跨江泥水盾構掘進過程中的沿江路段地表變形特征

李軍，黃帥，黃林沖，梁禹

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跨江泥水盾構掘進過程中的沿江路段地表變形特征

李軍1，黃帥2，黃林沖2，梁禹2

(1. 廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635；2. 中山大學 工學院，廣東 廣州 510275)

為研究盾構隧道施工對地表變形的影響，以某過江盾構隧道沿江大道段的施工為背景，通過對現場監測數據以及施工過程的分析得出地表變形規律及其成因，結合三維有限元模擬該段盾構施工，并與實測值進行對比，根據分析結果以及工程實踐提出盾構施工地表變形控制措施。研究結果表明：施工過程中泥水壓力對地表沉降影響顯著；實際盾構掘進過程中引起的地表橫向變形分布表現為隆起變形，且與傳統Peck沉降曲線存在區別，縱向地表變形整體表現為先沉降后隆起的趨勢，在掘進過程中應調整泥水壓力控制地表變形；隧道有限元模型模擬結果與監測數據趨勢一致，在有針對性的工程措施保證地表變形值總體可控。

泥水壓力；地表變形；盾構隧道；有限元模擬；監測分析

盾構工法具有施工效率高、機械化程度高及對周圍環境影響小等優點，在越江隧道工程中有廣泛的應用[1?2]。在施工期間不可避免地會產生地層損失，引起地層變形及地面沉降，如何預測施工引起的地層位移，確保附近建筑物的結構安全，是盾構法隧道設計及施工過程中需要解決的重要問題[3]。盾構法在掘進施工過程中會對地層產生擾動，從而改變了土體的初始應力，使周圍地層發生變形，盾構掘進對地層的擾動以及掘進參數的設置直接影響縱向地表變形[4]。國內外對于盾構施工引起的地表沉降的研究大致可歸納為[5]：經驗公式法、隨機介質法、數值計算法、模型實驗法和現場監測法。DING等[6]提出在建筑物作用下、擾動范圍內和擾動范圍外，地表沉降分別呈現出軟木分布曲線特征、斜交分布曲線特征和正態分布曲線特征；魏綱等[7]建立修正的隨機介質理論簡化計算公式預測盾構施工引起的地表沉降；鄧宗偉等[8]基于流固耦合原理通過FLAC3D建立盾構隧道施工模型研究泥水參數對于地表沉降的影響；馬險峰等[9]利用離心模型試驗對盾構隧道的地層損失進行了模擬，研究了地層損失與施工期及施工后縱向地表沉降的關系；謝雄耀等[10]開發了沉降自動化監測及數據移動發布系統，從而實現監測數據的自動化實時采集、分析和移動端推送，通過分析結果優化施工參數。本文以某過江盾構隧道工程為研究對象，通過在沿江大道段布設測點，對盾構隧道下穿沿江大道的現場及后期施工階段進行了地表沉降的監測，通過現場監測結果分析了其地表變形規律及成因，結合實際工程建立了三維盾構施工有限元模型，并將數值分析結果與現場監測結果進行對比，分析研究盾構施工過程中泥水壓力對橫向地表變形和縱向地表變形的影響，最后根據分析結果和工程實踐提出地表變形控制措施。

1 工程概況及現場監測

1.1 工程概況

某越江隧道采用泥水盾構法施工，隧道過江段采用雙管單層型式，分為南北2線越江，北線先施工，本文取北線下穿過沿江大道段進行分析。管片外徑11.3 m，管片內徑10.3 m，管片厚度50 cm，環寬2 m。隧道穿越的地層條件主要有雜填土、強風化礫巖和中風化礫巖，本文選取的隧道段主要處于強風化礫巖層中。越江隧道江中盾構段自東岸始發井始發，逐漸往西延伸，首先經過現有圍蔽施工場地，再橫穿沿江大道，而后下穿沿江大堤，盾構隧道由東往西越江，本文主要研究盾構隧道下穿沿江大道引起的地表變形。

