大直径泥水平衡盾构穿越砂性地层沉降控制分析

包雨生,李 策,梁敏飞,王士民

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

隧道修建不可避免地会引起地表变形[1-3]，随着国内城市逐步完善轨道交通网，近年来大直径盾构已广泛应用于城市地铁建设中[4]，针对大直径盾构施工对地层扰动的分析日渐增多[5-7]。王国才[8]、唐晓武等[9]用数值软件与理论解析，研究了盾构施工引起的地层变形及其变化规律；王非等[10]利用数值软件分析了注浆压力与掌子面推力等施工参数对地表沉降的影响；黄平等[11]结合上海迎宾三路隧道开展的13.95 m大直径盾构现场实测研究的结果表明，盾构掘进过程中掌子面推力与注浆压力在大直径盾构施工中均为重要参数，而盾尾注浆压力对地表变形的影响更为明显。

同步注浆引起的地表沉降值大小受注浆压力值大小、隧道开挖半径等因素的影响[12]，而浆液自身沿隧道纵横向的填充效果也会影响隧道周边地层变形与地表沉降[13]，但对于隧道开挖到某一时刻的状态，可人为改变的因素只有注浆压力值，因此可通过调整注浆压力大小实现对地表变形的控制。

结合武汉轨道交通8号线一期工程越江标段建设中开展的地层沉降现场监测，以大直径泥水平衡盾构穿越砂性地层引起某断面产生较大地表隆起为例，结合监测数据探讨盾构穿过该断面过程中盾尾同步注浆压力对该断面地表变形的影响，并通过数值计算得到较为合理的注浆压力，为类似地质条件下盾构同步注浆的压力取值提供参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

武汉轨道交通8号线一期工程越江标段，于武昌区徐家棚站始发，汉口区黄浦路站接收，纵断面示意见图1。

图1 武汉市轨道交通8号线一期工程越江隧道纵断面示意

隧道采用12.51 m直径泥水平衡式盾构进行开挖，盾构最大耐压0.8 MPa，管片外径12.1 m，内径11.1 m，壁厚0.5 m，混凝土强度等级为C50。管片环分为8块，结构形式为5块标准块+2块邻接块+1块封顶块。隧道下部结构采取预制箱涵+现浇钢筋混凝土回填的结构形式，箱涵以上部分采用30 cm厚现浇二衬，双线间设置中隔墙，顶部设置烟道板，中隔墙中部设置紧急疏散平台。结构横断面布置如图2所示。

图2 隧道横断面示意

盾构越江作业时穿越地层以粉细砂为主，开挖至江中最深处时需穿越强风化砾岩与弱胶结砾岩层，此时最大计算水土压力值达0.67 MPa。出江后盾构作业穿越地层仍以粉细砂为主，由于距离长江较近，地层水头与长江水位联系紧密。

图3 地表沉降监测点布置

盾构出江后开展了施工扰动下地表沉降现场监测，于DK10+640里程处开始布设沉降监测点。测点编号格式为DBCM-N，其中M表示测点在隧道纵断面上的位置，N表示测点在地表横断面上的位置，如DBC03-01为DK10+620里程上北侧01号点，见图3。为了研究盾构下穿砂性地层对地表沉降的影响，定期对测点数据进行采集与处理。分析各断面测点数据时发现在盾构下穿DK10+620断面过程中，该断面上部地表产生了较大的隆起，最大隆起值为23.55 mm。随着盾构向前掘进逐渐远离该断面，该断面最大隆起值虽然呈减小趋势，但始终大于10 mm。

下面以盾构下穿该断面为例，分析盾构下穿砂性地层对地表隆陷的影响，该断面附近地表沉降监测点布置示意见图3。

1.2 监测断面信息

DK10+620断面位于汉口岸边段，距离长江岸边约230 m，隧道埋深约31 m，该断面地质剖面见图4，地层土体物理力学参数见表1。

图4 DK10+620断面地质剖面(单位：m)

