砂岩复合地层中盾构施工对地表沉降影响研究

王朋朋，商兆涛，夏琴 （芜湖市轨道(隧道)交通工程质量安全监督站，安徽 芜湖 241000）

1 引言

城市建设的迅速发展已使得地上空间难以满足不断增长的建设需求，地下空间的开发成为不可忽视的趋势。在此背景下，盾构法因其高效、安全以及对环境的友好性等特点，逐渐演变为城市隧道建设的首选技术[1]。然而，考虑到盾构穿越地层地质条件的多样性，主要分为单一地层和软硬复合地层，由此导致盾构施工引起的周围土体或岩体变形规律呈现出复杂多样性。在多种复杂地层中施工时，若施工参数（如掌子面压力和注浆压力等）无法正确调整，可能会导致开挖面破坏和地表塌陷，从而对施工安全和建筑物稳定性构成威胁[2]。

已有许多国内外学者采用多种研究方法，探讨了盾构穿越复合地层时的地表沉降规律。在数值模拟上，袁侨蔚、郑世杰等[3-4]分别对盾构穿越砂土地层和复合地层进行了模拟研究。在模型试验方面，王俊等[5]通过室内模型掘进试验和离散元数值模拟，针对砂卵石地层和上软下硬地层，深入研究了由超挖引起的土体扰动规律。而在解析法方面，尽管随机介质理论和Mindlin 解[6-7]更适用于均质地层，但其被应用于分析隧道开挖对地层的扰动。

本文将大直径盾构穿越多种地层类型作为研究对象，综合考虑了工程地质条件和实际施工参数，构建了精细的三维计算模型，通过调整掌子面砂岩层的比例，深入探讨了盾构穿越不同地层对地表沉降的影响。这些研究结果为应对多样化复杂地质情况下的盾构穿越提供了有价值的指导。

2 工程概况

芜湖城南过江隧道位于安徽省芜湖市，穿越长江皖江段的“大拐弯”地段，是省内首条过江隧道，其平面位置布置如图1 所示。总工程长度达5.965km，始于江北新城纬一路，止于江南主城连接大工山路。其中，盾构段约占4.000km，道路标准为城市快速路，设置双向六车道。工程选用了两台直径为15.07m 的大直径泥水盾构机进行掘进，隧道的内径为13.3m、外径为14.5m，每块管片的宽度为2.0m，隧道的最大纵坡限制在4%以内。左右线隧道不同时始发，右线隧道先行掘进，于2021 年11 月启动，左线于2022 年4 月始发。在正常施工条件下，左右线开挖面的纵向距离均大于100m，相互之间的影响较小。考虑到后行掘进的左线对右线开挖面的影响较小，并且右线开挖面的沉降监测数据更符合“V”型分布特征，本文选取右线先行隧道作为研究对象进行研究。

图1 过江隧道平面布置图

隧道施工前对现场地质进行了详细的调查，隧道所穿越的地质层主要包括粉砂、细砂、风化粉砂岩、石英砂岩、泥质粉砂岩和凝灰角砾岩等，地质条件异常复杂，地质纵断面分布情况如图2 所示。由地勘报告可知，主要地层的物理力学性质详见表1。由于隧道所处地层的物理力学特性存在较大的空间变异性，故其地层强度表现出显著的不均匀性。在盾构穿越多种复杂断面的过程中，盾构机施工参数（如掌子面的附加推力、扭矩、角度等）设置不合理，都可能导致盾构工作面的不稳定。对重点监测的地表沉降影响极其敏感，围岩在此情况下很容易发生坍塌和变形，还可能引发涌水和突泥现象，这进一步增加了沉降控制的难度。

表1 场区地层岩土参数

表2 盾构及衬砌参数表

图2 盾构穿越段地质剖面图

本文以右线隧道掘进为研究对象，盾构分别穿越全断面砂层、软硬复合地层和全断面岩层，施工现场全线布置地表沉降监测点，测点布置图如图3 所示，其中监测点688DC 为盾构穿越全断面砂层位置。

