南宁富水砂层盾构施工变形规律分析及控制措施研究

廖鹏

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101)

1 引言

目前，对于南宁地区盾构隧道穿越富水砂层的研究不多，而富水砂层是南宁地区比较典型的地层，在施工过程中经常遇到。本文以南宁地铁1 号线某区间为研究对象，结合数值模拟及实测监测数据，总结了富水砂层盾构施工地表沉降的变形规律，分析了造成影响的因素，给出富水砂层盾构施工的地表沉降控制措施，对南宁及相关地区类似地层中的盾构隧道施工具有指导意义。

2 工程概况

本区间隧道为两条单洞单线圆形盾构隧道，线路长1 170 m，线间距13~15 m，曲线半径为800 m；线路埋深14.5~20.7 m；线路最大坡度为23‰，盾构管片外径6 m，宽1.5 m，采用土压平衡式盾构机施工。

本区间主要穿越地层为杂填土①1、素填土①2、黏土②2-1、粉质黏土②2-2、粉质黏土②4-2、软塑状粉质黏土②5-2、粉土③1、粉细砂④1-1、圆砾⑤1-1、卵石⑤1-2、泥岩、粉砂泥岩⑦1-2泥岩、粉砂泥岩⑦1-3。本区间地下水主要有两种类型：上层滞水和松散岩类孔隙水。左右线分别有227 m 和485 m 进入粉细砂层。

3 监测方案

监测按影响程度分3 个等级，隧道正上方0.7H水平距离为强烈影响区（H为隧道埋深）；（0.7~1.0）H水平距离范围为显著影响区；（1.0~1.5）H水平距离范围为一般影响区。监测点主要布置在强烈影响区内，由道路中线向两边对称布设。

对本区间地表沉降进行监测时，监测频率为：掘进面距监测断面前后的距离≤20 m 时，1 次/d；掘进面距监测断面前后的距离≤50 m，1 次/2d；掘进面距监测断面前后的距离＞50 m 时，1 次/周；基本稳定后，1 次/月。

4 实测数据分析

4.1 隧道轴线监测断面分析

隧道轴线监测断面图如图1 所示。

图1 隧道轴线监测断面图

盾构施工引发的地表沉降可分为以下4 个阶段：（1）盾构到达前方，离切口5~20 m，有少量沉降，不超过3 mm，占总沉降量的15%。（2）盾构机开挖至该位置时，又出现进一步的沉降，大约有5 mm，占总沉降量的25%。（3）盾构通过时大约有12 mm 的沉降，占总沉降量的58%。（4）盾尾脱出后，有2.7 mm的沉降，占总沉降量的2%。

监测数据结果与经验相符，不同监测点各阶段的沉降值所占百分比基本一致，沉降绝对值有所差异。

4.2 地表沉降监测横断面分析

如图2 所示，在右线隧道掘进完成后，横断面右侧隧道地表变形大于左侧，沉降最大值-29.6 mm，发生在右线隧道正上方，地表影响范围约36 m。左线隧道掘进完成后，最大沉降量为-39.3 mm，发生在左线隧道正上方，地表影响范围约46 m。

图2 D16 沉降变形横断面

图4 不同注浆系数地表沉降曲线

5 隧道施工FLAC模拟

针对隧道施工建立FLAC 模型，对隧道正常掘进状态、超挖施工状态、注浆量及注浆是否及时等方面进行模拟[1]。

5.1 超挖量对地层沉降影响规律分析

按超挖量分别为40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm 4 种工况进行模拟，得出的沉降横断面曲线如图3 所示，地表最大沉降值依次为18.4 mm、20.5 mm、23.0 mm、25.1 mm、27.0 mm。不同超挖量造成地表沉降趋势基本一致，影响范围基本在50~60 m。

图3 不同超挖量工况沉降横断面曲线

5.2 注浆量对地层沉降影响规律分析

按注浆系数为0.6、0.7、0.85、1.0 且注浆及时的4 种工况进行模拟，得出的地层沉降横断面曲线如图4 所示。地表沉降量与注浆系数成反比，当注浆系数a为0.60、0.70、0.85、1.0时，地表最大的沉降量分别为185 mm、116 mm、77 mm、25 mm。注浆量越少，就会有越多的孔隙难以被填充，从而导致附近大量土体涌入空隙中，开挖所造成的应力重分布其范围会更加广泛，因此，地表容易出现较大的沉降。

5.3 注浆时间对地层沉降影响规律分析

按注浆及时和不及时两种工况进行模拟，得出的沉降横断面曲线如图5 所示。若注浆不及时，引起的地表沉降最大值为44.8 mm，约为及时注浆时沉降量的2.2 倍。由于管片在拼装完成后导致临空面存在时间长，围岩位移释放率大，引起极大的地层损失，所以，不及时注浆会造成地表沉降大。

图5 不同注浆时间地表沉降曲线

5.4 正常掘进地层沉降变形情况分析

按超挖量为60 mm，注浆系数为1.0，注浆及时的工况进行模拟，得出的沉降横断面曲线如图6。右线隧道开挖完成后，地表沉降最大值为-28.8 mm，位于右线正上方，影响范围约为50 m。左线开挖完成后，地表沉降最大值为-40.6 mm，位于隧道中线处，影响范围约70 m，最大沉降量与实测数据较吻合。

6 变形规律总结

盾构在粉细砂地层中掘进轴向上的变化规律为：在监测点距离掌子面较远时，地表沉降量较小，部分区域发生轻微隆起，随着盾构距离监测点越来越近，地表沉降开始增大，当盾构经过监测点一定距离后，沉降量达到最大值[2]。

图6 正常掘进沉降横断面曲线

总结盾构推进4 阶段地表沉降所占比例：（1）盾构机到达监测点前方时该点的沉降量占总沉降量的15%；（2）盾构机开挖至该位置时该点的沉降量占总沉降量的25%；（3）盾构机通过该监测点时的沉降量占总沉降量的58%；（4）盾构穿越完后期沉降占总沉降量的2%。

7 控制措施研究

通过对盾构在粉细砂地层中掘进的各种工况模拟可提出以下控制措施。

7.1 控制超挖量

地表沉降的最大值随着盾构机超挖量的增大而逐渐增加，不同超挖量对地表沉降影响趋于线性[3]，对沉降范围影响不大，施工时可据现场条件选择合适的超挖量，在穿越风险源时应尽量选用小的超挖量，减小推进速度，在非风险源区段穿越时可适当提高推进速度，采用相对高的超挖量[4]。

7.2 控制注浆量

盾构机注浆量越大，地表沉降量越小，注浆量越少，开挖引起的应力重分布的范围更广，地表沉降量及影响范围都随之增加。由于注浆量对地表沉降影响较为敏感，因此，建议盾构机在正常段推进时应采用大于0.85 的注浆系数，在通过风险源时应采用1.0 及以上的注浆系数，严格控制沉降。

7.3 及时注浆

盾构机不及时注浆会明显引起地表沉降增大，主要原因是管片拼装完成后未及时注浆导致围岩位移释放率大，引起较大的地层损失[5]，在本项目条件下，注浆不及时相比注浆及时工况沉降值增大了1.2 倍。因此，为保证盾构推进安全，在全区段都应及时注浆，避免对周边环境造成较大影响。

8 结语

本文依托南宁地铁某区间项目，通过建立精细化三维盾构模型，结合监测数据，量化分析了盾构穿越富水砂地层推进过程的沉降规律及其盾构参数的影响，提出了控制超挖量、控制注浆量、及时注浆等多项富水砂层盾构施工的地表沉降控制措施，望可对南宁类似地层的盾构施工提供指导。