毛建東

（浙江省錢塘江管理局嘉興管理處 杭州 310016）

王擁文 王梓燁

（浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院 杭州 310016）

1 前言

盾構(gòu)法是在地表以下土層或松軟巖層中暗挖隧道的一種施工方法，它是由法國工程師布魯諾爾于1818年從一種食船蟲在船身上打洞一事受到啟發(fā)而研究提出的，經(jīng)過近200年的應(yīng)用和發(fā)展，盾構(gòu)施工已為世界各國廣泛采用。但隧道盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過程中，周圍土體將受到擾動作用，應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化。國內(nèi)外許多學(xué)者對盾構(gòu)施工及其對地表建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的影響進(jìn)行了不同程度的分析研究。

R.B.Peck（1969）[1]通過大量地面沉陷數(shù)據(jù)以及工程資料分析，提出地面沉降槽呈正態(tài)分布。認(rèn)為地層移動由地層損失引起，施工引起的地面沉降在不排水條件下發(fā)生且土體體積不可壓縮（μ=0.5），則沉降槽體積應(yīng)等于地層損失體積，得出如下橫向地面沉降估算公式：

上二式中x——距隧道軸線的橫向水平距離，m；

S（x）——x處地面沉降量，m；

Smax——隧道軸線上方的最大地面沉降量，m；

Vloss——隧道單位長度的土體損失量，m3/m；

i——地面沉降槽寬度系數(shù)，m；即沉降槽曲線拐點至隧道軸線的水平距離。

O’Reilly和Loganathan[2-3]通過對各種地質(zhì)條件下開挖隧道時產(chǎn)生的地面沉降測試值的統(tǒng)計，研究分析了地表沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗計算公式。

徐方京[4-8]等通過不同方法研究了盾構(gòu)施工引起的土體擾動、地層移動以及地表沉降等變形規(guī)律。

2 工程概況

2.1 工程簡介

西氣東輸二線管道上海支干線錢塘江穿越工程位于錢塘江河口段，北接嘉興海寧市，南連杭州市蕭山區(qū)江東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，穿越長度3148m，采用泥水平衡盾構(gòu)隧道穿越方案，盾構(gòu)管片內(nèi)徑3.08m，隧道中心埋設(shè)高程確-14.49m，隧道穿越錢塘江北岸土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。盾構(gòu)穿越段為海寧魚鱗石塘，大部分建于雍正、乾隆年間，這些留存下來的古海塘是人類歷史勞動與智慧的結(jié)晶，有其不可估量的歷史、文化、工程技術(shù)價值。

2.2 地質(zhì)概況

該區(qū)域地貌屬錢塘江沖海相沉積平原區(qū)，場地各巖土層巖性特征分述如下：

①層：塘身填土，灰黃—灰色，稍密，很濕，主要由粉土組成，南側(cè)鉆孔上部發(fā)現(xiàn)50～80cm左右厚的碎石層，含腐殖質(zhì)。

②-1層：粉質(zhì)粘土，灰黃色，可塑，飽和，含鐵質(zhì)氧化物及有機(jī)質(zhì)，干強(qiáng)度中等，中等韌性，搖振反應(yīng)慢，切面光滑。

②-2層：粘土，灰黃色，可塑，飽和，含鐵質(zhì)氧化物及有機(jī)質(zhì)，干強(qiáng)度高，韌性高，搖振無反應(yīng)，切面光滑，油脂光澤。

③-1層：粘土，灰色，流塑—軟塑，飽和，含腐殖質(zhì)，干強(qiáng)度高，韌性高，搖振無反應(yīng)，切面光滑，油脂光澤。

③-2層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土，灰色，流塑，飽和，層狀構(gòu)造，層間夾粉土，含腐殖質(zhì)、貝殼粉末及云母，干強(qiáng)度低，韌性弱，搖振反應(yīng)快。

④-1層：粉質(zhì)粘土，灰黃色，可塑，飽和，含鐵質(zhì)氧化物及有機(jī)質(zhì)，干強(qiáng)度中等，中等韌性，搖振反應(yīng)慢，切面光滑，局部為粘土。

④-2層：粉土夾粉質(zhì)粘土，灰黃色，稍密，很濕，層狀構(gòu)造，層間夾粉質(zhì)粘土夾層，含鐵質(zhì)氧化物及有機(jī)質(zhì)，干強(qiáng)度低，韌性弱，搖振反應(yīng)快，切面粗糙，無光澤。