1.2 現場監測分析

盾構隧道橫穿沿江大道，盾構施工對地層的擾動引起地表變形，影響著沿江大道的正常運行。為保證沿江大道結構安全，本文主要選取NK1+760~ NK1+640段布置測點(S1~S9)進行地表變形值進行分析。其監測點布置情況如圖1所示，其中斷面NK1+700與NK1+650處測點主要監測沿江大道處橫斷面地表變形分析。本文研究的過江隧道盾構施工主要分為2個階段：NK1+760~NK1+710為試驗段，在此過程中對各項掘進參數進行調整，盾構掘進施工時，泥水倉壓力設置較大(2.1~2.4 bar)；NK1+710~NK1+640為正常掘進段，泥水倉壓力設置小于試驗段掘進時的泥水倉壓力(1.3~1.8 bar)。

圖1 地表變形監測點布置平面圖

對典型斷面NK1+700和NK1+650進行了連續監測，圖2為NK1+700處監測點測得的橫斷面地表隆沉變形。從圖2可以看出，當刀盤掘進至距斷面?10 m時，斷面總體呈現隆起變形，中間大兩邊小，最大隆起值出現在測點S6-4為5.48 mm。在掘進面到達測點正下方時，各測點仍出現較小的隆起。最終穩定后監測斷面地表測點S6-1產生最大沉降量?3.75 mm，S6-4產生最大隆起值為4.44 mm。均小于《盾構法隧道施工與驗收規范》(GB50446—2008)等規范規定的變形控制值(10 mm)。NK1+700監測斷面位于試驗段前方僅10 m，經推斷其地表隆起的原因主要是由于盾構在試驗段掘進時泥水倉壓力設置過大造成[11]。

圖2 NK1+700斷面測點地表沉降隨刀盤距離變化曲線

圖3為NK1+650處監測點測得的橫斷面地表隆沉變形。從圖3可以看出，除在S8-2測點測得有極微小的隆起以外，其余測點均為沉降變形。最終穩定后，監測斷面地表測點S8-1測得最大沉降量1.02 mm。NK1+650斷面位于盾構正常掘進段，其泥水壓力與地層側向壓力基本處于動態平衡狀態，因此該地段地表變形較小。圖3地表沉降曲線并非關于隧道中心線對稱，主要是因為該斷面并非均一地層，屬于粉質黏土層與強風化礫巖地層的過渡段，巖性變化較大，此外地表沉降還受掘進參數、同步注漿、盾構姿態控制等影響，實測曲線與傳統peck沉降曲線有差別。

圖4為NK1+770-NK1+625縱向地表沉降與盾構機泥水壓力變化圖。從圖4可以看出，縱向地表變形受泥水壓力影響顯著。掘進至斷面NK1+710前為試驗段，泥水壓力較大；斷面NK1+710之后為正常掘進段，泥水壓力設置較小。盡管斷面NK1+710前測得的泥水壓力較大，但從現場施工情況來看，由于掘進時機器故障、參數調試、換刀等原因，盾構機停機頻繁，在停機保壓過程中，由于盾構機處于一個靜態平衡的過程，泥水壓力會在滲透壓力作用下沿著地層裂隙流失，而達不到預設的保壓平衡，當土體側壓力大于泥水平衡壓力時，容易產生地表沉降[4]。

圖3 NK1+650斷面測點地表沉降隨刀盤距離變化曲線

斷面NK1+710之后，盾構機掘進參數調試回歸正常，停機時間減少，盾構機運行平穩。從圖4可知，盾構在正常段推進時泥水倉壓力較試驗段有所下降，但是在斷面NK1+710附近的位置上地表變形發生突變，由沉降變形突變為隆起變形，結合施工實際分析其原因，盾構機在掘進至斷面NK1+720環附近進行了停機調試，因此在該點附近地表沉降達到最大，最終沉降值為9.28 mm。之后開機啟動，泥水倉重新建立動態泥水平衡，地表沉降量迅速減小直至發生隆起，至斷面NK1+700達到最大，最終隆起值為3.98 mm。斷面NK1+710附近泥水壓力降低，隨后地表隆起變形量逐漸減小。隨著盾構機掘進，地表隆沉變形按一定趨勢變化。在正式掘進段，地表隆起隨著盾構機向前掘進逐漸減小。一般認為，地表變形趨勢變化的原因是后期土層自身擾動及固結所引起，但無論是沉降還是隆起，其變形均較小。

