关键层理论在河漫滩地层盾构施工控制地面沉降中的应用

2021-11-04中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司上海200135

建筑科技 2021年2期

任帅（中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海 200135）

盾构法因其施工过程中不影响地面交通，对各种复杂地质条件适应性强，施工速度快且对地面建（构）筑物影响小而在地铁隧道的施工中得到越来越广泛的应用。但是，盾构施工过程中穿越重要建筑物或者穿过一些特殊地层时，不可避免的地表沉降会产生一些质量或者安全隐患[1]。

盾构施工地面沉降的主要成因有两方面。一是施工期间的地面沉降，二是受扰动土体的工后地面沉降。施工期间地面沉降产生的原因主要是土体损失、正面附加推力、盾壳摩擦力和纠偏等。国内学者对施工期间产生的沉降研究较多；事实上，受扰动的工后地面沉降为长期、缓慢的沉降过程，国内学者对此研究甚少。但是有学者研究发现盾构隧道处于软弱、高含水的土层中时，工后地面沉降会相当显著。国外学者 Shirlaw 在大量隧道实测数据的基础上总结得出，工后地面沉降可占总沉降量的 30%～90%。若对工后地面沉降不引起足够重视，有可能引起严重的岩土工程问题。

山西省太原市地铁 2 号线化章街站-通达街站-康宁街站区间单线全长 2 264 m，覆土厚度 10～17 m，地貌单元属汾河漫滩平原区，距离汾河约 2.5 km，潜水埋深 1.2～4.5 m。区间穿越地层主要为粉质黏土、黏质粉土、粉细砂、中砂。两区间均分布有饱和粉细砂土层，化-通区间液化等级为“轻微-中等”，通-康区间液化等级为“中等-严重”。液化土层在区间内分布与隧道位置关系如图 1、图 2 所示。区间隧道均采用土压平衡盾构机施工，管片外径为 6.2 m，管片环宽 1.2 m，管片厚度为 0.35 m。

图1 化章街站-通达街站区间液化土分布纵断面图

图2 通达街站-康宁街站区间液化土分布纵断面图

针对太原市地铁 2 号线 202 标段区间隧道存在液化土层的问题而言，盾构施工后受扰动的土体工后地面沉降较大。本文一方面通过对盾构推进过程孔隙水压力的影响范围进行检测，另一方面则利用岩层力学的关键层理论对太原市地铁202 标区间（化章街站-通达街站-康宁街站）隧道工后的地面沉降问题进行初步理论研究，以达到指导后期施工的目标。

1 研究方法

化章街站-通达街站-康宁街站区间隧道穿过的地层为粉细砂、黏质粉土、粉质黏土，由于土体的非均质性、各向异性，使得对隧道施工引起的地表沉降准确预测和预防变得非常困难。通过对盾构施工过程粉细砂层地层孔隙水压力的监测，得出盾构施工对孔隙水压力扰动的范围，进而对盾构注浆范围提供指导作用。

通过注浆，对隧道上方土体进行加固，改变土体的力学性质，可将被加固土体看作一个“板”的结构，使用关键层理论对隧道上方地表沉降进行研究[1]。

由于岩体中的岩石均是分层的，所起作用不同，其分层特性也各有差异。一些较硬的、厚度较大的岩层起到“骨架”作用，承载主体的重量，并在岩层控制中起主要作用。因此，将把其称作关键层[2]。正是由于这种控制作用，所以在其上部的全部或者局部岩层的下沉变形是彼此一致的，上部岩层也会随着关键层的破断而产生整体移动[3]。

研究表明，隧道拱顶上方土体变形过大对地表沉降影响最大[4]，因此，可以将隧道拱顶的黏质粉土层作为控制层。利用注浆法对黏质粉土层进行加固，使之达到一定强度，形成 “弹性薄板”，作为控制沉降的“关键层”。

2 粉细砂地层中盾构施工孔隙水压力原位监测

2.1 孔隙水压力原位监测布点方案

本次原位监测布点选取了化-通区间右线隧道的 4 个监测断面，即 YDK 8 ＋ 850、＋ 860、＋ 870 和＋ 880。选取了通-康区间双线隧道的 2 个监测断面，YDK 9 ＋195 和＋205。在右线隧道拱顶上方埋设 3 个孔隙水压力计，隧道右侧 1 m 埋设 4 个孔隙水压力计，对应隧道下部、中部、顶部和上部各一个。在左右线隧道拱顶上方各埋设 3 个孔隙水压力计，左线隧道左侧 1 m，右线隧道右侧 1 m，左右线隧道中间各埋设 4 个孔隙水压力计，对应隧道下部、中部、顶部和上部各一个。