图3 监测点布置图

3 沉降控制数值模拟

3.1 建立有限元模型

本研究以双线隧道盾构施工为基础，建立了以两隧道轴线为中心对称的三维有限元模型。一般情况下，盾构施工引起的地表沉降影响范围为隧洞两侧3～5 倍洞径。为了模拟在不同地层中的掘进，设定最大轴线埋深为50m 左右，故模型的尺寸设定为120m（长）×60m（宽）×100m（高），基本涵盖了掘进过程中的影响范围，同时在模型的建立过程中充分考虑了边界效应。模型中地层均被设置为水平均匀分布，在隧道掘进过程中，埋深保持不变，主要通过调整隧道开挖面的砂层和岩层占比来研究盾构穿越不同地层时对地表沉降的影响，图4为砂岩占比为2:1和1:2的情况。

图4 数值计算模型图

通过在模型中土体与盾壳最外层设置接触面，以模拟掘进过程中盾壳与土体之间的摩擦作用。在掘进正前方和盾尾处，通过设置面荷载来模拟掌子面的附加推力和盾尾注浆压力。不同于中小直径盾构机，大直径盾构机在掘进过程中的掌子面附加推力分布不均，在数值模拟中假设掌子面推力由上至下呈线性递增，盾尾注浆压力也根据注浆孔位置的不同由上至下递增，荷载设置如图5所示。

图5 荷载布置图

考虑到管片长度为2m 一环，为了保证与实际开挖一致，在模拟中采用了2m 循环开挖的方式，每次向前开挖2m。在开挖过程中，掌子面施加由上至下线性递增的水平推力，盾尾施加环向消散的注浆压力。完成上一环开挖计算后，首先移除上一环的掌子面附加推力和盾尾注浆压力，然后再向前开挖2m，并施加该环的掌子面附加推力和盾尾注浆压力。依此循环向前进行，直至开挖完成，共计30个开挖步。

3.2 选取盾构参数

摩尔库伦模型是一种普遍使用的岩土本构模型，适用于在剪应力下发生屈服，但剪应力仅由最大和最小主应力确定，并且第二主应力不对屈服产生影响。在本模型中，土体采用摩尔库伦模型，同时根据地勘结果按照表1 中的土体参数进行设定。采用空模型来模拟土体开挖，考虑到周围土体与盾壳之间呈现刚性接触，受荷载作用可能产生滑移和分离。因此，将法向刚度和剪切刚度设置为周围“最硬”相邻区域等效刚度的10倍。

在实际施工过程中，同步注浆压力被设定为0.3～0.5MPa，同时会根据监测结果进行适当调整。同步注浆量充填系数范围在180%～250%。基于实际掘进过程中的掌子面附加推力参数，将数值模拟中的推力设定为200kPa。推力会沿隧道拱顶到拱底线性递增20kPa/m。盾尾注浆压力根据现场实际监测，设定为200～300kPa。环形应力被分为三部分，上部注浆孔压力为200kPa，中部注浆孔为250kPa，底部注浆孔为300kPa。

3.3 验证模型

为了验证模型合理性，本文选取668DC 监测断面的监测数据与数值模拟结果进行对比，该断面为盾构穿越全断面砂层，砂层占比为100%，对比结果如图6 所示。由图6 可知，地表横向沉降在砂层占比为100%的数值模拟结果与监测数据分布规律基本一致，呈“V”型分布，最大地表沉降值都在隧道轴线处。其中，现场监测地表沉降值略大于模拟值，可能是由于隧道开挖过后隧道轴线处地表仍处于蠕变状态，沉降持续缓慢增加，而模拟过程中未考虑到蠕变效应。尽管隧道轴线处最大沉降值存在一定差异，但通过地表沉降监测值和模拟值的整体分布规律以及最大沉降值差异不明显，证明了本文模型作为后续研究模型的合理性。

图6 模型验证结果图

4 砂岩占比对地表沉降影响分析

为了研究隧道开挖面砂岩层占比对地表沉降的影响，将模型中隧道掌子面的埋深保持不变，通过改变软硬地层厚度分别研究砂岩层占比不同时隧道掘进对地表沉降的影响。同时由于隧道开挖过程中掌子面附加压力会随着开挖面土层情况的不同而改变大小，故也考虑附加推力对地表沉降的影响，具体工况见表3。

