關鍵層理論在河漫灘地層盾構施工控制地面沉降中的應用

任 帥（中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司，上海 200135）

盾構法因其施工過程中不影響地面交通，對各種復雜地質條件適應性強，施工速度快且對地面建（構）筑物影響小而在地鐵隧道的施工中得到越來越廣泛的應用。但是，盾構施工過程中穿越重要建筑物或者穿過一些特殊地層時，不可避免的地表沉降會產(chǎn)生一些質量或者安全隱患[1]。

盾構施工地面沉降的主要成因有兩方面。一是施工期間的地面沉降，二是受擾動土體的工后地面沉降。施工期間地面沉降產(chǎn)生的原因主要是土體損失、正面附加推力、盾殼摩擦力和糾偏等。國內(nèi)學者對施工期間產(chǎn)生的沉降研究較多；事實上，受擾動的工后地面沉降為長期、緩慢的沉降過程，國內(nèi)學者對此研究甚少。但是有學者研究發(fā)現(xiàn)盾構隧道處于軟弱、高含水的土層中時，工后地面沉降會相當顯著。國外學者 Shirlaw 在大量隧道實測數(shù)據(jù)的基礎上總結得出，工后地面沉降可占總沉降量的 30%～90%。若對工后地面沉降不引起足夠重視，有可能引起嚴重的巖土工程問題。

山西省太原市地鐵 2 號線化章街站-通達街站-康寧街站區(qū)間單線全長 2 264 m，覆土厚度 10～17 m，地貌單元屬汾河漫灘平原區(qū)，距離汾河約 2.5 km，潛水埋深 1.2～4.5 m。區(qū)間穿越地層主要為粉質黏土、黏質粉土、粉細砂、中砂。兩區(qū)間均分布有飽和粉細砂土層，化-通區(qū)間液化等級為“輕微-中等”，通-康區(qū)間液化等級為“中等-嚴重”。液化土層在區(qū)間內(nèi)分布與隧道位置關系如圖 1、圖 2 所示。區(qū)間隧道均采用土壓平衡盾構機施工，管片外徑為 6.2 m，管片環(huán)寬 1.2 m，管片厚度為 0.35 m。

圖1 化章街站-通達街站區(qū)間液化土分布縱斷面圖

圖2 通達街站-康寧街站區(qū)間液化土分布縱斷面圖

針對太原市地鐵 2 號線 202 標段區(qū)間隧道存在液化土層的問題而言，盾構施工后受擾動的土體工后地面沉降較大。本文一方面通過對盾構推進過程孔隙水壓力的影響范圍進行檢測，另一方面則利用巖層力學的關鍵層理論對太原市地鐵202 標區(qū)間（化章街站-通達街站-康寧街站）隧道工后的地面沉降問題進行初步理論研究，以達到指導后期施工的目標。

1 研究方法

化章街站-通達街站-康寧街站區(qū)間隧道穿過的地層為粉細砂、黏質粉土、粉質黏土，由于土體的非均質性、各向異性，使得對隧道施工引起的地表沉降準確預測和預防變得非常困難。通過對盾構施工過程粉細砂層地層孔隙水壓力的監(jiān)測，得出盾構施工對孔隙水壓力擾動的范圍，進而對盾構注漿范圍提供指導作用。

通過注漿，對隧道上方土體進行加固，改變土體的力學性質，可將被加固土體看作一個“板”的結構，使用關鍵層理論對隧道上方地表沉降進行研究[1]。

由于巖體中的巖石均是分層的，所起作用不同，其分層特性也各有差異。一些較硬的、厚度較大的巖層起到“骨架”作用，承載主體的重量，并在巖層控制中起主要作用。因此，將把其稱作關鍵層[2]。正是由于這種控制作用，所以在其上部的全部或者局部巖層的下沉變形是彼此一致的，上部巖層也會隨著關鍵層的破斷而產(chǎn)生整體移動[3]。

研究表明，隧道拱頂上方土體變形過大對地表沉降影響最大[4]，因此，可以將隧道拱頂?shù)酿べ|粉土層作為控制層。利用注漿法對黏質粉土層進行加固，使之達到一定強度，形成 “彈性薄板”，作為控制沉降的“關鍵層”。