圖4 縱向地表沉降與盾構機泥水壓力變化圖

2 數值模擬

為研究泥水壓力對盾構引起地表變形的影響，本文建立有限元模型，按照實際施工情況設置不同泥水壓力進行分析。

2.1 數值計算模型

本文采用有限元軟件Midas GTS-NX建立該盾構隧道施工的三維有限元模型，選取實際斷面NK1+760~NK1+640這段進行模擬分析，模型尺寸為120 m×120 m×70 m，如圖5所示。隧道長度模擬為120 m，包括60環管片，沿江大道網格尺寸為1 m，土層網格尺寸為4 m，盾殼、管片、注漿層及開挖區域網格尺寸為1 m，隧道斷面NK1+760向斷面NK1+650進行開挖。沿江大道和各土層均簡化為勻質水平層狀分布，開挖步長為2 m，模擬開挖僅從空間推進，不考慮時間效應。模型設置地下水位(?5 m)，土層、沿江大道、注漿層均采用實體單元模擬，管片和盾殼則采用板單元進行模擬，模型邊界條件為四周采用法向約束、底端采用固定約束。本模型模擬的荷載主要有：泥水壓力、自重、注漿壓力和盾殼前進過程中對管片的千斤頂力。模型劃分為179 336個單元，105 222個節點。

土層計算參數如表1所示，隧道位于中風化礫巖層中。

圖5 有限元模型

表1 土層物理力學指標

2.2 計算結果分析

為研究盾構掘進過程中泥水壓力變化對于地表變形的影響，本文考慮改變泥水壓力及模擬盾構停機工況，模型施工步主要分為2個階段：試驗段施工和正常施工段。

1) 試驗段施工模擬(斷面NK1+760~NK1 +710)。第1個施工步向前掘進一環，泥水壓力設置為240 kPa；第2個施工步掌子面不推進，僅將泥水壓力降至100 kPa。直至掘進至斷面NK1+710，共50個施工步，模擬試驗段施工的頻繁停機過程。

2) 正常施工段模擬(斷面NK1+710~NK1+ 640)。施工步正常模擬，即每個施工步掌子面均向前掘進一環，共35個施工步，同時泥水壓力設置為120 kPa，管片滯后一環安裝。

2.2.1 地表變形橫向分布規律

圖6(a)和6(b)分別表示盾構刀盤到達斷面NK1+700及NK1+650時沿江大道的豎向變形云圖，從圖中可以看出，當掘進至斷面NK1+700時，隧道掌子面正上方各測點(S6-1~S6-5)位置表現為隆起變形，沿隧道中軸線呈對稱分布，最大隆起值為1.78 mm。隆起現象主要由于試驗段盾構施工時，掌子面施加的泥水壓力較大(240 kPa)，擠壓前方土體，造成前方地表發生隆起變形。當盾構刀盤到達斷面NK1+650時，隧道掌子面正上方各測點(S8-1~ S8-5)位置表現為沉降變形，最大沉降位于隧道中軸線對應的地表測點(S8-3)，其沉降量為1.88 mm，分析其原因，主要是斷面NK1+650距離試驗段較遠，所受的影響小，其泥水壓力相對設置較小(120 kPa)，斷面上方土體由于隧道開挖引起地層損失，地表測點出現沉降變形。

