粉質黏土地層超大直徑泥水盾構隧道地表變形與施工參數相關關系研究*

吳 柯 張曉平② 劉 浩 孫文昊 張心悅 張亮亮 張 健 李春林

(①武漢大學土木建筑工程學院，巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室， 武漢 430072， 中國)

(②武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 武漢 430072， 中國)

(③中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063， 中國)

(④濟南城市建設集團有限公司， 濟南 250031， 中國)

0 引 言

盾構法憑借其安全、經濟、快速等特點廣泛應用于各種隧道項目建設中。我國盾構較早應用于上海、廣州、北京等地區所代表的軟土地層、復合地層以及砂卵石地層，且在建設過程中積累了豐富的經驗。目前，盾構法已是一種相對較為成熟的隧道施工方法(王夢恕， 2014； 唐少輝等， 2020)。隨著城市發展需求日益多元化，盾構隧道目前也朝著長距離、大直徑、高水壓等方向發展。

盾構施工過程中對沿線地層的擾動難以避免。目前，國內外眾多學者結合理論分析、數值模擬和工程案例系統分析了盾構隧道地層變形的發展過程、變形大小以及地層擾動規律和土體變形特征(謝文斌等， 2011; 周慶合， 2020)。研究結果表明：地表變形量與上覆土體物理力學性質密切相關，隨黏聚力、內摩擦角以及壓縮模量的增大而逐漸減小。基于參數敏感性的分析結果顯示：相較于壓縮模量，地表變形對黏聚力的敏感性相對較低(郭樂， 2017; 張洋等， 2019)。袁大軍等(2009)將超大直徑泥水盾構掘進過程中對土體的擾動分為4個階段，并明確指出：盾構通過階段對土體的擾動相對最大，盾構推進中土體的顯著應力擾動區域約為軸線兩側各一倍洞徑。此外，相關學者指出：盾構施工引起的地表變形具有很強的時間和空間效應，不同類型地層中采用相同開挖方式的地層變形規律基本一致，但具體的地表變形量存在顯著差異(郭建濤， 2009; 翟振宇， 2012)。

盾構施工參數與隧道地表變形之間具有復雜的非線性關系。通過對盾構施工關鍵參數進行合理的優化控制，能夠有效減少對施工環境和沿線建構筑物的影響(趙曉彥等， 2017; 胡茂興， 2019)。國內外眾多學者通過理論研究、經驗公式、數值模擬、深度學習、案例調研等諸多方法分析了大直徑泥水盾構在下穿高危管線、堤壩建筑、沉降敏感區以及不良地質層中施工參數對地面沉降的影響規律(周雋， 2015; 黃平等， 2016; 張嚴等， 2020)。其中：魏綱等(2006)通過彈塑性理論解析法推導了盾構施工工程中由正面附加推力、盾殼與土體間的摩擦力引起地面變形的計算公式。范文超等(2020)采用BP神經網絡建立了復合地層中超大直徑泥水盾構施工參數預測模型，實現了刀盤轉矩、泥水壓力等盾構掘進參數的定量預測。張世杰等(2018)研究了砂土層中注漿抬升效應的內在機制，獲取了地表變形量與注漿量、加固寬度、地層埋深、地層參數等之間的定量關系以及計算公式。王凱等(2019)結合蘇埃通道工程案例，分析了超大直徑泥水盾構刀盤推力和轉矩，建立了相應的理論計算模型，提高了軟土地層盾構推力和刀盤轉矩的計算準確性。李方毅等(2021)利用粒子群算法(PSO)對支持向量機的超參數組合進行優化，提高了氣壓輔助掘進工法中地表變形量預測模型的準確性和適用性。施有志等(2021)考慮施工影響因素，通過建立三維數值模型精確模擬和研究了盾構掘進過程中施工力學效應。魏綱等(2021)將現有的盾構施工對既有臨近隧道影響的模型試驗研究進行對比和歸納，總結得出在頂推力、隧道間距、穿越順序等因素不同的情況下盾構施工對既有隧道造成的影響規律。

綜上所述，目前針對泥水盾構施工引起地層變形的規律特征以及影響因素已形成了相對一致的理論觀點。然而，有關盾構施工參數優化的研究適用范圍有限，針對粉質黏土地層超大直徑泥水盾構下穿重要建筑結構的研究較少，相關工程經驗匱乏。有鑒于此，本文以濟南黃河隧道為工程背景，結合盾構施工參數和地表變形數據，分析了地表變形特征隨盾構施工參數的變化規律。并針對粉質黏土地層隧道施工監測數據進行分析，提出了超大直徑泥水盾構下穿建構筑物的施工關鍵控制參數。相關研究成果可為類似條件下粉質黏土地層超大直徑盾構隧道地表變形分析和施工參數優化等提供理論依據和技術支撐。