2 粉細砂地層中盾構施工孔隙水壓力原位監(jiān)測

2.1 孔隙水壓力原位監(jiān)測布點方案

本次原位監(jiān)測布點選取了化-通區(qū)間右線隧道的 4 個監(jiān)測斷面，即 YDK 8 ＋ 850、＋ 860、＋ 870 和 ＋ 880。選取了通-康區(qū)間雙線隧道的 2 個監(jiān)測斷面，YDK 9 ＋195 和 ＋205。在右線隧道拱頂上方埋設 3 個孔隙水壓力計，隧道右側 1 m 埋設 4 個孔隙水壓力計，對應隧道下部、中部、頂部和上部各一個。在左右線隧道拱頂上方各埋設 3 個孔隙水壓力計，左線隧道左側 1 m，右線隧道右側 1 m，左右線隧道中間各埋設 4 個孔隙水壓力計，對應隧道下部、中部、頂部和上部各一個。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

試驗儀器于 2018 年 3 月 26 日埋設完畢，振弦傳感器初始值連續(xù) 3 d 讀數(shù)差 ＜ 2 kPa 即開始化-通區(qū)間數(shù)據(jù)采集，采用 32 通道無線數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。此時，化-通左線已貫通，化-通右線掘進至 780 環(huán)，開挖面里程 YDK 8 ＋750，測試區(qū)最近斷面 K 1（YDK 8 ＋ 850）位于盾構切口 103 m 處。監(jiān)測至 2018 年 4 月 16 日結束，此時盾構已順利接收，貫通里程為 YDK 8 ＋ 936，離開監(jiān)測區(qū) K 4 斷面（YDK 8 ＋ 880）約 56 m。測試大約 20 d 后，采集到盾構通過監(jiān)測區(qū)過程中孔隙水壓力的數(shù)值。

通-康區(qū)間于 2018 年 4 月 10 日開始數(shù)據(jù)采集，采用 32通道無線數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。此時通-康區(qū)間左右線均未始發(fā)，始發(fā)里程 YDK 9 ＋ 168，盾構切口距測試區(qū)最近斷面K 5（YDK 9 ＋ 195）約 27 m。監(jiān)測至 2018 年 6 月 1 日結束，此時左線掘進至 425 環(huán)，開挖面里程 YDK 9 ＋ 680，離開監(jiān)測區(qū) K 6 斷面（YDK 9 ＋ 205）約 475 m，右線掘進至 42 環(huán)，開挖面里程 YDK 9 ＋ 219，離開監(jiān)測區(qū) K 6 斷面（YDK 9 ＋ 205）約 14 m。測試大約 50 d 后，采集到盾構通過監(jiān)測區(qū)過程中孔隙水壓力的數(shù)值。

2.3 孔隙水壓力原位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）隧道縱向監(jiān)測點孔隙水壓測試分析。隧道縱向監(jiān)測點沿掘進方向依次為 K 1（K 1＇）、K2（K2＇）、K 3（K 3＇）、K 4（K 4＇）（對應里程 YDK 8 + 850、YDK 8 +860、YDK 8 + 870、YDK 8 + 880）。K 1 ～ K 4 位于隧道拱頂上方，每個測控均設 A、B、C 3 個測點，A 點距隧道開挖輪廓頂部 1.0 m，B 點位于A點正上方 1.5 m，C 點位于 B點正上方 2.0 m。K 1＇ ～ K 4＇位于隧道側向，每個測控均設 A、B、C、D 4 個測點，B 點與隧道中心線高度一致，A點位于 B 點下方 4.1 m，C 點位于 B 點上方 2.05 m，D 點位于 C 點上方 2.05 m。圖 3 為 K 1 斷面孔隙水壓變化曲線。

由圖 7 可知，K 1 斷面空隙水壓在盾構施工過程中變化比較大。其變化過程分為 3 個階段。第一階段為切口到達監(jiān)測斷面前的過程，第二階段為盾構到達監(jiān)測斷面到盾尾離開斷面過程，第三階段為盾尾離開監(jiān)測斷面的過程。

