盾构施工引起砂卵石地层变形规律

陈威 朱威 吴爽

（1、华北科技学院，北京101601 2、江苏纵横工程顾问有限公司，江苏 宿迁223800）

随着我国经济水平的迅速提高，城市建设也在迅猛发展，城市用地规模和人口规模不断扩大，特别是一二线城市城市人口规模急剧增长，机动车数量迅速增长，而城市道路基础设施明显满足不了需求。充分利用地下空间是解决城市地面交通拥堵问题，推动城市较好较快发展以及保护环境的最佳方式。

砂卵石地层广泛分布在我国华北以及西南部地区[1-2]。砂卵石地层具有粘聚力几乎为零，卵石分布具有随机性，强度高以及高灵敏度等特点。在砂卵石地层中采用盾构法施工时，地层受到扰动超挖等影响会造成地层损失，细颗粒砂大量流失，卵石接触形成孔洞，容易发生沉降或塌陷，对地面建筑造成不可逆转的影响[3-4]，因此有必要对砂卵石地层隧道盾构施工引起的地层变形以及地面沉降进行分析，以期对类似工程提供参考和帮助。

1 工程概况及地层特性

北京地铁16 号线万寿寺站- 国家图书馆站区间隧道全长1489.947m。纵断面上，万寿寺站- 国家图书馆站区间为倒“V”字坡，埋深范围16～22m。盾构施工从国家图书馆站始发，区间分别下穿南长河、紫竹院内湖、广源大厦停车场，侧穿紫竹桥桥桩，邻近人济山庄大楼等建筑。盾构管片厚0.3m，内径5.8m，外径6m，环宽1.2m，采用错缝拼接方式拼装。

区间地质情况：杂填土层，厚度为1～7m，分布不均；粉土层，厚度约为2m，埋深约为3～8m；粉质粘土层，厚度为2～4m，共有三层，埋深约为4m，10m，12m；砂卵石地层，厚度较大，埋深范围约为10～25m，包含卵石和粉细砂，夹杂少量的粉质粘土。盾构隧道主要穿越砂卵石地层，隧道覆土厚度为16～22m，盾构从国家图书馆站向中间风井掘进，地层压力逐渐增大。

2 大粒径卵石

本段区间隧道范围内，分布的卵石层（主要为卵石⑤层、卵石⑦层、卵石⑨层和卵石1○层）中不均匀分布有大粒径的漂石，其分布规律在空间上具有随机性，无明显的成层规律。根据附近人工探井资料和本次钻探结果，本区间附近地表下10.0～25.00m 之间普遍分布卵石，粒径＞20mm 的卵石约含64.07%，局部分布有大漂石，漂石的分布随机性较强，其中在地面下20.0～25.00m 范围内，漂石含量较多，最大粒径不小于300mm。大粒径卵石会对隧道开挖和注浆加固产生较大影响，处理不妥会对地表环境造成很大影响。

3 砂卵石地层盾构引起的地层变形机理

砂卵石地层结构松散，颗粒粒径大小不均，颗粒间无胶结力，粘聚力几乎为零。卵石分布随机，无规律，卵石间空隙大，被砂砾填充。地层受力主要以卵石点对点的接触进行传力，属于压应力传递，卵石之间的细小颗粒以及水分使得颗粒之间存在啮合摩擦力[5-6]。

由于砂卵石地层具有松散的特性，所以在外界扰动作用下卵石之间的啮合摩擦力很容易发生改变，因此砂卵石地层属于力学不稳定地层。此外在无水情况下，地层受力靠颗粒骨架传力，地层具有较高的灵敏度，受力敏感。当盾构机进行隧道掘进时必然会造成围岩扰动，如果掌子面压力不足或者排土量大于削土量，那么位于掌子面上方便会产生较大空洞区。由于卵石地层的骨架效应较好，在空洞区会产生临时土拱，在一定时间内具有自稳性，地层中的细沙会从卵石颗粒间下落，当这个临时拱再受到扰动时又会被破坏，拱上方土体塌落又会形成新的临时拱。如此反复，由于隧道开挖引起的地层损失将传至上一土层最终传至地面形成沉降或塌陷。