1 工程地質概況

濟南黃河隧道是我國第一條下穿黃河的超大直徑盾構隧道，也是國內目前開挖斷面直徑最大的公鐵合建隧道。如圖1所示，盾構段隧道全長3.7km，最大埋深54.60m，開挖直徑為15.76m，采用泥水平衡盾構施工。隧道沿線地層主要以粉質黏土為主，也包括黏質粉土、砂質粉土、粉砂、細砂以及鈣質結核等，沿線里程WK2+832～WK3+499區間中地層分布情況以及埋深如圖2所示。其中：上部地層為粉質黏土、黏質粉土，多呈軟塑-可塑狀，壓縮性較高，承載力較低，黏粒含量介于18.9%～33.6%之間，平均含量為26.9%。下部地層為粉質黏土、黏質粉土，多呈可塑-硬塑狀，局部富集有鈣質結核。沿線里程WK2+832～WK3+499中地層的物理力學性能參數如表1所示。此外，隧道沿線下穿鵲山西村低矮房屋群，穿越總長度為271m，鵲山西村中建筑物均為淺基礎磚砌結構。盾構下穿鵲山西村建筑群時，隧道埋深為25.2～38.1m，主要位于⑥、⑦、⑧粉質黏土地層中。

圖1 隧道縱斷面示意圖(單位： m)

圖2 地層分布以及埋深示意圖(WK2+832～WK3+499)

表1 地層土體物理力學參數(WK2+832～WK3+499)

2 超大直徑盾構隧道地表變形規律分析

2.1 超大直徑盾構隧道沿線地表變形監測方案

盾構段地質條件復雜，且下穿建筑物、市政基礎設施等，對施工期間隧道沿線地表變形進行實時監測，能夠有效反映盾構施工對周圍地層的影響，便于及時進行隧道施工安全評估。隧道沿線地表變形監測點的布置情況如圖3所示。

圖3 隧道沿線地表變形監測點分布情況(WK3+480～WK3+156)

其中：橫向監測斷面(DBC)按照10m的間距垂直于隧道軸線方向分布，在盾構下穿建筑結構時按照5m間距進行加密布設(圖3)。橫向監測斷面中的監測點垂直于隧道軸線按照由近及遠間距逐漸增大的基本原則依次布設，相鄰兩監測點的間距分別為3m， 5m和8m(或10m)。地表變形的監測頻率為1～2次/天，當盾構下穿構筑物時地表變形監測頻率調整為3～4次/天。本文主要以盾構掘進過程中隧道軸線正上方監測點的地表變形監測數據為例進行分析。

2.2 粉質黏土地層隧道地表變形特征規律分析

表2為盾構10-175環區間(里程WK3+480～WK3+156)范圍內盾構軸線處各監測點在測量周期中單次最大變形量和最終變形量數據統計結果。其中：監測點DBC07-05～DBC09-05的最終變形量小于-13mm，最大變形量小于-4.9mm；

表2 隧道軸線監測點處變形量統計

監測點DBC11-05～DBC22-2-06的最終變形量大于20mm，最大變形量普遍大于10mm，且部分監測點最終變形量高達90mm； DBC23-06～DBC28-2-06中最終變形量和最大變形量的絕對值普遍小于10mm； DBC29-06～DBC35-2-06中最終變形量和最大變形量普遍小于5mm。

根據盾構軸線處地表監測點的數據統計分析結果，將粉質黏土地層中超大直徑泥水盾構隧道軸線處地表變形曲線劃分為沉降型、隆起型、高斯型以及波動型4種類型，如圖4所示。其中：沉降型和隆起型是不符合實際工程預期的，前者最終均產生13～43mm的沉降變形，后者最終普遍產生20～90mm的隆起變形。若隧道沿線周圍存在建構筑物，會對其造成嚴重的損傷破壞。此外，高斯型曲線中最終變形量和最大變形量基本位于0～10mm的范圍，波動型曲線中最終變形量和最大變形量控制在5mm以內，兩者對盾構隧道沿線環境的影響程度相對較小。

