軟土地層盾構施工中掘進速度對地面沉降的影響分析

周海群

(杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江 杭州 310022)

盾構掘進速度是隧道施工中的一個重要參數，對于土壓平衡式盾構機而言，對掘進速度影響最為顯著的3個操作參數依次為油缸推力、土艙壓力和刀盤轉速［1-3］。然而，隧道通過的地層條件也直接影響著掘進速度的快慢，在黃土地層條件下西安地鐵二號線試驗段項目部曾創造了一個月掘進727.5 m的全國新紀錄;在軟硬不均的復合地層和砂卵石地層條件下，盾構機由于受刀具磨損和開挖面穩定性的影響掘進速度相對較慢［4-5］。

軟土主要由粒徑＜1 mm的細粒土組成，具有天然含水量高、壓縮性大、承載力低、呈軟塑性或流塑狀態等特點，主要分布于渤海灣長江三角洲、珠江三角洲及浙閩等沿海地區的海相沉積地層中。在外荷載作用下，一方面土體中的孔隙水排出，使土體中孔隙減小，軟土地層產生固結變形;另一方面由于黏土顆粒以結合水膜相互接觸，在荷載不變情況下，隨著時間的推移，土體變形還會繼續增加，即土體的次時間效應，亦稱土體的流變［6-7］。因此，盾構機在軟土地層施工中面臨著地面沉降的控制問題，控制開挖面的穩定性尤為重要。

國內學者對盾構掘進速度與開挖面的穩定性關系做了相關的理論研究工作。高健等考慮盾構掘進速度以及土體滲透系數的影響，研究發現在低滲透性土層中進行隧道掘進，盾構掘進速度的改變對隧道掘進面附近水頭分布產生很大影響，掘進速度的增加將引起作用在隧道掘進面上支護力和隧道掘進面附近總水頭梯度顯著增加的規律［8-9］。本文主要就筆者參與的某一隧道工程中關于盾構正常掘進速度變化與地表沉降情況進行分析，通過對現場施工的實測數據統計，將掘進速度與地表沉降之間建立聯系，研究成果可以為該方向的理論研究學者提供基礎資料，同時可為隧道建設者提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程建設概況

杭州地鐵1號線九九區間為雙線盾構法施工隧道，單線全長734.473 m(612環)，區間線路最小平面曲線半徑為400 m，最大坡度為－25‰，隧道洞頂埋深約為9.3～16.8 m。區間隧道采用日本小松公司制造的TM634PMX-43加泥型土壓平衡盾構進行施工，從九堡站始發至九堡東站完成施工。盾構殼體直徑φ6.34 m，隧道管片外徑 φ6.20 m、內徑 φ5.50 m、厚度0.35 m、寬度1.20 m，采用錯縫拼裝方式。

本文主要針對正常掘進中速度與地表沉降進行分析，盾構施工已經處于正常掘進狀態，其盾構施工參數除掘進速度外均已確定，最大限度排除了其他因素的影響，如注漿量3.5 m3、艙內上部土壓0.16 MPa、出土量37 m3、刀盤轉速0.8 r/min等對沉降影響較大因素設定的數值均為恒定值。

1.2 水文地質與工程地質條件

場地淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及③-2～③-8層粉土、粉砂中，由大氣降水和地表水徑流補給，在和睦港附近河水補給，地下水位隨季節變化。根據區域水文地質資料，淺層地下水水位年變幅為1.0～2.0 m，多年平均高水位埋深約0.5～1.0 m。施工土層承壓水層不具承壓性質。

掘進范圍內地基土主要為③層粉、砂性土及④層、⑥層飽和軟黏土。粉土、砂土與軟黏土的強度等級性質、變形特性均存在較大差異，掘進過程中容易造成軟弱層排土過快引起地層下沉。本文取樣范圍內土層覆土深度平均為14～15 m，從上到下分別為①-1雜填土、③-2砂質粉土、③-3砂質粉土、③-6砂質粉土夾粉砂、③-7淤泥質粉質黏土夾粉砂、③-8砂質粉土夾粉砂、⑥-1淤泥質粉質黏土，盾構體正面穿越土層主要為③-7淤泥質粉質黏土夾粉砂、③-8砂質粉土夾粉砂和⑥-1淤泥質粉質黏土。

