李先進， 張文新， 陳海軍

(1. 廣州市南沙區(qū)建設中心, 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司, 廣東 廣州 511458；3. 廣東省隧道結構智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，為確保城市軌道交通和市政工程中隧道及周邊環(huán)境的安全，盾構法施工應用日益廣泛。盾構隧道施工會破壞原狀地層，打破原有的應力平衡，引起隧道周圍土體變形，其變形大小則對新建隧道和周邊建(構) 筑物的安全影響至關重要[1-3]。為此，隧道與地下工程技術科研人員在隧道施工中不斷總結不同盾構類型、不同地層中的變形規(guī)律，為施工提供指導。文獻[4]分析了軟土地層中小凈距盾構隧道施工的地表沉降規(guī)律。文獻[5-6]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，分析地鐵盾構隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律。文獻[7-10]分析了砂卵石地層盾構施工引起的地表變形過程和分布規(guī)律。文獻[11]采用有限元數(shù)值模擬，分析了盾構施工觸發(fā)隧道周圍土體位移變化規(guī)律。文獻[12]分析了圓礫地層雙線地鐵隧道分別采用泥水和土壓平衡盾構施工時的地層沉降變形規(guī)律。文獻[13]分析了大直徑土壓平衡盾構施工誘發(fā)的地層橫向和縱向變形規(guī)律。文獻[14]采用室內試驗與計算模擬相結合的方法，分析了全黏土地層泥水盾構施工開挖面失穩(wěn)原因,提出了開挖面穩(wěn)定性控制措施。文獻[15]分析了粉細砂地層盾構施工引起的地表沉降規(guī)律。

以上研究主要從理論和實際出發(fā)，針對軟土地層、砂卵石地層、黏土地層等盾構施工引起的地表沉降規(guī)律進行分析，但對于海域圍堰內上軟下硬地層盾構施工對地層的擠壓應力、深層土體位移和地表沉降變化規(guī)律的綜合分析鮮見報道。本文結合汕頭海灣隧道海域圍堰內加固區(qū)和回填區(qū)盾構掘進施工，在加固區(qū)采用密鉆孔和回填區(qū)采用鉆孔爆破孤石、基巖的處理方式，分析盾構掘進引起的地層變形規(guī)律，以期為類似工程積累經驗。

1 工程概況

汕頭海灣隧道位于海灣大橋與礐石大橋之間，工程全長6 680 m，隧道長5 300 m，其中盾構段為東線3 047.5 m、西線3 045.7 m的雙線隧道，于南岸圍堰內始發(fā)井始發(fā)，依次掘進通過加固區(qū)、回填區(qū)、圍堰堤、拋石區(qū)、蘇埃灣、北岸大堤，至華僑公園內接收。加固區(qū)和回填區(qū)平面如圖1所示。隧道內徑為13.3 m，外徑為14.5 m；隧道管片環(huán)寬2 m、厚600 mm，為通用雙面楔形環(huán)，楔形量為48 mm，分10塊采用“7+2+1”模式錯縫拼裝。

圖1 加固區(qū)和回填區(qū)平面圖(單位： m)

海域圍堰內加固區(qū)和回填區(qū)地層主要包含②1淤泥土、②3淤泥混砂、②4粉細砂、②5中粗砂、③1粉質黏土、⑤1砂質黏性土、⑥1全風化花崗巖、⑥2強風化花崗巖。施工區(qū)域存在較厚的②1淤泥層，地層上軟下硬差異大。上部淤泥地層具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、流塑性強的特點，易變形失穩(wěn)； 中部砂層富水，易發(fā)生涌水、涌砂； 下部強風化、中風化巖層巖石強度高，潛在大量孤石和基巖，分布不規(guī)則，孤石強度為80～100 MPa，基巖強度為100～140 MPa，掘進控制要求高。地層分類評價見表1。

表1 地層分類評價表[16]

南岸地下水與地表水呈互補關系。地下水劃分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水及塊狀巖類裂隙水。區(qū)內地下水的補給主要為大氣降水和垂直滲入補給。

2 加固區(qū)和回填區(qū)孤石處理

2.1 加固區(qū)孤石處理

根據(jù)加固區(qū)孤石鉆孔補勘，確定了東線隧道范圍存在3塊孤石，西線隧道范圍存在4塊孤石和1處基巖突起。孤石主要為中—微風化花崗巖，最大飽和抗壓強度為110 MPa。加固區(qū)已完成三軸攪拌樁施工，孤石上部四周介質為攪拌樁加固土體，下部的中粗砂、強風化花崗巖采用壓密注漿進行加固，周邊土體穩(wěn)定性較好，對孤石有較強的握裹力。

為保證加固體地層的完整性，采用密布鉆孔破碎孤石的方式處理。密布孔采用φ150 mm潛孔鉆機鉆孔，250 mm×250 mm梅花型布置，孔底至開挖輪廓線下1 m，鉆孔深度為23～27 m。密布鉆孔破碎處理施工步驟為： 測量放線—潛孔鉆機定位—鉆孔至設計標高—驗孔—鉆機移位—水泥砂漿回填。密鉆孔后的孤石如圖2所示。