圖4為隧道軸線上方部分監測點處的地表變形隨監測時間的變化規律曲線。其中：虛線代表盾構刀盤到達監測點下方。從圖中可以看出：盾構施工引起的地表變形在盾構到達前、盾構通過、盾尾脫離以及盾構遠離4個階段呈現出不同的變化特征。數據統計分析結果表明，盾構通過和盾尾脫離階段中地表變形量最大，可占到總變形量的50%以上。此外，在盾尾脫離階段中，盾尾同步注漿施工流程均引起不同程度的隆起量。

圖4 4種類型地表變形曲線

圖5為不同盾構環號的隧道埋深和隧道軸線處地表最終變形量曲線。從圖中可以看出：盾構隧道施工過程中， 0～20環區間范圍內，隧道軸線上方地表出現沉降變形，其中監測點DBC08-05處的最大沉降量達到45mm； 21～80環區間范圍內，隧道軸線上方地表出現隆起變形，其中監測點DBC15-06處地表最大隆起量達到110mm； 在81～175環范圍內，隧道軸線上方地表變形逐漸趨于穩定，變形量均控制在10mm以內。

此外，在0～175環區間范圍內，圖5中盾構隧道埋深以及隧道軸線處地表最終變形量分析結果顯示：隨著隧道埋深逐漸增加，隧道軸線上方地表變形量呈下降趨勢。通過與類似盾構隧道地表變形進行對比分析發現：當隧道埋深增加至一定程度時，變形量不再隨隧道埋深增加而減小(馮寧寧， 2017)。

圖5 隧道軸線處地表最終變形曲線

3 盾構施工參數與地表變形之間的相關性分析

3.1 盾構施工參數之間的相關性分析

郭建濤(2009)通過研究分析發現，與隧道地表變形密切相關的泥水平衡盾構施工參數主要包括：泥水壓力、刀盤推力、掘進速度、刀盤扭矩、貫入度、注漿量、注漿壓力、水土壓力等。

如表3所示，本文采用SPSS軟件對8個泥水盾構施工參數之間的相關性關系進行了分析，并通過Pearson系數指標描述不同盾構施工參數之間的相關程度。Pearson系數取值位于[-1， 1]范圍內，正值表示正相關，負值表示負相關，等于0時為無相關性，Pearson系數的絕對值越大表示相關程度就越高。從表中可以看出：刀盤推力與泥水壓力、注漿壓力和水土壓力的相關性系數分別為0.737， 0.625， 0.705，具有顯著的正相關關系； 泥水壓力、注漿壓力和水土壓力三者間的相關性系數分別為0.776， 0.844， 0.843，三者間具有顯著的正相關性； 貫入度與掘進速度的相關性系數為0.697，具有顯著的正相關關系； 貫入度與泥水壓力的相關性系數為-0.557，具有一定的負相關關系； 其他盾構施工參數間相關關系不明顯。

表3 盾構施工參數之間的相關性分析

3.2 盾構施工參數與地表變形之間的相關性分析

盾構施工參數相關研究和工程案例(林存剛等， 2012; 葉飛等， 2014)中普遍認為泥水壓力、注漿壓力與水土壓力的差值在盾構施工參數優化分析中適用性更好。選取0～350環的區間范圍內，泥水壓力與水土壓力的差值和比值、注漿壓力與水土壓力的差值和比值、注漿量、刀盤推力、掘進速度和刀盤扭矩、貫入度，共9個參數指標，分析其與隧道軸線處地表最終變形量之間的相關關系。

參數間相關性分析中采用Pearson系數和Spearman系數進行相關性量化評估。其中：Spearman系數是利用單調方程評價兩個統計變量的相關性，衡量的是兩個變量的依賴性的非參數指標，計算公式為：

(1)

式中：ρ為Spearman系數；x、y為相關性分析中的兩組數據。

Spearman系數的取值范圍為[-1， 1]， 正值表示正相關，負值表示負相關， 0表示兩個變量不相關，絕對值越大表示相關性越強。此外，顯著性水平反映相關關系的可信度，相關性分析中假設兩個變量間具有相關性，顯著性水平的值為拒絕接受原有正確假設的概率，通常取公認小概率事件的概率(0.05)，即兩個變量間具有相關性假設正確的概率為95%。