4 盾构施工地层变形表现形式

盾构法施工引起的地层变形按照时间效应主要可以分为五个阶段：由于盾构机扰动或掌子面压力过大引起的开挖面之前位置的沉降或隆起，称为先行沉降；受到盾构机掘进影响导致的地层损失所引起的沉降或隆起，称为到达时沉降；盾构机刀盘到达检测断面，到整个盾构机通过是产生的沉降，盾构机在推进过程中盾壳与土体之间产生滑动剪切，导致土体产生侧向滑移，由此产生的地层变形称为通过时沉降；盾构机的盾壳直径要略大于管片直径，因此会产生空隙导致土体应力释放，产生弹塑性变形，由此产生的地层变形称为盾尾空隙沉降；施工结束后土体应力重分布，土体产生固结沉降，受到扰动的土体也会产生蠕变现象，产生次固结沉降，称为长期固结沉降。

5 模拟实验

根据地层信息选取合适区段进行研究，利用Midas 软件建立了一个（长×宽×高）70m×24m×50m 的模型，如图所示。根据文献岩土体视为半空间无限体，隧道对于大于其3～5 倍范围的土体影响较小，模型以外变形不予考虑。模型前后、左右和底面分别设置y 方向、x 方向和z 方向的约束，顶面为自由面。模型施加自重应力，采用摩尔- 库伦模型模拟岩土材料，采用弹塑性单元模拟管片，管片厚度为300mm，弹性模量为3.0×104MPa，泊松比0.2。模拟施工采用开挖- 盾壳支护- 管片支护的流程，共24 步。

6 数值模拟数据分析

隧道纵向地表沉降历时曲线与上文提到的变形曲线趋势一致，也大致可分为五个阶段，但由于数值模拟无法真实模拟出土拱效应，所以模拟数据与下文实测数据有所差别，但整体走势一致。隧道开挖对横向地层影响较小，反弯点距开挖轴线较近，所表现出的凹陷很明显。盾壳上部收到的压力为负，盾壳两边所受压力较大。这是由于土拱效应形成盾壳上部出现空洞，土拱的拱脚作用于盾壳两边，导致盾壳两边所受压力较大。

7 盾构施工现场监测分析

万寿寺站～国家图书馆站区间盾构隧道每10～20 环在地表设置一个横向检测断面，每个断面设置8～12 个检测点。3 个隧道轴线正上方的监测点。三个测点的沉降历时曲线基本一致，都可以分为上文述的五个阶段，现取DB24-08 测点进一步分析。

第Ⅰ阶段的沉降量较小，在开挖面前方约有0.25mm 的隆起现象，这是由于掌子面的压力稍大引起的，而在距刀盘前较远处已产生地层变形说明砂卵石地层具有敏感性，随后由于盾构开挖的扰动在刀盘到达测点之前已有一部分的先行沉降，这部分的沉降量较小。

随着盾构机的推进，刀盘到达测点位置，切削土体导致地层损失，地表沉降速率变大，沉降量迅速增长，约为6mm。

在盾构机在通过时由于前一阶段土体已有地层损失，在此阶段由于卵石的特殊属性，地层产生了临时性的平衡土拱，抵抗了地层的进一步变形。

在盾构机通过时由于存在盾尾空隙以及临时拱的破坏导致地层变形进一步的增加，而且增加速率较大，其中在第Ⅳ阶段可以看出有一小段的平台段，根据上文介绍这是由于临时拱在破坏后，地层进一步变形，而地层损失又会导致此临时土拱之上又产生新的临时土拱，从而阻碍了地层的进一步变形。

在第Ⅴ阶段，由于盾构机远离了检测面，盾构机对此位置的土体影响很小，土体应力重分布，产生固结沉降，同时也伴随着蠕变现象，最终地层趋于稳定。

图1 实测点沉降量历时曲线

图2 测点DB24-08 沉降量随开挖面变化关系曲线

8 结论

以北京地铁16 号线万寿寺站～国家图书馆站区间隧道土压平衡式盾构法掘进为研究对象，结合土拱效应理论以及砂卵石的特殊性质对砂卵石地层隧道开挖引起的地表沉降进行分析及规律总结，得到以下几点结论。

（1）由于砂卵石地层的特殊性质，砂卵石地层对于扰动具有敏感性，盾构机在砂卵石地层中掘进引起的地表沉降具有明显的滞后性，盾构机通过时沉降曲线有一段平台，地表沉降不明显。（2）砂卵石地层地表横断面沉降槽较窄，反弯点距隧道中心较近，表现出明显的凹陷型。（3）在盾构机脱出后沉降速率迅速变大，但由于土拱效应存在，沉降曲线不连续。这一阶段的沉降累计值较大，沉降速率大，具有较大的危害性。