复合地层盾构隧道施工环境影响及参数敏感性研究

朱小藻

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京 101110）

1 引言

随着我国城市化进程不断推进，城市地下交通系统建设进入了全面发展阶段，地下铁路、轻轨电车、旅客捷运系统（APM）及地下交通枢纽等地下工程日益增加［1-3］。在上海、广州等沿海一线城市，富水软弱的地质条件和错综复杂的地下环境给地下工程施工带来了大量的困难与风险［4-7］。地铁施工时，由于上软下硬地质、遇水易崩解、含水层分布复杂等特点，盾构施工会对临近构筑物和周围岩土环境产生扰动［8-11］。在花岗片麻岩风化地层中进行车站基坑开挖和区间盾构推进，容易发生流土、管涌、地陷甚至整体失稳等工程事故，尤其在建筑密集区域［12］，地铁施工的潜在风险和环境效应问题更为突出。

广州地铁21号线中新站至中新东站隧道工程，通过工程环境调查和施工数据监控，对风化花岗片麻岩复合地层中双线隧道盾构施工及其周围环境影响进行分析，探究上软下硬复合地层中双线隧道施工的环境影响机制，讨论环境影响与施工参数、措施和地质条件的联系，从而减少隧道施工对周围环境的影响，防止工程地质灾害，同时对广州地区的地下工程施工也有较大的借鉴意义。

2 工程概况

广州地铁21号线工程中新站-中新东站地铁区间全长1.733 2 km，分左右线。中新站线间距24.0 m，中新东站线间距13.0 m。隧道区间分别设1#、2#联络通道。区域A1～A3为右线隧道沉降发展研究区域，B1～B3为左线隧道沉降发展研究区域，平面布置如图1。

图1 广州地铁21号线中新站至中新东站工程平面布置图

3 监测与环境影响分析

3．1 测点布置

左右线隧道每隔5 m设置一个地表沉降监测点，每隔3～5个测点设置一个周围环境监测点，环境监测点沿隧道线路的正交方向向两边布设各两个沉降监测点，每5 m设一个。周围环境地表沉降及隧道变形监测点的布设如图2。

图2 周围环境地表沉降及隧道变形监测点布设

3．2 右侧影响分析

3．2．1 沿线地表沉降分析

图3为右线隧道监测点的地表沉降变化图（共325个）。从图中可以看出，右线隧道沿线地表沉降变化范围在-1.3～-73.88 mm之间，其中一半的测点超过沉降限制30 mm，在工程中进行了紧急注浆加固。

图3 中新站至中新东站隧道右线沿线沉降变化

3．2．2 监测点地表沉降分析

图4～图6分别描述了隧道沿线A1～A3三个区域的沉降发展情况。图5所示，这一区域的沉降变化基本符合隧道开挖地表纵向沉降计算理论，开始地表发生先行沉降和开挖面前沉降的监测值较小，由于盾构推进较快，因而推进沉降在图4中没有明显表现。该区域发生了较为明显的盾尾空隙沉降，而在盾尾注浆完成后，地表沉降大致趋于稳定，后续为固结沉降。图5描绘了A2监测区的地表沉降发展变化。与A1监测区监测点的地表沉降发展明显不同的是，该区域在先行沉降和开挖面前沉降阶段发生了较大的隆起，查阅盾构掘进施工参数后发现，该段盾构土仓压力和刀盘扭矩相较之前而言有较大的增加，因而推测在开挖面到达监测点之前，因为盾构推力参数过大，盾构前方土体受到过度挤压，导致该段土压力失衡，引起监测点地表隆起。总体上看，该段地表在发生隆起之后，最终沉降值减小。在A3监测区，该区域的沉降发展过程呈现出了与其他区域不一样的变化趋势，如图6所示，监测发现在机头到达监测点之前的先行沉降和开挖面前沉降就产生了较大的沉降值，查阅施工参数，由于该段前方掘进速度和刀盘转速较快，在机头到达前，盾构施工已经对开挖面前方的该段监测点软土产生了较大的扰动，导致先行沉降加大。另外，由于该段处于房屋密集区域，根据监测两侧房屋沉降，对两侧房屋邻近隧道一侧进行了紧急注浆，监测数据显示，第15 d到18 d该段地表高程发生了小幅度隆起。