如表4所示，泥水壓力和水土壓力的比值相關性系數為0.253，顯著性水平小于0.05，與隧道軸線上方地表最終變形之間的正相關關系較弱； 注漿壓力和水土壓力的差值以及比值與盾構軸線上方最終地表變形之間基本不具備相關關系； 注漿量與隧道軸線上方最終地表變形量的相關性系數大于0.55，顯著性水平小于0.05，兩者之間具有較好的正相關關系； 貫入度與隧道軸線上方最終地表變形的相關性系數小于0.27，顯著性水平小于0.05，兩者間有正相關關系； 刀盤推力與隧道軸線上方最終地表變形的相關性系數小于-0.2，兩者間有負相關關系； 刀盤扭矩與地表變形的相關性系數大于0.2，顯著性水平小于0.05，兩者間有正相關關系； 掘進速度與地表變形的相關性系數小于0.1，兩者間無明顯相關關系。綜上所述，盾構施工參數與隧道軸線上方地表最終變形之間的相關性程度中，注漿量相對最大，刀盤扭矩和貫入度相對次之，刀盤推力、泥水壓力、注漿壓力和掘進速度相對最小。

表4 盾構施工參數與隧道地表變形的相關性系數表

此外，參數統計分析結果表明掘進速度、刀盤扭矩和貫入度3個施工參數數據符合正態分布，其余盾構施工參數均不滿足正態分布。表4中顯示，不滿足正態分布的盾構施工參數數據中，Spearman系數適用性更好。

3.3 超大直徑泥水盾構施工參數優化分析

隧道地表變形與盾構施工參數、工程地質條件、周邊環境等因素密切相關(何國軍， 2011; 段寶福等， 2017)。圖6a為不同施工環數的注漿量、盾構埋深以及隧道軸線上方最終地表變形量，在20～80環的施工區間中，隧道軸線上方地表最終變形與注漿量的變化趨勢相似，具體表現為注漿量減少，最終變形量下降。此外，此段施工區間中，隧道軸線上方地表最終變形量呈較大隆起變形，與80～180環區間范圍的數據進行對比分析結果顯示在20～80環區間范圍中，注漿量過大是引起較大隆起變形的主要原因之一。

圖6 注漿量、泥水壓力以及隧道軸線地表變形曲線

葉飛等(2014)通過采用壁后漿液擴散理論推算同步注漿引起隆起變形的計算公式為：

(2)

式中：umax為隧道軸線上方地表隆起變形量；P為注漿壓力與水土壓力差值；R為隧道開挖半徑；E為彈性模量；v為泊松比；h為隧道埋深。

從上式中可以看出隧道軸線上方地表隆起變形與盾構隧道埋深呈反比例關系，與圖6a中20～80環區間范圍中隧道軸線處地表變形具有相同的特點：隧道埋深小于一倍洞徑時，注漿量對地表隆起變形的影響顯著； 當盾構埋深大于一倍洞徑時，影響程度相對較小。此外，當隧道埋深小于一倍洞徑時，注漿充盈經驗系數(135%～215%)難以滿足工程實際需求。通過將注漿充盈系數降低至111%～130%，可以有效防止隧道軸線上方地表過度變形。

圖6b中泥水壓力和隧道軸線處地表最終變形結果分析顯示：在0～20環的區間范圍內，隨著泥水壓力逐漸增大，隧道軸線處地表最終沉降變形逐漸減少，該施工區段中注漿壓力偏小是引起沉降變形的主要原因之一。

盾構施工參數與隧道軸線上方地表變形的相關性分析結果顯示，泥水壓力與地表變形量的相關性程度很低。但是，通過對0～20環施工區段的地表最終變形數據進行分析可以看出，泥水壓力對開挖面前方土體沉降變形具有顯著影響，結合兩者可以認為合理的參數控制能夠有效降低施工參數對地表變形的影響。如圖5所示，在81～185環區間范圍內，隧道軸線上方地表變形量趨于穩定，最大變形量小于10mm，盾構施工參數相對合理。

如圖7所示，通過對81～185環區間范圍內盾構施工參數進行分析，可以看出，泥水壓力、刀盤推力、掘進速度、注漿量、注漿壓力和刀盤扭矩具有集中分布的特點。其中：扭矩、掘進速度、注漿壓力與水土壓力的比值滿足正態分布。如表5所示，通過對盾構施工參數特征值進行分析發現，當泥水壓力的取值比水土壓力高103～127kPa，注漿壓力比泥水壓力高287～372kPa，注漿量為30～32m3，刀盤推力為77～84MN，刀盤扭矩為5.2～6.4MN·m，掘進速度為15～19mm·min-1時，盾構地質適應性相對較好，隧道軸線上方地表沉降相對較小，可以作為超大直徑泥水盾構穿越粉質黏土地層推薦施工參數。