2.2 现场数据采集

试验仪器于 2018 年 3 月 26 日埋设完毕，振弦传感器初始值连续 3 d 读数差＜ 2 kPa 即开始化-通区间数据采集，采用 32 通道无线数据自动采集系统。此时，化-通左线已贯通，化-通右线掘进至 780 环，开挖面里程 YDK 8 ＋750，测试区最近断面 K 1（YDK 8 ＋ 850）位于盾构切口 103 m 处。监测至 2018 年 4 月 16 日结束，此时盾构已顺利接收，贯通里程为 YDK 8 ＋ 936，离开监测区 K 4 断面（YDK 8 ＋ 880）约 56 m。测试大约 20 d 后，采集到盾构通过监测区过程中孔隙水压力的数值。

通-康区间于 2018 年 4 月 10 日开始数据采集，采用 32通道无线数据自动采集系统。此时通-康区间左右线均未始发，始发里程 YDK 9 ＋ 168，盾构切口距测试区最近断面K 5（YDK 9 ＋ 195）约 27 m。监测至 2018 年 6 月 1 日结束，此时左线掘进至 425 环，开挖面里程 YDK 9 ＋ 680，离开监测区 K 6 断面（YDK 9 ＋ 205）约 475 m，右线掘进至 42 环，开挖面里程 YDK 9 ＋ 219，离开监测区 K 6 断面（YDK 9 ＋ 205）约 14 m。测试大约 50 d 后，采集到盾构通过监测区过程中孔隙水压力的数值。

2.3 孔隙水压力原位监测数据分析

（1）隧道纵向监测点孔隙水压测试分析。隧道纵向监测点沿掘进方向依次为 K 1（K 1＇）、K2（K2＇）、K 3（K 3＇）、K 4（K 4＇）（对应里程 YDK 8 + 850、YDK 8 +860、YDK 8 + 870、YDK 8 + 880）。K 1 ～ K 4 位于隧道拱顶上方，每个测控均设 A、B、C 3 个测点，A 点距隧道开挖轮廓顶部 1.0 m，B 点位于A点正上方 1.5 m，C 点位于 B点正上方 2.0 m。K 1＇～ K 4＇位于隧道侧向，每个测控均设 A、B、C、D 4 个测点，B 点与隧道中心线高度一致，A点位于 B 点下方 4.1 m，C 点位于 B 点上方 2.05 m，D 点位于 C 点上方 2.05 m。图 3 为 K 1 断面孔隙水压变化曲线。

由图 7 可知，K 1 断面空隙水压在盾构施工过程中变化比较大。其变化过程分为 3 个阶段。第一阶段为切口到达监测断面前的过程，第二阶段为盾构到达监测断面到盾尾离开断面过程，第三阶段为盾尾离开监测断面的过程。

图7 K 1 断面孔隙水压变化曲线

第一阶段和第三阶段的变化均比较平缓。第二阶段时，当盾构到达监测断面时孔隙水压力变化速率增大很快，孔隙水压力的峰值出现在盾尾离开 K 1 监测断面时，K 1 A 测点 138.07 KPa、K 1 B 测点 109.93 KPa、K 1 C 测点 71.46 KPa、分别为切口到达时孔压值的 2.05、1.51、1.72 倍。

整个过程中，随着距离隧道开挖轮廓由近及远的 A、B、C 3 点的孔隙水压力始终有 A＞B＞C。盾构离开 K 1 阶段产生的孔隙水压如下。K 1 A 测点为 68.46 KPa、K 1 B 测点为 57.61 KPa、K 1 C 测点 36.76 KPa。

分析盾构通过 K 2、K 3、K 4 断面时空隙水压力的变化曲线，可知其趋势与通过 K 1 时趋势相同。

（2）隧道横向监测点孔隙水压测试分析。重点测试断面K 5（YDK 9 ＋ 195)，横断面单侧有 5 个监测孔位，共埋深5 组孔隙水压力计。图 4 所示为 K 5 断面隧道侧向孔压同一高度、同一时间变化曲线。

图4 左线推进 K 5 断面横向测点孔压变化时程曲线

左线推进隧道横向侧向测点 K 5-1 D、K 5-2 A、K 5-3 D、K 5-4 A、K 5-5 D 孔压变化曲线显示，盾构切口临近时，K 5-1 D、K 5-3 D、K 5-5 D 孔压较原来有所增长，分别为 10.42 KPa、14.83 KPa、15.46 KPa，K 5-4 A 因距离远，埋深浅孔隙水压几乎未受到影响，孔压为 3.74 KPa，位于正上方的 K 5-2 A 孔隙水压受影响最大，为 45.3 KPa。