圖2 密鉆孔后的孤石

2.2 回填區(qū)孤石處理

回填區(qū)按隧道中心線方向橫縱3 m×3 m(由南向北30 m)和5 m×5 m(由南向北116 m)進行孤石孔位探測，鉆孔深度為隧道輪廓線下1 m。對發(fā)現(xiàn)基巖、孤石的鉆孔向周邊按1 m×1 m加密鉆孔，以鎖定孤石分布區(qū)域，摸清孤石邊界，鉆孔兼做爆破孔。

通過鉆孔發(fā)現(xiàn)孤石43處，孤石最大粒徑約為5.3 m×5 m、最小粒徑約為1.1 m ×1 m； 基巖主要分布6個爆破區(qū)，最大跨度為19 m，侵入隧道范圍最高為6.87 m?；靥顓^(qū)孤石和基巖采用爆破處理。由于要求破碎的塊度較小，根據(jù)類似工程經驗，初期爆破炸藥單耗q=1.99×(1+50%)≈3.0 kg/m3，經試爆及抽芯檢驗，爆破效果不佳； 將單耗量提升至3.6 kg/m3后，取芯長度在2～18 cm，滿足要求。爆破后芯樣如圖3所示。

圖3 爆破后芯樣圖

3 加固區(qū)和回填區(qū)盾構掘進參數(shù)變化分析

盾構掘進參數(shù)的變化是引起地層變形的主要原因，尤其以泥水艙頂部壓力、掘進速度、刀盤轉速和總擠壓力為主要因素。

3.1 泥水艙頂部壓力

盾構始發(fā)后，先進入加固區(qū)。加固區(qū)中孤石在密鉆孔后，其強度雖然降低，但孤石整體性相對較好，受刀具沖擊碾壓碰撞破碎后排出，對刀具的破壞性較大，導致掘進中多次停機檢查刀具，使得泥水艙頂部壓力變化波動大，尤其是在1環(huán)時，泥漿抽排后，人工常壓進艙檢修刀具,泥水艙房內外相通，泥水艙頂部壓力降至0。地層通過加固，泥水艙頂部壓力降低對地層的穩(wěn)定性影響很小。進入回填區(qū)，孤石爆破后破碎程度高，對掘進的影響較小，隨著掘進的連續(xù)進行，泥水艙頂部壓力變化較小，基本維持在134 kPa左右。掘進過程中，地面出現(xiàn)一定程度的漏氣或漏漿，影響地層的沉降。泥水艙頂部壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 泥水艙頂部壓力變化曲線圖

3.2 掘進速度

盾構始發(fā)掘進加固區(qū)時，處于掘進參數(shù)試驗調整階段。初期掘進速度較快，超過8 mm/min，刀具損壞頻率較高； 通過逐步降低掘進速度，到加固區(qū)后半段及回填區(qū)，掘進速度都維持在4 mm/min左右。掘進速度的快慢直接影響其對地層的擠壓作用，進而影響地層應力變化和深層位移變化。掘進速度變化曲線如圖5所示。

圖5 掘進速度變化曲線圖

3.3 刀盤轉速

初期刀盤轉速較快，達到 0.85 r/min； 結合刀具轉速與刀具破壞情況，刀盤轉速逐步穩(wěn)定在0.55 r/min左右。刀盤轉速的快慢對地層的擠壓作用不同，進而影響地層深層位移變化的幅度。刀盤轉速變化曲線如圖6所示。

圖6 刀盤轉速變化曲線圖

3.4 總擠壓力

盾構始發(fā)掘進后，由于加固體中孤石的完整性較好，造成刀具損壞較多，需要多次停機檢查更換，泥漿抽排又重新注入，泥水艙掘進擠壓力變化頻繁，且幅度較大。進入回填區(qū)，孤石爆破后，地層均勻性得以改善，隨著盾構連續(xù)掘進，泥水艙擠壓力變化相對平穩(wěn)。擠壓力的變化直接影響地層應力、深層土體位移的變化。總擠壓力變化曲線如圖7所示。

4 盾構掘進地層變形與土體壓力分析

4.1 測點設置

在加固區(qū)和回填區(qū)各設置1組斷面，監(jiān)測盾構掘進中的地層變化。測點采取鉆孔埋設，埋設完成后進行封孔。地表沉降測點埋設于隧道頂部地面，間距5 m布置； 土壓力測點分別位于隧道邊線、拱腰、拱頂處，共9個測點； 深層土體位移布置在隧道開挖范圍外兩側1 m位置。地層變形測點布置如圖8所示。