图4 A1区域Y15～Y17-4监测点的地表沉降发展变化

图5 A2区域Y29～Y34监测点的地表沉降发展变化

图6 A3区域Y206～Y209监测点的地表沉降发展变化

3．2．3 横断面沉降槽分析

选取沉降槽有代表性的Y117和Y33两个点进行分析。

图7是监测点Y117处的横断面沉降槽变化图。该监测点的地表沉降槽稳定后均呈“V”字型，隧道轴线处的监测点沉降变化最为明显，从轴线向两边，沉降槽的沉降量逐渐减小，随时间的增加量也相对较小，且两侧沉降较为对称。此外，沉降槽的形成基本集中在盾构刀盘通过后的前6 d，之后沉降槽基本不再发生变化，Y117测点沉降槽凹陷程度较为平缓。

图7 Y117监测点处横断面沉降槽变化

图8 为监测点Y33处的横断面沉降槽变化图。不同于监测点Y117的横断面沉降槽，该处横断面沉降槽在先行沉降和开挖面前沉降阶段发生了较大程度隆起。查阅施工日志，该点处由于隧道管片拼装后隧道左右有错台变形现象。在盾构通过后，对该点隧道两侧进行了注浆，因此在1～7 d时，Y33-1和Y33-3两点沉降量较小，该处上覆土体第四系沉积的黏土和粉细砂，在经历了盾构施工、隆起和注浆挤压等一系列的扰动之后，上覆软土发生较大的扰动，固结沉降较大，导致Y33点的横断面最终沉降槽仍呈“V”字型分布，两沉降槽范围大小则由两点处地质条件和施工参数差异造成。

图8 Y33监测点处横断面沉降槽变化

3．3 左侧影响分析

3．3．1 沿线地表沉降分析

图9为左线隧道监测点的地表沉降变化图（共239个）。地表沉降同右线一样沿线路起伏变化，地表沉降变化范围在-2.1～-78.2 mm之间，大部分超过沉降限制点，施工中进行了注浆加固。

图9 中新站至中新东站隧道左线沿线沉降变化

如图10所示，将隧道区间左右线隧道的沉降曲线放在同一坐标系中比较，由于左线后于右线开挖，左线整体地表沉降值也较大，沉降曲线较右线更低。

图10 中新站至中新东站隧道左右线沿线沉降变化

3．3．2 监测点地表沉降分析

由于右线先于左线开挖，右线开挖对左线开挖及其最终沉降产生较大的影响。因而对左线监测点的沉降发展模式进行研究时，选取右线开挖对左线影响可能比较大的区域进行分析。图11描绘了B1监测区的地表沉降发展变化，在隧道右线相应位置的沉降大致在-25 mm左右，而该区域测点的沉降稳定值在-62 mm左右。除了右线先行开挖对左线产生的土体扰动之外，较大的沉降主要来源于上软下硬地层交界面处开挖产生的土体扰动。该区域隧道底部位于硬岩花岗片麻岩全风化带向较软的砂质黏性土层过渡的位置。盾构在硬岩中切削土体时需要较大的刀盘扭矩、转速和推力。盾构从硬岩向软土层过渡时，仍旧保持较高刀盘扭矩和转速，对上部软土层造成较大扰动，使得软土层固结沉降，造成最终地表沉降增大。图12所示，B2区域隧道右线的监测点发生了较大的地表沉降，同样，在左线对应的位置上也发生了较大的地表沉降，最大处达到了-65.4 mm，该区的地表发展模式为标准的“Mair隧道纵向沉降曲线”。图13描绘了B3监测区的地表沉降发展变化，4个监测点均在开始监测后的第9 d～13 d内发生了明显的沉降回弹，其中两点甚至发生了地表隆起现象。查阅施工日志，盾构在该区域前后穿越了含承压水的花岗片麻岩强风化带。盾构在穿越承压含水层时，由于承压水的影响引起了隧道管片的浮动，施工时对隧道进行了紧急的二次注浆，浆液的注入引起了土层变形的反向回弹，使得地表沉降出现了短时隆起，而在浆液与土层混合加固之后，该监测区的地表沉降又恢复了正常变化趋势，但由于二次注浆的影响，该处周围土体得到了固化，最终沉降较小，最大沉降稳定在-16.1 mm左右，因此沉降曲线的非正常发展主要由二次注浆造成。