⑤-1層：粉土夾粉質(zhì)粘土，灰色，稍密，很濕，層狀構(gòu)造，層間夾粉質(zhì)粘土，含腐殖質(zhì)及云母，干強(qiáng)度低，韌性弱，搖振反應(yīng)快，切面粗糙，無光澤。

⑤-2層：粉質(zhì)粘土，灰色，軟塑—可塑，飽和，層狀構(gòu)造，含貝殼粉末、腐殖質(zhì)及云母，干強(qiáng)度中等，中等韌性，搖振反應(yīng)慢，切面光滑，局部為粘土。

具體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見下表。

場地土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

3 觀測成果分析

盾構(gòu)施工前，于護(hù)塘地區(qū)域沿隧道軸線且與隧道軸線位于同一高程處埋設(shè)3個土壓力盒，埋設(shè)間距為5m，觀測盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的土體水平應(yīng)力變化幅度；在堤身布設(shè)5個沉降觀測斷面，分別為內(nèi)坡腳、堤頂路面內(nèi)側(cè)、擋浪墻頂、外海平臺和魚鱗石塘頂；于塘面草皮護(hù)坡處埋設(shè)3根測斜管，位于隧道軸線兩側(cè)。測試點平面布置和海塘結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

3.1 地基土體水平應(yīng)力觀測成果分析

2010年7月9日晚10：30左右，盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)井累計推進(jìn)201m，試驗區(qū)域土壓力測試點開始產(chǎn)生應(yīng)力變化。為分析盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中地基土體應(yīng)力的變化規(guī)律，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度，每小時對土壓力測試點采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過38h的連續(xù)測試，1號和3號測點處地基土體水平應(yīng)力隨盾構(gòu)機(jī)頭推進(jìn)過程的變化曲線見圖3和圖4，2號孔測試儀器壞死。

從圖3和圖4可以看出：在盾構(gòu)機(jī)頭距測試點接近10m時，測試點土體應(yīng)力開始產(chǎn)生變化，隨盾構(gòu)機(jī)頭逐漸靠近，土體應(yīng)力慢慢增加，在機(jī)頭距測試點1～2m時，測試點土體水平應(yīng)力達(dá)到峰值，分別為24.2kPa和24.8kPa，之后逐漸減小直至機(jī)頭到達(dá)，測試儀器被破壞。曲線變化過程中出現(xiàn)波浪形，主要是受盾構(gòu)施工工藝影響，如應(yīng)力測試時，盾構(gòu)機(jī)正在掘進(jìn)或者正在管片組裝，則測試應(yīng)力變化過程存在差異，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中測試的土體水平應(yīng)力要比管片組裝時測試的水平應(yīng)力大。

3.2 地表沉降觀測成果分析

2010年7月11日下午6：30盾構(gòu)機(jī)頭進(jìn)入錢塘江大堤內(nèi)坡腳，7月14日盾構(gòu)機(jī)累計掘進(jìn)255m，盾尾通過外坡腳護(hù)坦，盾構(gòu)機(jī)穿越錢塘江大堤累計用時接近3天，其間堤身沉降測試點產(chǎn)生的沉降量較小。經(jīng)過7個月的工后觀測發(fā)現(xiàn)，工后沉降相對施工期要大。堤身5個沉降觀測斷面的沉降分布曲線見圖5。

圖1 測試點平面布置圖

圖2 海塘結(jié)構(gòu)圖

圖3 1號地基土體水平應(yīng)力變化規(guī)律

圖4 3號地基土體水平應(yīng)力變化規(guī)律

由圖5可見，堤表測試點累計沉降量較小，至2011年2月22日累計沉降最大的為DS23測試點，累計沉降量為20.4mm。累計沉降量從隧道軸線位置向兩側(cè)逐漸減小，基本呈正態(tài)分布。魚鱗石塘頂沉降量相對較小，可能與塘身的條石結(jié)構(gòu)有關(guān)。5個沉降觀測斷面中，堤頂路面內(nèi)側(cè)的沉降槽最陡。根據(jù)沉降分布曲線，受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工影響，隧道軸線兩側(cè)20m范圍內(nèi)的測試點累計沉降量相對較大。