圖7 盾構施工參數數據統計分析

表5 盾構參數數據特征值統計

4 超大直徑泥水盾構下穿建筑物施工控制參數

如圖8所示，在盾構下穿鵲山西村建筑群區間(175～350環區間，里程WK3+156-WK2+832)范圍內，泥水壓力的變化范圍為300～400kPa，比水土壓力約大120MPa。注漿壓力變化范圍為600～1000kPa，比水土壓力約大340MPa，泥水壓力和注漿壓力符合超大直徑泥水盾構施工參數優化分析中提出的推薦施工參數取值范圍。此外，通過分析曲線的變化特征可得，隨著埋深的增加，泥水壓力和注漿壓力呈逐漸上升的趨勢。

圖8 泥水壓力和注漿壓力曲線

表5中統計參數結果顯示，在81～175環區間范圍內，刀盤推力的變化范圍為77～84MN。如圖9中刀盤推力和掘進速度變化曲線所示，盾構進入建筑群區段(175～350環區間范圍)后刀盤推力的變化范圍為 94.2～105.4MN，刀盤推力顯著增大。此外，在81～175環區間范圍內，掘進速度的變化范圍為14.9～19mm·min-1，進入建筑群區段后掘進速度的變化范圍為 12.7～18mm·min-1，兩段不同的盾構區段中掘進速度基本保持不變。

圖9 刀盤推力和掘進速度曲線

圖10為注漿量和刀盤扭矩的變化曲線，在建筑群區段(175～350環區間范圍)注漿量的變化范圍為39～48m3，刀盤扭矩的變化范圍為7.2～9.6MN·m，相較于81～175環區間范圍，注漿量和刀盤扭矩均有顯著的增長。

圖10 刀盤扭矩和注漿量曲線

JZ01-04，JZ03-04，JZ05-03，JZ07-03，JZ08-03，JZ17-03，JZ19-05，JZ21-03，JZ23-03，JZ25-05，JZ25-05共10個監測點為位于鵲山西村建筑群中隧道軸線處的地表變形監測點，各監測點的地表最終變形量以及施工參數情況如表6所示。統計結果顯示建筑群區段(175～350環區間范圍)地表變形控制良好，累計變形量均在2mm內。此外，盾構施工參數變化趨勢分析結果表明，在盾構進入建筑群區后，泥水壓力、注漿壓力、刀盤推力、刀盤扭矩以及注漿量均有不同程度的增加。此外，建筑群區段中盾構埋深從26.5m逐漸增加到37.7m，水土壓力從150.4kPa增加到285.6kPa，結合表3中盾構施工參數之間的相關性分析結果顯示，刀盤推力、注漿量、泥水壓力、注漿壓力與水土壓力間均有較好的正相關關系，埋深和水土壓力的增大會加大掘進過程中盾殼與土體的摩擦，影響刀盤推力、刀盤扭矩等盾構掘進參數，也會影響泥漿壓力和注漿壓力的取值。

表6 建筑群區段盾構軸線處地表最終變形量與施工參數

結合81～175環區間范圍以及建筑群區段(175～350環區間范圍)的分析結果，泥水壓力的取值比水土壓力高103～127kPa，注漿壓力比泥水壓力高287～372kPa的推薦取值區間在兩段施工區間中均具有較好適用性； 刀盤扭矩、刀盤推力以及注漿量則需根據盾構埋深的增大而相應增加。

5 結 論

本文以濟南黃河隧道為例，分析了地表變形特征隨盾構施工參數的變化規律。針對粉質黏土地層隧道施工監測數據進行分析，提出了超大直徑泥水盾構下穿建構筑物的施工關鍵控制參數。通過研究分析主要可以得到以下結論：

(1)通過對隧道軸線處地表最終變形監測數據進行統計分析發現，盾構引起地表變形具有較強時間效應，盾構通過和盾尾脫離階段引起的地表變形量占比最大。根據變形曲線特征，可將其分為沉降型、隆起型、高斯型和波動型4種類型。

(2)不同盾構施工參數對隧道軸線上方地表最終變形的影響存在顯著差異，注漿量影響程度相對最大，扭矩和貫入度相對次之，刀盤推力、泥水壓力、注漿壓力和掘進速度相對最小。當隧道埋深小于一倍洞徑時，注漿量對地表變形影響相對較大； 當隧道埋深大于一倍洞徑時，注漿量的影響相對較小。隧道軸線上方地表最終變形量隨盾構埋深的增加呈下降趨勢。

(3)刀盤推力與泥水壓力、注漿壓力以及水土壓力之間具有較好的相關關系，相應的Pearson系數大于0.6。當泥水壓力比水土壓力約大0.1MPa，注漿壓力比水土壓力約大0.3MPa時，盾構下穿建構筑物地表變形相對較小，盾構地質適應性得以顯著優化。