图11 B1区域Z111～Z117监测点的地表沉降发展变化

图12 B2区域Z181～Z185监测点的地表沉降发展变化

图13 B3区域Z230～Z234监测点的地表沉降发展变化

3．3．3 横断面沉降槽分析

选取监测点 Z39和Z225两处进行分析。图14～图15分别是监测点Z39和 Z225处的横断面沉降槽变化图。左线隧道横断面沉降槽大多具有不对称发展的趋势，即靠右线隧道的地表沉降比另一侧的地表沉降要大，呈现出“勺状”的沉降槽。Z225测点位置的地表沉降逼近轴线位置地表沉降，这与双线盾构地面变形的“Peck叠加沉降槽”模式十分契合。如图16中加粗黑线所示，双线盾构采用“Peck沉降曲线”相叠加的简化计算理论可得到左线隧道的实际沉降槽曲线，正是呈Z225所监测到的“勺状”模式。Z39横断面距轴线5 m处的地表沉降超过轴线处地表沉降，查阅右线Y39点处最大地表沉降为-40.4 mm，大于Z39点处的-22.0 mm。由于地质条件和施工差异，右线Y39处产生了比左线Z39处更大的独立沉降槽，导致Z39处的沉降槽右侧地表沉降超出隧道轴线沉降，其机理如图17所示。

图14 Z39监测点处横断面沉降槽变化

图15 Z225监测点处横断面沉降槽变化

图16 左线监测点横断面沉降槽成因示意

图17 Z39处横断面沉降槽实际形成机理

4 参数敏感性分析

4．1 灰色关联度分析方法

灰色关联分析方法主要用于判别一个系统中两个因素发展趋势的相似或相异程度，即“灰色关联度”。若两个因素的变化趋势具有较高的相似性，可称两者关联程度较高；反之，若两个因素的变化趋势相似性较低，则称两者关联程度较低。主要包含以下步骤：

（1）数据的无量纲化

首先将反映系统行为特征的指标因素的所有数据建立一个参考数列x′0，将影响系统行为的影响因素的所有数据建立比较数列x′i；将每个因素中的所有数据都除以该因素所有数据的平均值，进行无量纲化处理。

（2）关联度系数计算

所谓关联程度，实际上是各影响曲线之间几何形状的差别程度。因此曲线间在各状态点的差值大小，可用于衡量因素间的关联程度。各点关联系数ξ（xi）可由下列公式算出：式中，ρ为分辨系数，其取值一般在0～1．0之间，ρ值越小分辨能力越好，通常取 0．5；Δi（k）是参考数列与比较数列间差值的绝对值

（3）关联度计算和排序

关联系数是比较数列与参考数列在各个状态点的关联程度值，因此有必要将各个状态点的关联系数集成为一个具体的值。关联度的值取所有关联系数的平均值，记为ri，其计算公式如下：

