砂卵石地層盾構施工引起地層變形機理及影響范圍

張 哲 寧

(成都軌道交通集團有限公司，四川 成都 610031)

0 引言

各大城市地鐵的大量興建，在解決了城市交通擁擠的同時，也伴隨著一些工程技術上的問題，城市地鐵基本上采用盾構法施工。因盾構技術自身的優勢，在城市地鐵施工中有著明顯的優越性和適用性，盾構法施工在城市地鐵隧道建設中正扮演著越來越重要的角色。成都地區以富水砂卵石地層為主，特別是在市中心及西部、北部地區，大規模穿越富水砂卵石地層，其工程地質具有地下水位高(水位埋深2.0 m～5.0 m，為國內城市地鐵砂卵石地層最高水位)、卵漂石含量高(含量高達60%～71%，粒徑以30 mm～110 mm為主)、卵石強度高(單軸抗壓強度50 MPa～150 MPa)等“三高”特點。受盾構掘進擾動、超挖和施工降水影響，造成地層損失、細顆粒物質大量流失，卵石之間形成孔洞，容易誘發地面沉降、塌陷，且沉降存在滯后性和突發性，因此有必要對成都砂卵石地層盾構施工引起的地層變形機理及影響范圍進行分析，以期對類似地層的盾構安全施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

2 砂卵石地層盾構施工引起地層變形機理

在砂卵石地層中，土體顆粒間的摩擦阻力大，滲透系數大，砂卵石地層富含地下水，當地下水位較高時，利用掘削土壓和排土設備的調節作用難以平衡開挖面水土壓力。另外砂卵石層開挖面土體容易崩塌滑落，加之土倉渣土的流動性差，因此開挖面穩定控制極其困難。地層較為松散，卵石之間無膠結，單個卵石強度高，土體孔隙率大，卵石在地層中起骨架作用，刀盤切削旋轉時很容易破壞原來地層的穩定狀態。盾構施工對圍巖擾動較大，并容易引起較大的地層損失，表現出力學不穩定性。刀盤磨損大，易發生開挖面失穩而引起超出土問題，地面塌陷事故較突出。

卵石層地層為松散體，離散性介質，粘聚力低，結構不連續性，且自穩性差，易涌沙、涌水。在盾構掘進過程中，因開挖面支護壓力不足，開挖面前方的砂卵石土涌入土倉出現局部失穩或整體失穩。如圖1，圖2所示，隨著刀盤前方超過盾構斷面應切削方量的土體不斷涌入土倉并被傳送機排出，刀盤前面斜上方的空洞會不斷擴大，逐漸坍塌至地面，形成坍坑。

砂卵石地層土體強度不高，但土層中含有強度高、粒徑大的卵石，屬于柔中帶剛、軟中帶硬的地層，在盾構施工過程中上方易形成空洞,砂卵石地層骨架效應較好,產生臨時平衡拱(見圖3)，在一定時間內可自穩,在地面荷載作用下,逐步延伸至地表,以致臨時平衡拱破壞，造成地表塌陷,且表現為滯后性,短則一兩個月,多則一年甚至兩年以上，施工風險和隱患極大，對施工和監測都造成了一定的困擾。

3 砂卵石地層盾構施工對地表沉降影響范圍分析

成都地鐵盾構施工監測的地表沉降監測測點布設原則：沿隧道中線走向每5 m布設一個測點，每30 m布設一個橫向監測斷面，垂直于隧道中線的方向向外每3 m布設一個監測測點。其中始發段或接收段的100 m范圍內每10 m布設一個橫向監測斷面，前50 m按每10 m逐步過渡至后50 m每20 m設置一個橫向監測斷面，如圖4所示。

下面就砂卵石地層盾構施工分別對地表沉降橫向和縱向影響分析如下：

1)橫向影響分析。

整理統計成都地鐵3號線一期、7號線總計12 289個地表沉降測點的監測數據，對于沉降監測值和數量采用下面兩種方式進行統計：第一種根據不同沉降值大小的分布區間進行分類匯總，見表1。

表1 按地表沉降累計值大小分段統計

觀察表1可得，在正常情況下，地表沉降值在0 mm～18 mm內，地表沉降累計值小于18 mm的測點占96.5%，而超過18 mm的測點只占3.50%，在地質情況較差的特殊地段或盾構出土量超方較大時，地表沉降值會高于18 mm，此時地表沉降值過大，施工監測應啟動預警機制，加強監測頻率。

