大直径盾构隧道施工对大堤的影响分析

2023-08-28孙小波寿凌超

科技创新与应用 2023年24期

孙小波，寿凌超，庞晋

（1.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，杭州311265；2.浙江明燧科技有限公司，杭州 310000）

随着城市对交通需求量的增加，过江隧道的修建越来越多，结构外径也越来越大，现多采用泥水式盾构法修建超大直径隧道，例如杭州钱江隧道[1]。盾构法有施工安全高效、对周围环境影响小等诸多优点[2]，但仍会对周围土体会产生扰动，引起地层的变化。任瑛楠等[3]建立了地铁下穿钱塘江大堤的三维非线性有限元模型，分析了施工的各个控制措施，提出堤坝沉降主要由土体变形引起，应对土舱压力等参数进行控制；吴为义等[4]通过分析现场实测，并建立有限元模型，发现盾构下穿大堤时的横向沉降槽呈高斯正态分布；杨建刚[5]建立沿江通道工程的数值模型，模拟了大直径隧道下穿导堤的4 种工况，得到盾构隧道的施工顺序对大堤沉降有一定影响；黄海[6]研究了盾构隧道下穿钱塘江对大堤的影响，得到大堤沉降主要在盾构机通过大堤阶段和盾尾脱出阶段引起；李宗梁等[7-8]通过分析过江隧道在盾构穿越钱塘江大堤时的实测数据，并结合Peck经验公式，得到大堤的沉降规律及提出盾构过堤时的沉降控制措施。

本文通过对艮山东路过江隧道附近大堤地表沉降监测数据的整理分析，得到了盾构隧道穿越大堤时对大堤沉降的影响规律。并采用Peck 公式[9]进一步分析隧道穿越对大堤结构的影响规律。

1 工程概况

艮山东路过江隧道位于下沙大桥和江东大桥之间。盾构自大江东始发井始发，穿越钱塘江后，于下沙接收井接收。盾构隧道外径14.5 m，隧道内径13.3 m，管片厚度0.6 m，环宽2 m，采用10 块“9＋1”分块形式，管片采用错缝拼装。盾构隧道穿越地层自上而下主要为杂填土、砂质粉土、淤泥质黏土、含砂粉质黏土、粉质黏土和圆砾层。盾构段埋深为25.3～33.5 m，全断面大部分位于粉质黏土层，表1 为各土层物理力学参数表，图1 为隧道穿越大堤土层的地质剖面图。

图1 隧道穿越土层剖面图

表1 土层物理力学指标

2 地表沉降监测测点布置

下沙段沉降监测点：沿着堤线方向布设4 个监测断面，分别位于堤塘内坡坡脚、堤顶道路、护坦顶面，堤顶断面间距为9 m，每个断面共设45 个测点，以隧道中心线设原点开始，向两侧方向66 m 范围（间距分别为1.5 m，1.5 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，3 m，6 m，6 m，6 m，6 m，12 m）间隔布点，组成观测网络，图2 为监测点平面图，图3 为监测点断面图。

图2 监测点布置平面图

图3 监测点布置断面图

3 地表沉降实测数据分析

大堤的S1、S2 断面为典型的大堤监测断面，结合盾构施工穿越大堤的施工过程，在以下5 种工况时对S1、S2 监测剖面的数据进行统计分析，5 种工况分别为盾构接近时、盾构到达前、盾构通过时、盾构离开时和最终稳定时。图4 为5 种工况下的地表横向沉降曲线图。

图4 大堤沉降随工况变化图

1）盾构接近时（指盾构开挖面距离监测断面为2D左右时，D 为盾构直径），S1 断面处的地表主要表现为沉降，S2 断面处部分地表表现为隆起，但2 个断面处的沉降数值均在0～1 mm 之间，数值较小。

2）盾构到达前（指盾构开挖面距离监测断面为0～2D时），大堤断面处产生沉降槽，最大地表沉降一般位于隧道上方，S1 断面处最大沉降量为1.6 mm，S2 断面处最大沉降量为1.9 mm。其原因主要是施工因素产生的。

3）盾构通过时（指盾构开挖面通过监测断面时），随着盾构的不断推进，土舱压力和千斤顶压力不断增大，使得盾构机与周围土体之间产生摩擦力，引起开挖面处的土体应力释放，从而导致地表沉降不断变大。S1 断面处最大沉降为5.3 mm，S2 断面处最大沉降为5.7 mm，沉降点位于隧道中心偏右约3 m 处。

4）盾构离开后（指盾构开挖面离开监测断面时），横断面处的地表沉降进一步增大，此时S1 断面的最大沉降为7.5 mm，S2 断面的最大沉降为8.7 mm。原因是盾壳与地层之间的摩擦阻力引起盾壳扰动沉降，此外盾尾脱离后盾壳与衬砌之间的间隙也会引起沉降，盾尾处注浆量不足或注浆压力不够，也会引起地层损失。因此在掘进时需要保证注浆充分和控制注浆压力，以防土体产生收缩塌陷。

5）最终稳定时（盾构开挖面离开监测断面10D时），S1 断面最大地表沉降约为8.6 mm，S2 断面最大地表沉降约为10.5 mm。其原因可能是土体固结、次固结和蠕变引起的。

盾构隧道施工穿越大堤时，5 个阶段的沉降量占总沉降量的百分比情况见表2。S1、S2 剖面监测点的前期沉降值分别占总沉降的7%和5%，所占的百分比较小。盾构到达时阶段的沉降占总沉降的14%。大部分沉降主要是在盾构通过时阶段和盾构通过后阶段产生，2个阶段所产生的沉降值分别占总沉降的44.5%和25.5%，为最危险的阶段，沉降变化较大，应加强监测并做好防范措施。后期长期沉降阶段的沉降值占总沉降值的15%，也是不容忽视的。

表2 监测点在各阶段沉降量占总沉降的百分比 %

图5 为S1、S2 剖面大堤地表沉降稳定时横断面图，随着盾构的推进，大堤的地表沉降不断增加，当左线贯通后，S1 断面地表沉降的最大值为8.7 mm，位于左线隧道的正上方，当右线贯通后，S1 断面地表沉降的最大值为11.3 mm，位置仍处于盾构隧道左线的正上方，且大于右线正上方处的地表沉降值。左右线中间处的地表沉降略小于隧道正上方处的地表沉降值，原因是隧道左线先施工，隧道右线施工时会影响左线上方的地表沉降。左线贯通后，S2 断面地表沉降的最大值为10.21 mm，位于左线正上方；右线贯通后，S2 断面地表沉降的最大值为13.4 mm，位置仍处于盾构隧道左线的正上方，大于右线正上方处地表沉降值，左右线中间处的地表沉降略小于隧道正上方处的地表沉降值，原理同上。S5、S40 处的沉降控制在2 mm 以内，可视为盾构隧道施工对该处的沉降无影响，可知盾构隧道对大堤沉降的影响范围为2.3D。

图5 大堤地表沉降稳定时横断面图

图6 为S1、S2 监测剖面横线地表沉降实测值与Peck 公式拟合的比较图。由图可知，监测剖面横向地表沉降曲线的变化规律与Peck 公式的变化趋势相一致，但现场的实测值基本都大于Peck 公式拟合值，可能原因是大堤结构重度大于一般地层，与盾构在其他一般地层中掘进相比，在相同埋深的情况下，在大堤下掘进时开挖面水土压力更大、沉降更大。