上軟下硬地層中盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響分析及施工控制技術(shù)

丁 健 冷 建

(中交第三航務(wù)工程局有限公司，200032，上海∥第一作者，高級(jí)工程師)

在城市軌道交通建設(shè)過程中，會(huì)遇到非常復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。在我國福建、廣東等東南沿海地區(qū)存在著大量上軟下硬復(fù)合地層(軟土層與巖層復(fù)合地層，軟巖層與硬巖層復(fù)合地層)，盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，確定地層擾動(dòng)影響因素、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、控制地表沉降等，對(duì)城市地下空間開發(fā)和軌道交通建設(shè)具有重要的作用[3-4]。目前已有眾多針對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工對(duì)地表沉降影響的研究，文獻(xiàn)[5]首次提出了估算隧道開挖引起地表沉降的Peck公式。之后，文獻(xiàn)[6-7]對(duì)Peck公式進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。此外，室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算方法因其具有便捷、靈活的特性也越來越廣泛地被應(yīng)用于地表沉降影響研究中[8-11]。調(diào)研分析表明，現(xiàn)有的研究大多側(cè)重于理論計(jì)算分析和室內(nèi)模擬研究，存在與實(shí)際工程施工結(jié)合不夠緊密等問題；同時(shí)，針對(duì)盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層的系統(tǒng)性研究也是不足的。

本文以福州地鐵4號(hào)線會(huì)展中心站至林浦站工程為依托，分析盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層(本文中分析的上軟下硬地層為軟土層與巖層的復(fù)合地層)時(shí)，土倉壓力、掘進(jìn)速度、頂推力和扭矩等各項(xiàng)施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，并據(jù)此提出了相應(yīng)的施工控制措施。

1 工程概況

福州地鐵4號(hào)線會(huì)展中心站至林浦站區(qū)間總長1 552 m，區(qū)間埋深19.5～21.0 m，期間需穿越一段上軟下硬復(fù)合地層，掘進(jìn)段地層主要為②4-1淤泥、②6粉質(zhì)黏土、③4淤泥質(zhì)土、⑤3殘積砂質(zhì)黏性土(硬塑)、⑥1全風(fēng)化花崗巖、⑦1全風(fēng)化花崗巖(砂土狀)、⑦2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(碎塊狀)、⑧1中風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)斷面圖如圖1所示。其中，上軟下硬復(fù)合地層中(圖中虛線間區(qū)域，環(huán)號(hào)為70環(huán)—240環(huán)之間)，上覆較軟土層為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)，下部硬巖層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(碎塊狀)。主要土層參數(shù)如表1所示。

圖1 上軟下硬復(fù)合地層地質(zhì)斷面圖

表1 主要土層參數(shù)表

2 地表沉降影響分析及施工控制技術(shù)

2.1 地表沉降變化趨勢

為比較盾構(gòu)分別在上軟下硬地層和軟土層中掘進(jìn)時(shí)對(duì)地表沉降影響的差異，選取埋深相同的盾構(gòu)隧道區(qū)間進(jìn)行分析。選取的埋深均為19.5～21.0 m。地表沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖2所示。由圖2可見，盾構(gòu)穿越軟土層時(shí)，地表沉降會(huì)隨時(shí)間變化而不斷增大，這是由于盾構(gòu)開挖后軟土被重塑并重新固結(jié)，后續(xù)會(huì)隨著時(shí)間增長而最終趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)開挖引起的地表沉降，主要是由開挖土體導(dǎo)致的地層損失所引起的瞬時(shí)沉降以及擾動(dòng)土體所引起的工后固結(jié)沉降兩部分構(gòu)成。從圖2還可以看出，軟土地層的總沉降中，工后沉降(開挖10天)相對(duì)瞬時(shí)沉降(開挖當(dāng)天)占比更大。與盾構(gòu)穿越軟土層類似，盾構(gòu)穿越上軟下硬土層時(shí)，沉降也會(huì)隨著時(shí)間增長而不斷發(fā)展，并最終趨于穩(wěn)定。所不同的是，穿越上軟下硬層時(shí)的工后沉降占總沉降的比重相對(duì)較低，因此，對(duì)于穿越上軟下硬土層的沉降控制，更應(yīng)側(cè)重于開挖瞬時(shí)沉降控制，嚴(yán)格控制開挖導(dǎo)致的地層損失。

圖2 地表沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線

2.2 地層損失分析

本文采用地層損失率作為衡量地層損失的標(biāo)準(zhǔn)。地層損失率定義為地層開挖損失(實(shí)際開挖體積減去理論開挖體積)與理論開挖體積之比。地層損失率可以衡量盾構(gòu)對(duì)地層的超挖情況，進(jìn)而分析其對(duì)地表沉降的影響。圖3比較了盾構(gòu)穿越上軟下硬層和軟土層中，不同地層損失率下地表沉降的變化情況。由于在穿越上軟下硬層的地表總沉降中，瞬時(shí)沉降占主導(dǎo)作用，因此在后續(xù)的沉降分析中，均選取為開挖當(dāng)天的瞬時(shí)沉降。從圖3中可以看出，在軟土地層和上軟下硬地層中，隨著地層損失率的增加，沉降不斷增大，并且上軟下硬地層的地層損失率要明顯大于軟土層的。因此，盾構(gòu)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，地層損失的控制是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本工程盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，通過選用合理的施工參數(shù)、嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)、減少超挖、及時(shí)注漿和控制注漿壓力等方法，較好地控制了地層損失率，減少了盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響。