上覆土层天然重度/(kN·m-3)内摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比地层厚度/m素填土18.66.012.00.405.3粉质黏土18.69.916.50.358.7粉砂19.430.000.306.8粉细砂19.432.000.3010.2

2 地表上隆分析

2.1 测点沉降历时曲线

对DK10+620断面测点进行沉降历时曲线拟合分析，如图5所示。纵坐标正值表示地表隆起，负值表示地表沉降；横坐标正值表示盾构通过后刀盘距断面的距离。根据曲线可知，该处地表呈现先微量沉降，然后大幅度隆起，随后逐渐稳定的规律。

图5 测点沉降历时曲线

由于盾构掘进过程中盾构与地层土体相互作用复杂[14]，刀盘切口附加推力、盾壳与周围土体的摩擦、盾尾同步注浆等因素均会影响地层位移。

分析盾构掘进逐渐接近DK10+620断面的过程，这段时期地表沉降主要受刀盘切口附近推力控制[15]，推力过大会造成开挖面前方地层隆起，过小则会造成掌子面失稳，上方地表产生较大沉陷。由图5可知，在盾构到达前DK10+620断面附近地表位移绝对值较小，地表隆陷均不超过5 mm，说明刀盘切口推力大小合理，未对掌子面前方地层产生过大扰动。

接下来分析盾构通过DK10+620断面的过程，由图5可知，在盾构通过后，地表产生了大幅度的隆起。盾尾注浆压力会引起地表隆起，且不可忽视[16]，那么在地表出现大幅度隆起的情况下，盾尾注浆对地表的影响更加重要。

随着盾尾临近，测点断面附近地表普遍产生隆起，盾尾同步注浆后地表隆起最为明显，其中位于隧道轴线上方处的DBC03-05测点隆起值最大，为23.5 mm。之后随着注浆压力消散，地表隆起值呈减小趋势，由于盾构穿越砂土地层，盾构通过120 m后地层表形已基本稳定，此时测点DBC03-05隆起值降至17.1 mm，比该点峰值小27%，其他测点降幅17%～48%。

2.2 沉降槽分布曲线

分析盾构不同施工状态下DK10+620断面的沉降槽曲线(图6)。由图6可知，在盾构尚未到达断面时，地表呈现接近中轴线位置略微沉降，距离中轴线较远处略微隆起的状态，地表变形幅度较小。盾尾同步注浆之后，地表整体呈现不同幅度的隆起，轴线处隆起最为明显，前后变化值接近30 mm。

图6 断面沉降槽曲线

结合图5与图6中曲线的变化规律，盾尾注浆压力对此影响最为显著。分析实际施工过程的施工参数，盾构于江中段作业时注浆压力控制在0.70～0.80 MPa，于DK10+620断面附近作业时注浆压力范围为0.65～0.75 MPa，后者取值比前者小0.05 MPa。初步判断可能由于盾构出江后注浆压力调整幅度较小，盾尾同步注浆压力仍处于较高水平，从而由于注浆压力过大，导致地表出现大幅度隆起且短期内无法恢复至较小的水平。

为了验证上述现象是否由盾尾注浆压力过大引起，下面采用数值软件反演盾尾注浆压力对地表沉降值的影响，并对注浆压力进行优化，获取较为合理的压力取值范围。

3 数值计算分析

3.1 模型参数

采用ANSYS有限元数值分析软件进行建模计算，参照实际施工时的相关参数，建立高90 m，宽度为120 m，纵向长度60 m的计算模型，模型中隧道埋深31 m，管片内径11.1 m，外径12.1 m，注浆圈外径12.51 m。数值模型如图7所示。

图7 数值模型

模型采用SOLID45 单元模拟地层土体、管片与注浆圈，其中管片与注浆圈均设为弹性材料，地层土体采用D-P本构模型。考虑管片接头对管片衬砌结构刚度的削弱作用，将管片横向抗弯刚度进行折减，折减系数取0.8。各材料参数见表2。