2 盾構施工對地面沉降的影響因素分析

2.1 盾構施工中控制地層變形主要原理

土壓平衡式盾構是通過壓力艙內的土壓力來平衡開挖面的土體，達到對盾構正前方開挖面支護的目的。平衡壓力的設定是土壓平衡式盾構施工的關鍵，維持和調整壓力值是盾構推進操作中的重要環節，包含對推力、推進速度和出土量三者的調整，在盾構施工軸線和地層變形量的控制上起主導作用。在盾構施工中要根據不同土質和覆土厚度、地面建筑物，結合監測信息的分析，及時調整平衡壓力值的設定及注漿量多寡，同時保持推進速度相對平穩，減少每次糾偏的量，以降低對土體的擾動，在創造良好管片拼裝條件的同時，將軸線和地層變形控制在允許的范圍內［10］。

2.2 盾構施工影響地層變形的原因及分析

根據盾構法隧道施工的過程和特點，綜合國內外的研究成果，影響土體移動和地表沉降的原因主要可以歸納為如下幾個方面:①開挖面土體的應力狀態變化;②盾殼半徑小于刀盤半徑，盾構殼周圍有間隙，周圍土體向空隙處移動，導致地表沉降變化;③盾構開挖面前方土體和與盾構可接觸的周圍土體受到擠壓而向前和四周移動;④土體與襯砌的相互作用;⑤糾偏過程中出現超挖現象;⑥盾尾注漿不適當引起的土體擠壓導致沉降;⑦土體次固結即盾構隧道周圍土體施工擾動后，軟黏土土體進一步產生蠕變，持續次固結沉降的影響。

上述影響因素中，其中①，③，⑤，⑥項為人為影響因素，主要通過土壓力設定、盾構掘進速度、注漿、掘進操作、監控等方面進行控制，另外②，④，⑦等因素為客觀存在的因素。在整條隧道施工中，去除操作失誤等小概率事件，在外界條件相似情況下，將土壓力、注漿量及壓力、出土量、刀盤回轉等設定為恒定值，糾偏、土體次固結、盾構空隙引起變化等在大范圍上認為恒定，即可確定推力、推進速度為地表沉降變化的最大影響因素。

筆者在九九區間盾構工程區段中取相類似條件下施工完成的多段隧道，通過對掘進速度的變化情況及地表監測沉降情況進行分析。

3 盾構掘進速度對地面沉降影響分析

3.1 現場施工數據監測及分析統計方法

杭州地鐵九九區間左線盾構施工過程中建立了盾構自動導向系統及地表第三方人工監測數據的監測平臺。盾構導向系統為日本ENZAN KOUBOU公司的Robotec Survey System(Rss)自動導向系統，2.5 km之內的誤差為3 mm+2 ppm，每環均測;人工監測使用儀器為DSZ2+FS1精密水準儀及配套銦鋼尺，精度在±0.5 mm，布點為1點/(每5環6 m)，每點從盾構切口到達前 20 m、后30 m開始監測，沉降量 ＜±0.3 mm，則停止監測(見圖1和圖2)。

圖1 自動導向系統原理

圖2 現場施工測量系統

通過對九九區間左線盾構全線掘進監測數據及地表沉降監測數據進行統計分析，采用均值及最小值歸納方法進行統計分析，現取其部分數據進行描述，其中監測數據為99～153環地表沉降監測值，盾構數據為101～140環盾構掘進速度值，其余數據統計法相同。因隧道地表埋設點位為每5環一點，實際取值分析過程中，如101環，則取值為100環數據，如104環，則取值為103環數據，以此類推，整個分析過程數據，均為盾構進入正常掘進范圍后的取值數據。

3.2 盾構掘進速度對地面沉降影響數據分析

1)地表沉降監測數據

99-140環掘進過程中地面累計沉降監測數據如表1所示。從表中數據可以看出，盾構機在縱向施工過程中，掘進速度的不同對地層擾動的影響是不同的。地表整體表現為下沉狀態，局部區域的測點在某個施工環節中有地層隆起的現象出現。測點Z110和測點Z125受施工擾動較大，單次掘進沉降量最大值均達到了2.99 mm;從累計變形量數據分析來看，地表最大沉降量位于測點Z105處，最大值達到了12.17 mm，隨盾構機的后續施工，沉降量略有減小，測點Z140的累計變形量最小，約為1.2 mm。