(a) NK1+700；(b) NK1+650

為研究在盾構隧道開挖推進過程中地表的橫向沉降整體變化規律，以2個典型斷面(NK1+700和NK1+650)為研究對象，通過研究2斷面對應測點地表沉降曲線在盾構開挖掘進中的變化情況，得出其變化規律。并結合實測數據進行比對，結果如圖7所示。從圖7(a)中可以看出：掘進至斷面NK1+ 700時，該斷面上測點的實測值與模擬值的趨勢一致，均為隆起變形，兩端測點的模擬值與實測值十分吻合，中間測點模擬值小于實測值，這是由于實際施工環境更為復雜所致。同時比較圖中掘進至不同斷面時得到的地表橫向變形曲線，隨盾構施工的推進，其橫向隆起變形減小，并逐漸轉化為沉降變形，分析其原因，這是由于斷面NK1+710后為正常施工階段，其泥水壓力設置較小，對前方土體的擠壓作較小，從而隆起變形量減小，隧道繼續開挖施工造成上方土體地層損失導致后期產生地表沉降。圖7(b)中模擬值與實測值雖趨勢有所差異，其原因在于斷面NK1+650實際的地層條件更為復雜，而模擬采用的是均以地層條件，但由于該斷面的泥水壓力設置較小，其地表變形呈現沉降，且變形量與實測值較為接近，地表橫向沉降槽隨盾構的推進而逐漸加深。基于以上分析可以得出：泥水壓力過大會導致地表產生隆起變形，通過實時改變泥水壓力可以有效的控制地表變形。

(a) NK1+700；(b) NK1+650

2.2.2 地表變形縱向分布規律

選取隧道中軸線正上方地表變形進行分析，圖7為縱向地表變形隨盾構掘進的變化曲線，并結合掘進至斷面NK1+670時的實測數據進行對比分析。從圖8可以看出：掘進至斷面NK1+670時，其有限元模擬得出的結果與實測結果趨勢一致，說明了該模型參數的設置基本滿足需求。模擬值總體較實測值偏小，模擬的最大隆起變形量為0.5 mm，最大沉降量為5.5mm。這是由于模型只模擬泥水壓力變化對地表變形的影響，而未考慮孔隙水壓力、同步注漿等因素。斷面NK1+710之前，由于模擬了頻繁停機過程，各測點地標變形模擬值與實測值一致，均表現為沉降變形。模擬的最大沉降至出現在開始掘進的斷面(NK1+760)，與實測不同，其最大沉降值出現在斷面NK1+720處，這是由于模型邊界所致。模擬值在斷面NK1+720處也出現了較小的沉降趨勢，這說明了模擬的盾構施工試驗段能很好的描述實際工況。模擬結果在斷面NK1+710之后也先后出現了較小的隆起變形，與實際結果趨勢一致，但隆起變形量小于實測值。對比掘進至不同斷面的地表縱向變形的曲線，可以看出：其整體趨勢相同，沿著隧道中軸線上的測點，地表均是由沉降變形逐漸轉變為隆起變形，且隆起變形量遠小于沉降變形量。由沉降變形突變為隆起變形的位置隨著盾構施工的掘進而逐漸向施工前進方向移動，地表變形量差值隨施工方向現增大后減小，最大差值出現在斷面NK1+720的位置。模擬結果表明地表變形受泥水壓力影響較大，盾構停工保壓過程中如泥水壓力設置過小會導致地表出現沉降變形。

圖8 掘進至斷面NK1+670地表縱向變形

3 地表變形控制措施

盾構施工時應不斷優化各施工參數，并使各參數相匹配，使其對周圍地層影響最小?；诠こ虒嵺`提出以下有針對性的地表變形控制措施。

1) 泥水壓力、泥漿流量及質量的控制[12]。因覆土厚度不斷變化，泥水壓力難以及時調節，為避免泥水壓力過小導致開挖面土體失穩，建議基于隧道最大埋深設定泥水壓力。當開挖面土層以黏性土為主時，黏土易結塊，泥水艙及泥漿泵易堵塞，為避免堵塞引起泥水壓力波動，應加大進出泥漿流量，提高泥漿攜帶土塊的能力。

2) 同步注漿及二次注漿控制。在盾構穿越施工時，掘進速度、刀盤轉速控制平穩，盡量做到勻速、不間斷通過，以減小對地層的擾動，實現在地層產生較大變形之前迅速完成同步注漿及二次補注漿作業，及吋補充地層損失，從而減小土體變形。

3) 盾構掘進速度及姿態控制。在保證開挖面穩定的前提下，盡可能快速地通過沿江大道，并避免盾構較長時間的擱置；推進軸線盡量與隧道軸線保持一致，減小糾偏量，減輕盾構與周圍土層之間的摩擦。南線在根據北線先期施工經驗調整施工參數后，其中掘進速度的調整情況如圖9所示，南線掘進速度明顯大于北線，由兩線實測數據對比可知南線地表變形小于北線。