所以提出成都砂卵石地層盾構施工引起地表沉降的控制值為20 mm，在當前全國范圍內的沉降控制值30 mm之內。當施工過程中所測得的地表沉降值在20 mm以內時，說明沉降值在正常的范圍內，表明盾構掘進參數的設置合理。

第二種根據監測測點到隧道中線的距離進行分類匯總，見表2。

表2 測點到隧道中線距離的地表沉降累計值分類統計

從表2可以看出，距離為12 m,15 m,18 m的測點包括左右線的測點，且其中后掘進隧道的測點較多，后掘進隧道受先掘進隧道的影響,距離左線隧道中線12 m處共998個測點，其中左線有112個測點,右線有886個測點。在成都地鐵盾構施工監測中，地表沉降的測點主要布設在距離隧道中線左右12 m的范圍內。

下面對于成都地鐵施工監測測點布設的范圍進行可行性討論：

a.表2中距離隧道中線12 m處共112個測點，取平均值計算，得出該位置測點的沉降平均值為3.15 mm；

b.砂卵石地層掘進盾構隧道時，以成都隧道平均埋深18 m計算，砂卵石地層的內摩擦角根據成都地勘報告取35°，可以用式(1)估算地層沉降的影響范圍，如圖5所示。

L=(H+D)×tan(45°-φ/2)

(1)

其中，L為到隧道中線的水平距離；H為隧道埋深；D為隧道直徑；φ為砂卵石地層的內摩擦角。

代入具體取值得：(18+6)×tan(45°-35°/2)≈12 m。

即在成都砂卵石地層中進行盾構施工的影響區域分布在隧道中線兩側12 m寬的范圍。

綜上所述，在成都地區盾構施工，根據理論計算得出地表沉降的大致影響區域在隧道中線左右12 m處的范圍內，由實測數據得出距隧道中線12 m處的地表沉降平均值為3.15 mm，為控制值的15%左右，較小且變化不大，那么在距離中線12 m以外的點的沉降值會更小，所以對于12 m以外的測點進行監測的意義不大，所以成都地表沉降的測點主要布設在距離隧道中線左右12 m的范圍內是合理的。

2)縱向影響分析。

隧道中心地表點的沉降隨盾構刀盤移動的發展分為盾構刀盤在未經過該測點階段、經過該測點階段，以及已經過該測點階段的盾構刀盤距離測點的水平距離與測點地表沉降的關系，見圖6。

在盾構刀盤到達該點前，地表沉降會出現正值，但在3 mm之內，即會出現細微的地表隆起現象；在刀盤到達測點前后10 m處，地表沉降會以一定的趨勢增大，沉降曲線基本與水平線呈21.8°～26.6°的夾角；在刀盤到達測點后10 m～20 m處，沉降會在上階段的增大趨勢上產生一個突變，考慮到刀盤過后的同步注漿，在注漿壓力偏大時，該突變表現為沉降變小;注漿壓力偏小時，該突變表現為沉降變大；注漿壓力正常時，則趨于平緩，無突變；在刀盤到達測點20 m后，沉降趨于穩定，由于后期固結沉降，地表沉降呈緩慢增大的趨勢。

4 結論及建議

本文以成都地鐵3號線一期工程和7號線工程為依托，通過對砂卵石地層盾構施工引起地層變形機理和砂卵石地層盾構施工對地表沉降影響范圍等進行歸納總結和分析，得出相關結論如下：

1)成都富水砂卵石地層盾構施工過程中上方易形成空洞,砂卵石地層骨架效應較好,產生臨時平衡拱，在一定時間內可自穩,在地面荷載作用下,逐步延伸至地表,以致臨時平衡拱破壞，造成地表塌陷,且表現為滯后性,短則一兩個月,多則一年甚至兩年以上，施工風險和隱患極大，對施工和監測都造成了一定的困擾。

2)統計了成都地鐵3，7號線12 289個測點的地表沉降監測數據，在一般情況下，成都砂卵石地層盾構施工的地表沉降控制值為20 mm，地表沉降的測點主要布設在距離隧道中線左右12 m的范圍內是合理的。

3)在刀盤到達測點前后10 m處，由于地表沉降值會持續增大，應保證定時定量對該區間進行施工監測；在刀盤到達測點后10 m～20 m處，由于地表沉降值會產生一個突變，應在該區段加強對該測點的監測頻率，通過沉降值的突變情況來觀察同步注漿壓力是否正常。

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