圖3 地層損失率對(duì)地表沉降的影響

2.3 土倉壓力對(duì)沉降影響

本工程采用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在土倉中布置了上、中、下三排土壓力傳感器，每排左右各一個(gè)，將土倉分為上部、中部和底部三個(gè)區(qū)域。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，開挖面上部有小部分區(qū)域土體處于主動(dòng)土壓力狀態(tài)，其余區(qū)域土體均為被動(dòng)土壓力狀態(tài)。當(dāng)選用上部區(qū)域控制土壓力時(shí)，有利于減小周圍土體的擾動(dòng)，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響。此外，上部區(qū)域的土壓力傳感器離地表最近，地表沉降對(duì)上部區(qū)域的控制土壓力設(shè)置最為敏感。當(dāng)盾構(gòu)開挖面附近地表沉降超出允許范圍時(shí)，選擇調(diào)整土倉上部區(qū)域控制土壓力，可以達(dá)到最快控制沉降的效果。因此，本工程采用土倉上部區(qū)域的土壓力傳感器來設(shè)置控制土壓力。

盾構(gòu)穿越軟土地層時(shí)，土倉內(nèi)需要維持足夠的土壓力，避免因開挖面壓力過大致使坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降。盾構(gòu)穿越上軟下硬地層時(shí)，開挖面地質(zhì)不均勻，巖石部分強(qiáng)度高，不易切削，為保護(hù)刀具需降低掘進(jìn)速度，長時(shí)間的掘進(jìn)對(duì)軟弱地層部分的穩(wěn)定性很不利，因此需要保持較高的土倉壓力。圖4為地表沉降隨土倉壓力變化的分布圖。從圖4中可以看出，上軟下硬地層中，由于地層物理力學(xué)性質(zhì)差異很大，土倉控制壓力波動(dòng)范圍(0.16～0.20 MPa)明顯大于軟土層的(0.21～0.23 MPa)。本工程采用上部土壓力控制沉降，將土倉壓力控制在0.16～0.20 MPa之間，將地表沉降控制在了合理范圍內(nèi)(控制要求為最大沉降30 mm)。如果需要進(jìn)一步控制地表沉降，可以適當(dāng)增加土倉壓力，在切口范圍內(nèi)，使土倉壓力總值大于切口前方土壓力總值。這樣有利于在切口達(dá)到前，前方土體受到一定的擠壓力，形成相應(yīng)位置地表的微量上抬，抵消后期的沉降。

圖4 土倉壓力對(duì)地表沉降發(fā)展影響

2.4 掘進(jìn)速度對(duì)沉降影響

對(duì)于刀盤前方土體，盾構(gòu)掘進(jìn)速度的增加將會(huì)引起刀盤面板前方土體的擠壓作用，使刀盤前方土體的超孔隙水壓力增加，加劇刀盤前方土體的擾動(dòng)。對(duì)于盾構(gòu)殼體周圍的土體，掘進(jìn)速度的增加會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)殼體在土層中某點(diǎn)停留的時(shí)間減少，這就減小了對(duì)上部土體的擾動(dòng)以及其下臥層土體的固結(jié)沉降。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)速度的增加將會(huì)加劇盾構(gòu)前方土體的擾動(dòng)，同時(shí)也會(huì)減小盾構(gòu)周圍土體的擾動(dòng)。

圖5為不同掘進(jìn)速度下地表沉降的變化分布圖。從圖5中可以看出：在上軟下硬層中的掘進(jìn)速度要明顯小于軟土層中的掘進(jìn)速度；此外，在兩種地層中，隨著掘進(jìn)速度的增加，地表沉降也顯著增大。在上軟下硬層中，盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在10 mm/min內(nèi)，地表沉降將會(huì)顯著降低。綜上所述，盾構(gòu)穿越上軟下硬層時(shí)，建議將掘進(jìn)速度控制在10 mm/min內(nèi)，并視情況適當(dāng)調(diào)整減小。

圖5 掘進(jìn)速度對(duì)地表沉降發(fā)展影響

2.5 頂推力和扭矩對(duì)沉降影響

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)頂推力與盾構(gòu)掘進(jìn)速度、刀盤扭矩大小密切相關(guān)，對(duì)土層擾動(dòng)具有直接影響作用。頂推力過大會(huì)導(dǎo)致開挖面土體受擠壓作用而發(fā)生背離刀盤的移動(dòng)，引起開挖面前方土體隆起。頂推力過小則會(huì)影響掘進(jìn)速度，降低施工效率，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)坍塌。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需要密切關(guān)注盾構(gòu)頂推力和刀盤扭矩這兩個(gè)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的變化情況。頂推力必須留有足夠地余量，總頂推力Fe一般可按公式(1)進(jìn)行估算。