圖9 南北線掘進速度變化曲線

4) 在沿江路段上布置合理的監測點位，加大監測頻率，密切關注地表沉降情況，根據監測結果實時優化掘進參數。

5) 盾構穿越后的處理。在盾構穿越后，仍需長期監測，掌握沿江路段的沉降狀況，沉降監測應持續到沉降穩定為止。

4 結論

1) 盾構隧道掘進引起的地表橫向沉降分布曲線形態和經典Peck沉降曲線有一定差別，斷面NK1+700呈現明顯的隆起變形。主要是因為在斷面NK1+700前方為盾構試驗段，其泥水壓力設置過大，大于土體側壓力使被測斷面產生隆起變形。斷面NK1+650隨盾構掌子面推進基本表現為沉降變形，但并非關于隧道中心線對稱，這主要由于地層不均一巖性變化較大所致。

2) 盾構隧道施工引起的縱向變形最大隆起值為3.98 mm，最大沉降值為9.28 mm。由監測結果可知，地表隆起和沉降變化主要受泥水壓力變化影響。泥水壓力在盾構機停機保壓過程中會沿地層裂隙往外滲透流失，從而導致掌子面難以處于保壓平衡狀態，當土體側壓力大于泥水平衡壓力時，容易產生地表沉降。盾構機突然啟動，重新建立掌子面動態平衡后，在較大泥水壓力作用下，刀盤前方土體又產生隆起變形。

3) 通過有限元軟件Midas GTS-NX對該區間段施工進行模擬，模擬過程采用不同掘進壓力擬合實際施工情況。盾構通過斷面NK1+700表現為隆起變形，斷面NK1+650呈現沉降變形，最大值都出現在隧道中心線位置，縱向地表變形曲線趨勢與實測結果基本一致。對比數值分析的結果和現場監測數據分析，得到了地表隆沉變形隨盾構泥水壓力變化的趨勢。

4) 結合過江隧道穿越沿江路段的現場監測結果以及針對該工程的數值模擬結果分析得出：本工程中影響地表變形的因素主要是泥水倉壓力的變化。在沿江大道上布置合理的監測點位，并加大監測頻率，時刻關注沿江大道地表變形情況，根據監測結果實時調整優化掘進參數，尤其泥水倉壓力，防止其設置過大導致地表隆起量過大。結合數值分析、現場監測與工程實踐，提出合理的施工控制措施，優化掘進參數，減小盾構掘進對地表沉降的 影響。

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(編輯 蔣學東)

Surface deformation characteristics cross the river during slurry shield tunneling

LI Jun1, HUANG Shuai2, HUANG Linchong2, LIANG Yu2

(1. Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, China;2. School of Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China)

Based on a real project of cross river shield tunnel, the influence of shield driving on ground deformation had been studied, by combing the analysis of field monitoring and three-dimensional finite element simulation. The results show that: the longitudinal settlement is greatly affected by the slurry pressure fluctuation during shield driving. The lateral deformation of ground surface caused by shield driving is different from the one obtained from traditional Peck settlement curve. Longitudinal deformation of ground shows the trend of settlement first and then uplift, and the slurry pressure should be adjusted to control the ground deformation in the process of tunneling. The simulation result is in accord with the field monitoring data, which indicates that the settlement could be under control if some related measurements are adopted.

slurry pressure; ground deformation; shield tunnel; finite element simulation; monitoring analysis

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.019

U455.43

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1252 ? 08

2018?06?21

國家自然科學基金資助項目(51678578 & 51708564)；中國博士后科學基金面上資助項目(2018M633223)；廣東省交通運輸廳科技資助項目(2016?02?026)；廣州市科技計劃資助項目(201704020139 & 201804010107)；高?；究蒲袠I務費中山大學青年教培育資助項目(18lgpy31)

梁禹(1986?)，男，湖南長沙人，副研究員，博士，從事隧道工程研究；E?mail：liangyu25@mail.sysu.edu.cn