圖7 K 1 斷面孔隙水壓變化曲線

第一階段和第三階段的變化均比較平緩。第二階段時，當盾構到達監(jiān)測斷面時孔隙水壓力變化速率增大很快，孔隙水壓力的峰值出現(xiàn)在盾尾離開 K 1 監(jiān)測斷面時，K 1 A 測點 138.07 KPa、K 1 B 測點 109.93 KPa、K 1 C 測點 71.46 KPa、分別為切口到達時孔壓值的 2.05、1.51、1.72 倍。

整個過程中，隨著距離隧道開挖輪廓由近及遠的 A、B、C 3 點的孔隙水壓力始終有 A＞B＞C。盾構離開 K 1 階段產(chǎn)生的孔隙水壓如下。K 1 A 測點為 68.46 KPa、K 1 B 測點為 57.61 KPa、K 1 C 測點 36.76 KPa。

分析盾構通過 K 2、K 3、K 4 斷面時空隙水壓力的變化曲線，可知其趨勢與通過 K 1 時趨勢相同。

（2） 隧道橫向監(jiān)測點孔隙水壓測試分析。重點測試斷面K 5（YDK 9 ＋ 195)，橫斷面單側有 5 個監(jiān)測孔位，共埋深5 組孔隙水壓力計。圖 4 所示為 K 5 斷面隧道側向孔壓同一高度、同一時間變化曲線。

圖4 左線推進 K 5 斷面橫向測點孔壓變化時程曲線

左線推進隧道橫向側向測點 K 5-1 D、K 5-2 A、K 5-3 D、K 5-4 A、K 5-5 D 孔壓變化曲線顯示，盾構切口臨近時，K 5-1 D、K 5-3 D、K 5-5 D 孔壓較原來有所增長，分別為 10.42 KPa、14.83 KPa、15.46 KPa，K 5-4 A 因距離遠，埋深淺孔隙水壓幾乎未受到影響，孔壓為 3.74 KPa，位于正上方的 K 5-2 A 孔隙水壓受影響最大，為 45.3 KPa。

3 “彈性薄板”力學分析

加固后的黏質粉土層形成的“彈性薄板”在未破斷前可被視為連續(xù)介質。利用板的邊界條件，可以推導出“板”彎曲的撓度方程，進而可以推導出版的相關力學性質[5]。

薄板彎曲的基本方程精確解必須同時滿足微分方程和邊界條件才行。薄板彎曲時的邊界條件一般可分為直線邊緣和曲線邊緣兩類。本文把加固后土體形成的“薄板”的邊界條件簡化為直線邊緣的邊界問題。直線邊緣的邊界問題主要包括以下幾種情況。

（1）簡支邊界。簡支邊上的撓度ω和彎矩M為 0，可用式（2）表示。

加固土體“薄板”結構由于沿隧道長度方向已開挖擾動，其邊界條件可假設為簡支邊界。沿隧道寬度方向可以看作未擾動，其邊界條件可假設為固支邊界。故可以將薄板簡化為“兩邊固支兩邊簡支”的力學模型。

由于彈性薄板小撓度彎曲問題屬于線性彈性問題，由以上可知板的基本微分方程為線性微分方程，其解是可以線性疊加的。

本文建立的兩邊固支兩邊簡支模型的撓度求解采用鐵木辛柯提出的疊加法進行計算。

4 結 語

（1）液化土地層中盾構施工，盾構前方和側面孔隙水壓力整體均升高，形成超壓區(qū)。超壓影響范圍為盾構直徑的1.5 ～ 2 倍，在盾構機的前后方對土體的擾動最大。

（2）孔隙水壓力變化分為 3 個階段，通過監(jiān)測斷面前和盾尾通過監(jiān)測斷面后變化都比較平穩(wěn)，盾尾通過監(jiān)測斷面時孔隙水壓力達到最大，應引起足夠重視。

（3）注漿后加固土體形成的板結構在板的中間位置撓度最大，也最容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。后續(xù)施工中注漿過程要特別注意隧道拱頂上方注漿質量，保證板的剛度符合要求。

（4）后續(xù)施工中根據(jù)被加固黏質粉土層上方應力q以及撓度臨界值可確定“彈性薄板”的剛度要求，進而可以指導后期注漿量以及選擇合適類型的漿液，可有效地控制工后地表沉降。