆压力，以此来限制盾构掘进施工应力释放，保障施工对后续固结沉降影响较小。

（3）需严格限制进出土平衡和同步注浆量，以此来限制地层损失量大小，保障施工期对地表变形影响较小。

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责任编辑 朱开明

Monitoring Analysis and Control Measures of Composite Stratum Shield Construction

Jin Hua, Liu Fenghua

Abstract:The paper takes the shield tunneling between the Xinzhuangstation-Jimingsi Temple station in Nanjing metro line 3 as an engineering work example. The field test data are analyzed for the section under various types of the geological conditions for the shield construction and under-passing Jiulonghua tunnel. With the difference in complex strata, it works out that the earth surface settlement patterns under the influence of complex strata in shield construction. With the consideration of complex strata conditions, the paper puts forward thecorresponding control measures on the impact on the environment of construction.

Keywords:composite stratum, shield construction, control measures

中图分类号：U455.43

作者简介：金华（1969—），男，高级工程师

收稿日期2016-03-21