復合地層埋深突變條件下盾構施工掘進參數分析

摘要 以成都軌道交通30號線高碑壩出入段下穿成雅高速公路為工程背景，同時考慮復合地層和埋深突變的影響，對盾構施工掘進參數進行統計分析，得出平均土壓、注漿壓力、注漿量、盾構推力、刀盤扭矩和掘進速度在復合地層和埋深突變情況下的變化趨勢，最后提出該施工條件下的掘進參數優化建議。主要結論：（1）平均土壓與埋深呈變化的倍數關系，其中倍數的大小與地質條件有關；（2）注漿方量與圍巖滲透性有關，需依據不同地層條件進行取值；（3）盾構推力受復合地層和埋深突變的影響不大，但應減少盾構推力變化幅度，保持平穩；（4）刀盤扭矩和掘進速度應根據開挖面硬巖比設定合理的數值，同時應避免參數突變。

關鍵詞 盾構隧道；復合地層；埋深突變；掘進參數；統計分析

中圖分類號 U455.43 文獻標志碼 A

0引言

近年來，隨著我國城市軌道交通的大力修建，盾構法施工因其具有對周邊環境影響小、地層適應范圍廣、施工速度快等優點被廣泛應用于城市地鐵隧道建設中。但在盾構施工過程中若選取不恰當的掘進參數極易導致路面沉降過大、盾構姿態難以控制等問題［1-2］，尤其在復合地層和埋深突變條件下盾構施工工程中更為突顯。

較多學者對盾構隧道掘進參數的選取開展了研究。例如：羅宇勤等［3］針對黏土地層，分析了埋深對掘進參數的影響，其中盾構總推力和平均土倉壓力與埋深呈正相關關系。羅錫波等［4］分析了盾構“V”型坡施工時各掘進參數的變化規律，土倉壓力和掘進速度受“V”型坡的影響明顯。李經緯［5］針對上軟下硬復合地層，分析了各掘進參數與地質條件之間的相關性，得到開挖面硬巖比例增大時，總推力和刀盤扭矩隨之增大，掘進速度變慢。趙博劍等［6］等研究了復合地層中盾構掘進參數與地層的相關性，并給出各掘參數的選取依據。秦佳佳［7］通過數值計算方法，分別分析了軟土、硬巖和復合地層條件下土倉壓力和注漿壓力對地面沉降的影響規律，得到上述參數受地層和埋深的限制較大。沈翔等［8］針對復合地層，通過引入灰色系統理論下的GM預測模型對掘進推力進行了預測，在實際施工中驗證了參數選取的合理性。徐一帆等［9］等利用BP神經網絡，考慮巖體強度和開挖面硬巖占比等條件，預測總推力和刀盤扭矩的取值，平均預測誤差小于15%。文佳等［10］將復合地層硬巖比引入盾構掘進速度預測模型，預測的準確性得到現場實測的驗證。

分析上述文獻可知，針對復合地層盾構掘進參數研究成果較多，但是針對復合地層埋深突變條件下盾構掘進參數研究相對不足，因此，本文依托成都軌道交通30號線高碑壩出入段區間盾構下穿成雅高速公路工程，對復合地層埋深突變條件下盾構掘進參數與地表沉降的相關性開展分析，相關研究成果可為類似工程提供經驗。

1工程概況

成都軌道交通30號線高碑壩出入段區間盾構穿越成雅高速公路工程土層自上而下主要有：lt;0gt;高速路基、lt;1-2gt;雜填土、lt;3-8-1gt;稍密卵石土、lt;3-8-2gt;中密卵石土、lt;3-8-3gt;密實卵石土、lt;5-1-2gt;強風化泥巖和lt;5-1-3gt;中風化泥巖。盾構穿越地層復雜多樣，土體強度差異較大，主要為密實卵石土、強風化泥巖和中風化泥巖，該段工程地質條件如圖1、圖2所示。

該區段盾構隧道襯砌外徑Φ6m，內徑Φ5.4m，管片幅寬1.2m，厚度0.3m，左右線保持水平且間距為6m。

2沉降分析

2.1監測方案

盾構穿越成雅高速公路前，對研究區段進行沉降測線和測點的布置，其平面布置如圖3所示。

地表沉降測線沿線路中線按5m間距布設，下穿成雅高速公路段適當加密測點，橫向地表沉降測點在施工影響范圍內地表非等距布置。

2.2地層條件對沉降的影響分析

盾構開挖會對周邊地層產生力學響應，其中地層條件是影響地層響應強弱的關鍵因素，圖4和圖5分別為出段線和入段線軸線地表沉降。

盾構在DBC1475測點的位置進入泥巖地層，在DBC1425和DBC1420測點之間達到硬巖比（泥巖厚度與隧道開挖半徑的比值）最大，隨后逐漸減小。而入段線所選區間盾構均處于卵石地層。

由圖4可知，出段線盾構進入泥巖地層后沉降曲線由明顯波動，硬巖比越大沉降越小。而入段線盾構均處于卵石地層，其沉降曲線（圖5）波動較出段線不明顯。上述分析表明：隧身所處地質條件越好，沉降相對越小；軟硬地層交界處存在沉降突變，需控制好盾構掘進參數。