表3 计算工况

4.1 隧道纵断面地表沉降分析

盾构施工在不同开挖步下对隧道纵断面地表沉降影响曲线如图7 所示，在开挖到第2 环时，对隧道轴线上方地表沉降影响较小，在距离隧道起始开挖面8m 处的沉降仅有2mm。当盾构分别开挖至第9、12、15 和18 环时，距离起始开挖面24m 处的监测点沉降值为4.69mm、 6.26mm、 7.79mm 和9.18mm，轴线地表最大沉降值分别增加33.4%、24.4%和17.8%。说明随着盾构机逐渐掘进至监测点断面附近时，开挖对地表沉降影响逐渐增大，当盾构机穿越监测断面后，对沉降的影响逐渐减小。当开挖至30 环时，各隧道轴线纵断面地表沉降监测点沉降基本趋于稳定，说明监测点距离开挖面越远，对沉降影响越小。

图7 不同开挖步下隧道轴线纵断面地表沉降图

4.2 掌子面不同砂岩层占比对地表横断面沉降影响分析

考虑到盾构穿越地质情况异常复杂，分别穿越全砂层、砂岩复合地层以及全岩层，其中穿越砂岩复合地层距离长、施工难度大、对地表沉降控制要求高。图8 为模拟穿越不同地层时掌子面砂岩占比的地表横断面沉降曲线图。由图8可知，盾构穿越各种地层时，地表横断面沉降曲线呈现出“V”型分布，其中隧道中心线上方地表沉降值最大，依次向两边递减，当递减至3 倍洞径以外后，地表沉降趋近于0，说明盾构开挖对3～5倍洞径外的地层影响很小。掌子面砂岩层占比为1:0、2:1、1:1、1:2和0:1时地表最大沉降值分别为12.52mm、8.39mm、4.85mm、2.43mm 和0.62mm，地表沉降分别减小49.2%、72.9%、99.5% 和291.9%。当掌子面全部为砂层时，地表沉降最大，当掌子面砂层逐渐减小直至全部为岩层时，地表沉降急速降低。这主要是由于相较于砂层，岩层具有较高的力学性能，可以产生一定的围护作用，可以为开挖面提供较为稳定的支撑。

图8 掌子面不同砂岩层占比地表横断面沉降图

4.3 掌子面附加推力对地表横断面沉降影响分析

当盾构穿越软硬复合地层时，地表沉降小于全砂层，此时掌子面附加推力可以适当减小，将推力共设置8 组，其中300～100kPa 等距减小。考虑到推力减小至某一值后可能导致掌子面前方地表突然坍塌，故将小于100kPa后的推力减小值逐渐缩小，以便找到致使掌子面失稳地面坍塌时的附加推力。图9 为不同大小掌子面附加推力时地表沉降曲线图。由图9 可知，当掌子面推力依次降低至100kPa 时，沉降值相较于300kPa时仅增加2.79mm；当沉降值降低至68kPa 时，沉降值相较于推力为100kPa时增加至 24.56mm，增加量为16.75mm，增长了214.7%；当推力降低至60kPa 时，地表最大沉降值达到128.27mm，地表出现坍塌。由此可知，当掌子面附加推力低于100kPa 时极易导致地表沉降量过大，造成地表失稳塌陷，在盾构掘进过程中需要控制好推力。

图9 不同掌子面附加推力下地表横断面沉降图

5 结语

盾构开挖面远离监测断面时对地表沉降影响小，沉降值仅为2mm，当开挖面逼近监测断面时对地表沉降影响最大，且随着开挖的进行，仍会产生沉降，但速率逐渐降低。

当掌子面砂岩层占比不同时，对地表沉降的影响随着岩层的增加而逐渐减小，当全部为砂层时，地表最大沉降值为12.52mm，随着岩层比例的增加，沉降逐渐减小，分别减小49.2%、72.9%、99.5%。当掌子面全部为岩层时，地表最大沉降仅为0.62mm。

在盾构穿越软硬复合地层时，掌子面推力对地表沉降影响较大，当推力在100～300kPa 时地表沉降保持在5.00～7.81mm；当掌子面推力小于100kPa 时对地表沉降影响增大，且敏感度极高；当沉降值降低至68kPa 时，沉降值相较于推力为100kPa 时增长了214.7%；当推力降低至60kPa 时，地表最大沉降值达到128.27mm，地表出现坍塌。