表2 数值模型材料参数

隧道采用每步2 m分步式开挖，并模拟实际开挖施加掌子面顶进压力与盾尾注浆压力。掌子面顶进压力采用泥水平衡盾构机实际泥水仓压力模拟，大小为0.397 MPa；盾构掘进时盾尾同步注浆压力为0.65～0.75 MPa，分别计算压力为0.65 MPa与0.75 MPa两种工况，与实测值进行比较。

3.2 注浆压力反演分析

计算时挖通60 m隧道，提取盾构通过后已经稳定的沉降槽曲线，而实测数据中盾构通过120 m左右时各测点数值已基本稳定，将计算值与实测值作图对比，如图8所示。

图8 地表沉降槽对比曲线

由图8可知，3条曲线的极值从大到小分别为22.7、17.1、10.6 mm，均位于隧道轴线处，接近轴线处的实测地表沉降值与计算值吻合较好，数值介于0.65 MPa与0.75 MPa计算值之间。距离稍远的测点由于沉降值本身较小，施工及周围环境的影响产生的扰动会极大影响测量精确性，因此实测值略小于计算值。

稳定后的地表沉降实测值与计算值的对比，一定程度上反映了DK10+620断面处同步注浆压力对地表隆起的影响，为了减小注浆压力过大对地表变形的不利影响，下面对模型的注浆压力进行进一步优化分析，探求该断面较为合理的注浆压力。

3.3 注浆压力优化分析

由于实际注浆压力过大，现将注浆压力向下取值，以0.05 MPa为梯度，取至0.40 MPa，设置0.60 MPa、0.55 MPa、0.50 MPa、0.45 MPa、0.40 MPa共5组注浆压力值，分析不同注浆压力下盾尾同步注浆对地表变形的影响。

取各工况下隧道挖通后较稳定的地表沉降值，得到如图9所示的不同注浆压力下的地表沉降槽曲线。由图9可知，当注浆压力为0.60 MPa时，变形稳定后地表仍出现隆起；当注浆压力减小至0.55 MPa以下后，变形稳定后地表呈沉降形式，沉降值的大小随着注浆压力减小而增大。

图9 不同注浆压力下地表沉降槽曲线

对于隧道开挖引起的地表沉降，地铁行业普遍认为应控制在-30～10 mm内，即地表沉降不超过30 mm，地表隆起不超过10 mm。参考这个标准，当注浆压力控制在0.40～0.60 MPa内均是符合标准的，但盾构实际施工过程中可能产生地层损失、盾壳与周边土体的摩擦、强透水砂性地层盾尾注浆时浆液渗流等问题，均会增大地表变形的幅度。为了将地表变形控制在较小的范围内，合理的注浆压力应取0.55 ～0.60 MPa。分析注浆压力为0.55 MPa与0.60 MPa的隧道轴线方向地表沉降曲线，如图10所示。由图10可知，在盾构刀盘到达前30 m至通过后30 m的期间内，地表隆陷均不超过10 mm，说明上述注浆压力取值合理。

图10 轴线方向地表沉降曲线

类似地质条件下大直径泥水平衡盾构同步注浆时，可参考本文建议的注浆压力取值，以免引起因盾尾注浆压力过大或过小而破坏土体被动或主动极限平衡状态，导致地表过量沉降或隆起的问题。

4 结论与建议

结合武汉轨道交通8号线越江区间段建设，通过对大直径泥水平衡式盾构穿越砂性地层施工扰动下的地层沉降现场监测分析，结合数值计算，得到以下结论。

(1)盾构掘进过程中部分地表产生隆起，且稳定后隆起值较大，其中DK10+620断面附近隆起最为明显，结合盾尾脱环、同步注浆等施工过程进行分析，同步注浆压力过大是造成地表隆起的主要原因。

(2)通过数值计算反演分析不同注浆压力条件下盾构掘进引起的地层变形，获得了导致地表隆起的同步注浆压力量值，与实际施工参数相吻合。

(3)考虑到实际施工过程中诸多不确定因素的影响，参考数值分析结果，得到了大直径泥水盾构穿越相似地层时盾尾注浆压力的合理范围，为0.55～0.60 MPa。