表1 99—140環掘進過程中地面沉降監測點累計變形量數據 mm

2)單環掘進中速度變化對地表沉降影響

盾構隧道單環掘進瞬時速率變化曲線如圖3所示，排除各環總平均速度大小不一的影響，根據瞬時V變化曲線圖從圖3(a)、圖3(b)上可見，在此階段掘進過程中，單環瞬時速度變化較快，且變化幅度較大，達到2～3 cm上下;從圖3(c)、圖3(d)上可見，掘進過程中，單環瞬時速度變化較慢，且變化幅度較圖3(a)、圖3(b)大幅度降低，基本上均在1 cm以內浮動，甚至于基本平均。對比監測數據，可以發現其中圖3(a)、圖3(b)所表示的101～120環地表監測中，當前環位置的單次沉降值均較大且沉降差異較大，在－1.5～－3.0 mm之間浮動，且已經脫出盾尾環片上方，監測數據顯示隨著盾構掘進沉降增加明顯，而在圖3(c)、圖3(d)所表示的121～140環地表監測中，當前環位置的單次沉降數據較為平均，在2.5 mm左右或 －1 mm左右，沉降值較為平均，且已經脫出盾尾環片上方，監測數據顯示沉降未隨盾構掘進而增加，比較均勻，且數據基本穩定在2.5 mm以下。另外，在盾構切口環位置可以發現:在盾構隆沉均在1.0～1.5 mm左右，未出現明顯變化。

根據以上分析，可以發現，在盾構掘進過程中，單環掘進速度變化幅度越快，對地面沉降影響越大，且沉降呈不均勻狀及后續增大狀;掘進速度變化幅度越小，對地面沉降影響越小，且沉降呈均勻狀及后續沉降較小且均衡。對切口位置而言地表沉降均無大影響。

3)不同環片平均掘進速度變化對地表沉降影響

從盾構宏觀平均速度上進行分析(如圖4所示)，101～120環平均速度均較為接近，基本在3.5～4.5 cm/min之間，而120～140環平均速度變化幅度較大，從最低的2.5 cm/min左右到4.5 cm/min左右均有，且相鄰環速度變化較大。結合表1中累計沉降數據分析可發現，101～120環中盾構切口環后地表累計沉降較小，約在3～5 mm左右，而120～140環部分中盾構切口環后地表累計沉降則較大，且幅度也較大，處于5～10 mm間。另外，盾構切口環位置可以發現，盾構隆沉均在1.0～1.5 mm左右，未出現明顯變化。

根據以上分析可以發現，從宏觀上分析，盾構掘進速度越平均，變化幅度越小，對地表沉降影響越小，且沉降量也較小，盾構掘進速度幅度變化越大，對地表沉降影響越大，且沉降量也較大，而對切口位置地表沉降均無大影響。

圖3 盾構隧道單環掘進瞬時速率變化曲線(每25～30 s速度變化趨勢)

圖4 101～140環盾構隧道單環掘進平均速率變化曲線

4 結語

隨著國際上盾構技術的日趨完善以及國內對盾構技術的需求加大，盾構的發展逐漸趨向于微型化和超大型化、形式多樣化、高度自動化和高適應性。然而，盾構隧道施工是一種機械化相對要求較高的復雜技術，其施工質量的好壞受多種因素的制約與控制。

本文以杭州地鐵1號線九九區間隧道盾構施工為工程背景，分析了盾構施工引發地面沉降的影響因素，結合現場實測數據對杭州地鐵軟土層盾構施工中掘進速度與地表沉降的變化規律進行研究。研究結果表明，在盾構施工參數已經設定的前提下，無論是單環掘進速度還是整體掘進速度，對地表沉降的影響最終取決于掘進速度變化幅度的大小，掘進速度變化幅度大，則沉降大，控制施工掘進速度的變化量可有效控制地表沉降。

研究數據與成果可以為該方向的理論研究學者提供基礎資料，同時可為隧道建設者提供借鑒。

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