盾構施工引起砂卵石地層變形規律

陳威 朱威 吳爽

（1、華北科技學院，北京101601 2、江蘇縱橫工程顧問有限公司，江蘇 宿遷223800）

隨著我國經濟水平的迅速提高，城市建設也在迅猛發展，城市用地規模和人口規模不斷擴大，特別是一二線城市城市人口規模急劇增長，機動車數量迅速增長，而城市道路基礎設施明顯滿足不了需求。充分利用地下空間是解決城市地面交通擁堵問題，推動城市較好較快發展以及保護環境的最佳方式。

砂卵石地層廣泛分布在我國華北以及西南部地區[1-2]。砂卵石地層具有粘聚力幾乎為零，卵石分布具有隨機性，強度高以及高靈敏度等特點。在砂卵石地層中采用盾構法施工時，地層受到擾動超挖等影響會造成地層損失，細顆粒砂大量流失，卵石接觸形成孔洞，容易發生沉降或塌陷，對地面建筑造成不可逆轉的影響[3-4]，因此有必要對砂卵石地層隧道盾構施工引起的地層變形以及地面沉降進行分析，以期對類似工程提供參考和幫助。

1 工程概況及地層特性

北京地鐵16 號線萬壽寺站- 國家圖書館站區間隧道全長1489.947m。縱斷面上，萬壽寺站- 國家圖書館站區間為倒“V”字坡，埋深范圍16～22m。盾構施工從國家圖書館站始發，區間分別下穿南長河、紫竹院內湖、廣源大廈停車場，側穿紫竹橋橋樁，鄰近人濟山莊大樓等建筑。盾構管片厚0.3m，內徑5.8m，外徑6m，環寬1.2m，采用錯縫拼接方式拼裝。

區間地質情況：雜填土層，厚度為1～7m，分布不均；粉土層，厚度約為2m，埋深約為3～8m；粉質粘土層，厚度為2～4m，共有三層，埋深約為4m，10m，12m；砂卵石地層，厚度較大，埋深范圍約為10～25m，包含卵石和粉細砂，夾雜少量的粉質粘土。盾構隧道主要穿越砂卵石地層，隧道覆土厚度為16～22m，盾構從國家圖書館站向中間風井掘進，地層壓力逐漸增大。

2 大粒徑卵石

本段區間隧道范圍內，分布的卵石層（主要為卵石⑤層、卵石⑦層、卵石⑨層和卵石1○層）中不均勻分布有大粒徑的漂石，其分布規律在空間上具有隨機性，無明顯的成層規律。根據附近人工探井資料和本次鉆探結果，本區間附近地表下10.0～25.00m 之間普遍分布卵石，粒徑＞20mm 的卵石約含64.07%，局部分布有大漂石，漂石的分布隨機性較強，其中在地面下20.0～25.00m 范圍內，漂石含量較多，最大粒徑不小于300mm。大粒徑卵石會對隧道開挖和注漿加固產生較大影響，處理不妥會對地表環境造成很大影響。

3 砂卵石地層盾構引起的地層變形機理

砂卵石地層結構松散，顆粒粒徑大小不均，顆粒間無膠結力，粘聚力幾乎為零。卵石分布隨機，無規律，卵石間空隙大，被砂礫填充。地層受力主要以卵石點對點的接觸進行傳力，屬于壓應力傳遞，卵石之間的細小顆粒以及水分使得顆粒之間存在嚙合摩擦力[5-6]。

由于砂卵石地層具有松散的特性，所以在外界擾動作用下卵石之間的嚙合摩擦力很容易發生改變，因此砂卵石地層屬于力學不穩定地層。此外在無水情況下，地層受力靠顆粒骨架傳力，地層具有較高的靈敏度，受力敏感。當盾構機進行隧道掘進時必然會造成圍巖擾動，如果掌子面壓力不足或者排土量大于削土量，那么位于掌子面上方便會產生較大空洞區。由于卵石地層的骨架效應較好，在空洞區會產生臨時土拱，在一定時間內具有自穩性，地層中的細沙會從卵石顆粒間下落，當這個臨時拱再受到擾動時又會被破壞，拱上方土體塌落又會形成新的臨時拱。如此反復，由于隧道開挖引起的地層損失將傳至上一土層最終傳至地面形成沉降或塌陷。