3盾構掘進參數分析

為探究復合地層埋深突變情況下，各掘進參數的變化趨勢，對雙線盾構下穿成雅高速公路工程中具有復合地層特征的出段線盾構掘進參數開展分析。本節主要分析受埋深突變影響較大的25～125環的掘進參數，其中在44環～54環隧道埋深由5.6m突增到11.5m；在80環到90環隧道埋深由12.5m銳減到7.2m；在70環開始進入泥巖地層，在100環的位置硬巖比達到最大，隨后硬巖比逐漸減小至0（120環）。

3.1平均土壓

圖6為盾構施工的平均土壓、地表沉降和埋深三者之間的關系，主要性質表現為：

（1）平均土壓與埋深存在變化的倍數關系，具體表現為圖6中平均土壓與埋深近似平行，但倍數關系不同，主要原因是由于在70環附近盾構開始進入復合地層，上覆土重度和靜止土壓力系數的增加，導致倍數變化。

（2）平均土壓力和沉降存在滯后的負相關關系，主要表現為30～50環時土壓維持在最低的0.9MPa附近，此時沉降并未出現最大值，而是滯后15環出現最大值-11.2mm。同理土壓在55環附近開始迅速提高，沉降在78環得到響應，滯后23環。這是由于較大的土壓會使前方地表隆起，進而可以抵消盾構開挖之后所產生的沉降，最終可將地表沉降控制在合理范圍內，但需注意地表隆起的控制標準。

3.2同步注漿壓力及方量

（1）注漿壓力與埋深和地層條件關系不大，其值在0.145～0.175MPa左右波動。

（2）注漿壓力與沉降相關性較好，在73環注漿壓力為遠低于波動范圍的0.115MPa，導致沉降過大，在78環和98環注漿壓力為0.175MPa，達到波動范圍內最大值，導致附近測點沉降較少。

圖8為注漿量、地表沉降和埋深三者之間的關系，主要表現性質為：

（1）注漿量與地層條件有關。除了66環注漿量數據異常以外，盾構在砂卵石地層開挖時，注漿量維持在5.0～5.5m3，盾構砂卵石泥巖復合地層開挖時，注漿量維持在5.5～6.0m3。因此在施工時應及時根據地層條件選擇合適的注入率，并修正注漿量。

（2）注漿量與埋深關系不明顯。

3.3盾構推力

圖9為盾構推力、地表沉降和埋深三者之間的關系，主要性質表現為：

由圖9可知，盾構推力受復合地層和埋深突變的影響不大，但55～65環盾構推力明顯高于全段平均推力（11620kN），過大的地層擾動導致地表出現較大的沉降（-11.2mm），因此應控制盾構推力在合理范圍之間波動，防止盾構推力發生突變。

3.4刀盤扭矩

圖10為刀盤扭矩、地表沉降和埋深三者之間的關系，主要性質表現為：

（1）刀盤扭矩與地層條件存在一定相關性。盾構在85～100環時（硬巖比最大）的刀盤扭矩明顯比100～125環（全斷面砂卵石）大，且85～125環不受埋深突變的影響。造成這一現象的主要原因是隨著硬巖比的減小，刀盤所受阻力減小，刀盤扭矩也相應的減少。

（2）刀盤扭矩與埋深關系不明顯。

3.5掘進速度

圖11為掘進速度、地表沉降和埋深三者之間的關系，主要表現性質為：

（1）掘進速度與地層條件存在一定相關性。盾構機在砂卵石地層（60～75環）掘進速度最快，其平均值達到48.19mm/min，在進入泥巖地層后速度明顯減少，在硬巖比達到最大值附近（102環）時掘進速度為37.61mm/min，最后隨著硬巖比的減小，掘進速度有一定程度的增加。

（2）掘進速度與埋深關系不明顯。

4結論

本文主要對盾構下穿成雅高速公路監測數據進行了分析，研究了地層條件、土倉壓力、注漿壓力及方量、掘進速度、刀盤扭矩和總推力對地表沉降的影響。主要結論有：

（1）通過分析地層條件對地表沉降的影響可知，隧周地質條件越好沉降越少，且軟硬地層交界處存在沉降突變，需控制好盾構掘進參數。

（2）通過分析土倉壓力對地表沉降的影響可知，土倉壓力與埋深存在變化的倍數關系，且與沉降存在滯后的負相關關系，建議在埋深突變的施工段中，根據埋深和地質情況科學的計算土壓力值，并提前20環左右逐步變換土倉壓力，以防止地表沉降過大，同時還需更加關注施工前方地表隆起量。

（3）通過分析注漿壓力和注漿量對地表沉降的影響可知，注漿壓力與埋深和地層條件關系不大，其值在0.145～0.175MPa之間波動，但與沉降相關性較好。注漿方量主要與圍巖滲透性有關，需依據不同地層條件進行取值變化。

（4）通過分析盾構推力對地表沉降的影響可知，盾構推力受復合地層和埋深突變的影響不大，但沉降突變點亦發生在推力變化較大處，因此減小推力變化幅度，保持盾構的平穩推進可以減小對土層的突然擾動可以減小地表沉降突變。

（5）刀盤扭矩和掘進速度的設定與地層條件存在一定相關性，根據不同的硬巖比設定合理的掘進參數有助于控制地表沉降，同時應避免參數突變。

參考文獻

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