Fe=0.25πD2P1

(1)

式中：

D——盾構(gòu)外徑，m；

P1——單位開挖面上的經(jīng)驗(yàn)頂推力，閉胸式盾構(gòu)的一般為1 000～1 500 kN/m2，敞開式盾構(gòu)的可取700～1 100 kN/m2。

刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩計(jì)算較為復(fù)雜，且應(yīng)有安全余量，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)一般為1.5～2.0。根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)設(shè)計(jì)的普遍經(jīng)驗(yàn)，刀盤扭矩的標(biāo)準(zhǔn)值可按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

T=KaD

(2)

式中:

T——刀盤設(shè)計(jì)扭矩；

Ka——扭矩系數(shù)，土壓平衡盾構(gòu)的可取100～300。

根據(jù)公式(1)和公式(2)，并結(jié)合現(xiàn)場施工工藝和地質(zhì)情況，確定了本工程中的盾構(gòu)總推力控制范圍為16 000～21 000 kN，刀盤扭矩控制范圍為1 400～2 000 kN·m，并且盡量保持較低的扭矩。圖6和圖7分別為頂推力和刀盤扭矩對(duì)地表沉降的影響分布圖。從圖6～7中可以看出：當(dāng)盾構(gòu)從軟土層進(jìn)入上軟下硬地層中時(shí)，頂推力和刀盤扭矩都提升明顯：在上軟下硬地層中，由于局部存在的硬巖會(huì)使刀具磨損嚴(yán)重，降低頂推力和刀盤扭矩會(huì)減小刀具所受的沖擊力，從而使盾構(gòu)掘進(jìn)更加平穩(wěn)連續(xù)，減小了對(duì)地表沉降的影響。本工程中，盾構(gòu)在上軟下硬層掘進(jìn)時(shí)，頂推力以保持土倉壓力為目的，兼顧控制推進(jìn)速度，刀盤扭矩以低扭矩、保護(hù)刀具為準(zhǔn)則，保證了良好的盾構(gòu)施工效率，并且合理控制了地表沉降。

圖6 總頂推力對(duì)沉降發(fā)展影響

圖7 盾構(gòu)在不同地層掘進(jìn)施工中扭矩對(duì)沉降發(fā)展影響

3 渣土鑒定

盾構(gòu)掘進(jìn)中的許多參數(shù)并不能通過盾構(gòu)機(jī)自身的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集和提供，例如刀具的磨損程度等，并且實(shí)際的工程地質(zhì)勘探也存在一定的精度誤差。除了開倉檢查或通過超前鉆孔采集工作面土樣直接獲得相關(guān)信息之外，通過對(duì)渣土的篩分和鑒定可以便捷、準(zhǔn)確地判斷開挖面的工程地質(zhì)狀況，為相關(guān)施工參數(shù)選取提供依據(jù)。本工程的盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對(duì)施工渣土重點(diǎn)進(jìn)行了篩分、鑒定和留樣，既為盾構(gòu)施工參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，也為后續(xù)的深入研究留下了試樣。本工程中，對(duì)渣土的具體鑒定方法包括：①在盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層時(shí)，通過對(duì)渣土成分特征進(jìn)行鑒定，并與地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行對(duì)比，補(bǔ)充完善穿越土層信息，實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)。②對(duì)渣土顆粒組合特征進(jìn)行鑒定，如果渣土以細(xì)顆粒和小巖塊為主，一種可能是工作面的圍巖可能以全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層以及第四系的土層為主；另一種可能是刀具已嚴(yán)重磨損，滾刀除了起到對(duì)巖層的壓碎作用外，更多的是起到碾碎作用。③檢查渣土中是否含有斷面土層以外的顆粒或碎屑，以此判斷開挖面是否存在坍塌現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文依托于福州地鐵4號(hào)線工程，分析了盾構(gòu)施工穿越上軟下硬復(fù)合地層時(shí)對(duì)地表沉降的影響及相關(guān)施工控制關(guān)鍵技術(shù)，具體結(jié)論如下：

1)對(duì)于盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的地表沉降而言，工后沉降占總沉降比重較低，沉降控制更著重于瞬時(shí)沉降控制。上軟下硬地層中的地層損失要明顯大于軟土層的，隨著地層損失的增加，開挖沉降不斷增大。

2)在土倉壓力控制方面，應(yīng)選取土倉內(nèi)上部區(qū)域作為土壓力控制值。盾構(gòu)穿越上軟下硬層時(shí)，建議將掘進(jìn)速度控制在10 mm/min內(nèi)，并視情況適當(dāng)調(diào)整。頂推力以保持土倉壓力為目的，刀盤扭矩以低扭矩、保護(hù)刀具為準(zhǔn)則，兩者協(xié)調(diào)可以合理控制地表沉降。

3)合理的渣土篩分鑒定方法可以便捷、準(zhǔn)確地判斷開挖面的工程地質(zhì)狀況，為相關(guān)施工參數(shù)選取提供依據(jù)。