4．2 参数敏感性

除地质条件之外，盾构掘进时的施工参数也是影响地表沉降的一个重要因素。在上软下硬的复合地层中，隧道开挖时重要的影响因素包括土仓压力、盾构总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、同步注浆量、同步注浆压力、盾构姿态偏移、盾尾间隙量等。广州地铁21号线中新站至中新东站隧道区间右线为实测施工参数与地表沉降，对盾构总推力、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速和同步注浆压力5个施工参数对地表沉降的影响大小按照表1的数据进行灰色关联度分析。

表1 灰色关联度原始数列

得到各施工参数关于地表沉降的灰色关联度为r2≈ r3＞r4＞r1＞r5，具体数值见表2各施工参数与地表沉降的灰色关联度。即对地表沉降各施工因素的敏感性为：土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、总推力、同步注浆压力。

表2 各施工参数与地表沉降的灰色关联度

分析可得，盾构开挖时，对地表沉降影响最大的因素为土仓压力和刀盘扭矩。盾构掘进时，控制土仓压力保证盾构开挖面的稳定，是防止地表过度沉降或隆起最关键的措施。刀盘扭矩和刀盘转速对隧道穿越复合地层时地表沉降的影响也较大，由于所选监测点均位于复合地层中，刀盘扭矩和转速的改变或不均衡均会导致上下地层的超挖和过度扰动。因此，复合地层中保证刀盘扭矩和转速的均衡协调也是减小周围土体过度扰动、降低地表沉降的重要因素。相对于土仓压力和刀盘扭矩、转速，地表沉降对盾构的总推力敏感性较小。相对于开挖时的影响因素，同步注浆压力对地表沉降的影响要小，但不代表同步注浆量对地表沉降的影响不大。

5 结论与建议

通过广州地铁21号线中新站至中新东站隧道施工中的实测数据，分析了盾构穿越花岗岩残积层复合地层时地表沉降发展规律及其与沿线地质间的关系，研究了双线隧道开挖间的相互影响及其沉降槽的变化规律。同时，针对实测中引起较大环境影响的一些问题提出盾构施工的相关注意事项。经过分析研究，可得到以下结论：

（1）现场监测点地表沉降的发展与Mair提出的理论相符，存在先行沉降、开挖面前沉降、推进沉降、盾尾空隙沉降和后续沉降五个阶段。其中先行沉降和开挖面前沉降较小，大概占最终沉降的20%。盾构未达到监测点时，还可能因土仓压力过大造成监测点地表隆起。盾尾空隙沉降是盾构开挖造成地表沉降的主要原因，大致占地表沉降的50%，盾尾空隙沉降一般在一天内完成；后续沉降是隧道开挖引起的超净孔隙水压力消散导致的土体固结沉降，大致占最终沉降的10%。

（2）双线隧道先行线开挖引起的地表沉降槽为“碗状”，沉降中间大，两端小，且左右对称。从隧道轴线向两侧，沉降迅速减小，减小速度先快后慢。双线隧道中后行线开挖引起的地表沉降槽为“勺状”，左右不对称，后行线地表沉降槽形状受先行线影响，最大沉降点偏离双线隧道的中心线，靠近先行线一侧的沉降大，另一侧沉降小。双线隧道中后行线隧道的最终沉降并非“Peck叠加理论”简单叠加的结果，先行隧道开挖对后行线围岩条件引起的地层扰动和超净孔隙水压力等因素都将对后行线隧道周围土体的变形沉降产生较大影响。

（3）地表沉降各施工因素的敏感性为：土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、总推力、同步注浆压力。隧道开挖时，控制土仓压力、保证开挖面稳定是降低沉降的关键措施。同时，保证刀盘扭矩和转速的均衡也有利于控制地表沉降。

（4）复合地层中隧道施工易造成土体超挖、盾构抬头及盾构磕碰等问题。施工时应注意开挖面的土压平衡，改变千斤顶的合理位置，防止盾构机抬头。同时合理掌握注浆压力，使注浆量、注浆流量与推进速度等施工参数匹配，减小盾尾间隙沉降。