圖5 堤身觀測斷面沉降分布曲線

選取內(nèi)坡腳、堤頂路面內(nèi)側(cè)和擋浪墻位于隧道軸線上方的3個測點進(jìn)行累計沉降量分析，見圖6。

圖6 測點累計沉降量隨時間變化曲線

由圖6可見，DS23測點的累計沉降量最大，累計沉降值為20.4mm，DS09和DS37的累計沉降值分別為17.5mm和17.8mm。盾尾通過堤身后，此3個測點的累計沉降量分別為1.6mm、2.1mm和1.8mm，即工后沉降分別為15.8mm、18.3mm和16.0mm，工后沉降分別占總沉降量的90.7%、89.8%和89.6%。根據(jù)地質(zhì)資料，錢塘江北岸土層粘土含量高，受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工擾動影響，固結(jié)沉降歷時較長，工后沉降所占比例大。

3.3 堤基土體深層水平位移觀測成果分析

盾構(gòu)機(jī)穿越魚鱗石塘前，對堤基土體深層水平位移進(jìn)行了連續(xù)測試，考慮到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度和土體深層水平位移測試所需時間，只對F1和F2兩根測斜管進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。F2測斜管距隧道邊界3m，F(xiàn)1測斜管距隧道邊界5m。測試到的堤基土體深層水平位移曲線見圖7和圖8。

圖7 F2土體深度—位移量曲線

圖8 F1土體深度—位移量曲線

由圖7和圖8可見，堤基土體深層水平位移最大值分別為8.8mm和7.1mm，發(fā)生于地表下20～21m處，位于隧道軸線高程附近。從圖7、圖8中曲線可以看出，2010年7月14日，盾尾通過該深層水平位移觀測斷面，堤基土體累計位移量達(dá)到峰值，即土體深層水平位移受盾尾注漿影響較大，而盾構(gòu)機(jī)頭掘進(jìn)過程中，土體深層水平位移量較小。

4 結(jié)論

通過對盾構(gòu)施工過程中錢塘大堤護(hù)塘地及堤身土體的應(yīng)力、變形測試和試驗數(shù)據(jù)的分析研究得出如下結(jié)論：

a.在盾構(gòu)機(jī)頭掘進(jìn)過程中，土體受到的水平應(yīng)力慢慢增加，在機(jī)頭距壓力盒1～2m時，土體水平應(yīng)力達(dá)到峰值，之后逐漸減小直至機(jī)頭到達(dá)，測試儀器被破壞。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中土體受到的水平應(yīng)力要比管片組裝時土體受到的水平應(yīng)力大。

b.同一橫向沉降觀測斷面，累計沉降量從遂道軸線位置向兩側(cè)逐漸減小，基本呈正態(tài)分布。根據(jù)沉降分布曲線，受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工影響，隧道軸線兩側(cè)20m范圍內(nèi)的堤基土體受到的擾動程度相對較大。在錢塘江北岸的軟土中進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工，土體固結(jié)沉降歷時較長，工后沉降占總沉降量約90%。

c.堤基土體深層水平位移最大值發(fā)生隧道軸線高程附近。土體深層水平位移受盾尾注漿影響較大，而盾構(gòu)機(jī)頭掘進(jìn)過程中，土體深層水平位移量較小。

1 R.B.Peck.Deep excavations and tunneling in soft ground[A].Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexico City：State of the Art Report，1969.225-290.

2 O’Reilly M P，New B M.Settlements above tunnels in the United Kingdom-their magnitude and prediction[A].Proceedings，Tunneling’82[C].London：Institution of Mining and Metallurgy.[s.1.]：[s.n.].1982.137-181.

3 Loganathan N，Poulos H G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movement in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124（9）：846-856.

4 徐方京，侯學(xué)淵.盾尾間隙引起地層移動的機(jī)理及注漿方法分析.地下工程與隧道，1994（20）：12～16.

5 孫建華，侯學(xué)淵.松散地層淺埋隧道基于地表下沉的反分析理論.隧道建設(shè).1991（1）：16～27.

6 張冬梅，黃宏偉，王箭明.盾構(gòu)推進(jìn)引起地表沉降的粘彈性分析[J].巖土力學(xué).2001，29(3)：311-314.

7 王敏強(qiáng)，陳勝宏.盾構(gòu)推進(jìn)隧道結(jié)構(gòu)三維非線性有限元仿真[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2002，21（2）：228-232.

8 易宏偉，孫鈞.盾構(gòu)施工對軟粘土的擾動機(jī)理分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報.1999，28（6）：277-281.