4 盾構施工地層變形表現形式

盾構法施工引起的地層變形按照時間效應主要可以分為五個階段：由于盾構機擾動或掌子面壓力過大引起的開挖面之前位置的沉降或隆起，稱為先行沉降；受到盾構機掘進影響導致的地層損失所引起的沉降或隆起，稱為到達時沉降；盾構機刀盤到達檢測斷面，到整個盾構機通過是產生的沉降，盾構機在推進過程中盾殼與土體之間產生滑動剪切，導致土體產生側向滑移，由此產生的地層變形稱為通過時沉降；盾構機的盾殼直徑要略大于管片直徑，因此會產生空隙導致土體應力釋放，產生彈塑性變形，由此產生的地層變形稱為盾尾空隙沉降；施工結束后土體應力重分布，土體產生固結沉降，受到擾動的土體也會產生蠕變現象，產生次固結沉降，稱為長期固結沉降。

5 模擬實驗

根據地層信息選取合適區段進行研究，利用Midas 軟件建立了一個（長×寬×高）70m×24m×50m 的模型，如圖所示。根據文獻巖土體視為半空間無限體，隧道對于大于其3～5 倍范圍的土體影響較小，模型以外變形不予考慮。模型前后、左右和底面分別設置y 方向、x 方向和z 方向的約束，頂面為自由面。模型施加自重應力，采用摩爾- 庫倫模型模擬巖土材料，采用彈塑性單元模擬管片，管片厚度為300mm，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比0.2。模擬施工采用開挖- 盾殼支護- 管片支護的流程，共24 步。

6 數值模擬數據分析

隧道縱向地表沉降歷時曲線與上文提到的變形曲線趨勢一致，也大致可分為五個階段，但由于數值模擬無法真實模擬出土拱效應，所以模擬數據與下文實測數據有所差別，但整體走勢一致。隧道開挖對橫向地層影響較小，反彎點距開挖軸線較近，所表現出的凹陷很明顯。盾殼上部收到的壓力為負，盾殼兩邊所受壓力較大。這是由于土拱效應形成盾殼上部出現空洞，土拱的拱腳作用于盾殼兩邊，導致盾殼兩邊所受壓力較大。

7 盾構施工現場監測分析

萬壽寺站～國家圖書館站區間盾構隧道每10～20 環在地表設置一個橫向檢測斷面，每個斷面設置8～12 個檢測點。3 個隧道軸線正上方的監測點。三個測點的沉降歷時曲線基本一致，都可以分為上文述的五個階段，現取DB24-08 測點進一步分析。

第Ⅰ階段的沉降量較小，在開挖面前方約有0.25mm 的隆起現象，這是由于掌子面的壓力稍大引起的，而在距刀盤前較遠處已產生地層變形說明砂卵石地層具有敏感性，隨后由于盾構開挖的擾動在刀盤到達測點之前已有一部分的先行沉降，這部分的沉降量較小。

隨著盾構機的推進，刀盤到達測點位置，切削土體導致地層損失，地表沉降速率變大，沉降量迅速增長，約為6mm。

在盾構機在通過時由于前一階段土體已有地層損失，在此階段由于卵石的特殊屬性，地層產生了臨時性的平衡土拱，抵抗了地層的進一步變形。

在盾構機通過時由于存在盾尾空隙以及臨時拱的破壞導致地層變形進一步的增加，而且增加速率較大，其中在第Ⅳ階段可以看出有一小段的平臺段，根據上文介紹這是由于臨時拱在破壞后，地層進一步變形，而地層損失又會導致此臨時土拱之上又產生新的臨時土拱，從而阻礙了地層的進一步變形。

在第Ⅴ階段，由于盾構機遠離了檢測面，盾構機對此位置的土體影響很小，土體應力重分布，產生固結沉降，同時也伴隨著蠕變現象，最終地層趨于穩定。

圖1 實測點沉降量歷時曲線

圖2 測點DB24-08 沉降量隨開挖面變化關系曲線

8 結論

以北京地鐵16 號線萬壽寺站～國家圖書館站區間隧道土壓平衡式盾構法掘進為研究對象，結合土拱效應理論以及砂卵石的特殊性質對砂卵石地層隧道開挖引起的地表沉降進行分析及規律總結，得到以下幾點結論。

（1）由于砂卵石地層的特殊性質，砂卵石地層對于擾動具有敏感性，盾構機在砂卵石地層中掘進引起的地表沉降具有明顯的滯后性，盾構機通過時沉降曲線有一段平臺，地表沉降不明顯。（2）砂卵石地層地表橫斷面沉降槽較窄，反彎點距隧道中心較近，表現出明顯的凹陷型。（3）在盾構機脫出后沉降速率迅速變大，但由于土拱效應存在，沉降曲線不連續。這一階段的沉降累計值較大，沉降速率大，具有較大的危害性。