圖7 總擠壓力變化曲線圖

(a) 平面布置圖

4.2 地層變形情況

4.2.1 地表沉降

1)加固區(qū)地表沉降。從洞門破除開始至盾構通過，累計最大沉降變形為-7.1 mm； 盾構掘進期間最大下沉速度為-1.4 mm/d，在監(jiān)測過程中部分測點出現(xiàn)上升，單次上升幅度為1.0 mm左右，總體變化較小。加固區(qū)盾構掘進中，由于刀具損壞造成多次停機檢查更換，雖然泥水艙頂部壓力和總擠壓力變化幅度大，但地面沉降變形很穩(wěn)定，說明加固后地層穩(wěn)定性好，達到了加固效果，盾構掘進的參數(shù)變化對盾構頂部地層沉降影響較小。加固區(qū)地表沉降歷時曲線如圖9所示。

圖9 加固區(qū)地表沉降歷時曲線圖(2018年)

2)回填區(qū)沉降。回填區(qū)地表在盾構掘進期間出現(xiàn)階段性沉降，符合盾構掘進地層的沉降變形規(guī)律，即掘進通過后地表持續(xù)沉降，累計達到27 mm。由于回填區(qū)經過對孤石和基巖鉆孔爆破，對地層擾動大，雖經過注漿加固，但無法恢復地層的完整性。回填區(qū)掘進中，盾構掘進參數(shù)變化較小，相對穩(wěn)定，但盾構掘進過程中地面出現(xiàn)冒漿和漏氣，使得地層損失加大，進而地層沉降較大?；靥顓^(qū)地表沉降歷時曲線如圖10所示。

圖10 回填區(qū)地表沉降歷時曲線圖(2018年)

3)由圖9和圖10可知： ①二者沉降規(guī)律表現(xiàn)不同，加固區(qū)沉降變化幅度在3 mm以內，基本處于穩(wěn)定； 回填區(qū)沉降變化符合盾構推進過程中沉降階段變化規(guī)律。②二者的沉降量不同，由于地層條件不同，回填區(qū)沉降是加固區(qū)沉降的3.86倍。

4.2.2 土壓力

盾構施工土壓力監(jiān)測點位于盾構隧道周邊輪廓線1 mm范圍外，防止盾構掘進中損壞。

1)加固區(qū)盾構掘進靠近過程中，盾構擠壓力對地層土體的作用傳遞到監(jiān)測元器件，測試土壓力增大； 盾構停機檢查過程中，由于泥漿排出，作用于地層的擠壓力下降甚至消失，測試土壓力逐步減?。?盾構再次掘進過程中，受擠壓作用，地層受力先增大后減??； 盾尾脫出后受同步注漿影響，地層受力出現(xiàn)峰值，后逐步減小至穩(wěn)定。加固區(qū)內隧道兩側土壓力大于隧道頂部土壓力，邊墻最大土壓力位于25 m處，最大土壓力測值為0.17 MPa。加固區(qū)土壓力變化曲線如圖11所示。

圖11 加固區(qū)土壓力變化曲線圖(2018年)

2)回填區(qū)盾構施工土體壓力監(jiān)測點布置與加固區(qū)相同?；靥顓^(qū)孤石和基巖鉆孔爆破后對地層擾動大，回填注漿難以恢復到原地層狀態(tài)，使得回填區(qū)地層擠壓受力損失大，導致土體壓力值明顯小于加固區(qū)，且總體數(shù)值較小?；靥顓^(qū)測點土壓力在盾構掘進通過前開始增大； 刀盤通過后測點土壓力有一定減?。?脫出盾尾后受同步注漿影響，測點土壓力再次增大并出現(xiàn)峰值； 在漿液凝固和地層逐步穩(wěn)定后，土壓力逐步變小并趨于穩(wěn)定?；靥顓^(qū)隧道兩側土壓力大于隧道頂部土壓力； 隧道兩側最大土壓力位于距地面15 m深的測點處，為42.69 kPa； 隧道頂部土壓力很小?；靥顓^(qū)土壓力變化曲線如圖12所示。

圖12 回填區(qū)土壓力變化曲線圖(2018年)

3)綜合加固區(qū)和回填區(qū)土壓力曲線變化，盾構掘進中對土壓力的影響規(guī)律可分為4個階段： ①緩慢增長階段，刀盤到監(jiān)測點前20 m，土壓力上升； ②快速增長階段，盾構刀盤距監(jiān)測點10 m至盾體通過后，土體受擾動嚴重，土壓力大幅度上升； ③波動階段，盾尾通過斷面1監(jiān)測點4 m，受同步注漿影響，土壓力有一定波動，其峰值也出現(xiàn)在此階段； ④逐步消散階段，盾尾脫離斷面，同步注漿完成后，土壓力逐步回落并趨于穩(wěn)定。

由圖11和圖12可知： 1)二者的曲線規(guī)律表現(xiàn)不同。加固區(qū)土壓力與泥水艙頂部壓力和總擠壓力同步變化明顯，并在盾尾脫出后持續(xù)減??；回填區(qū)隨著盾構連續(xù)掘進，土壓力曲線在盾構刀盤距測點20 m處開始增大，并在刀盤脫出同步注漿時達到峰值，隨著刀盤的遠離，土壓力逐步下降并趨于穩(wěn)定。2)二者測試最大土壓力值和深度不同。加固區(qū)地層穩(wěn)固，盾構掘進時，在擠壓力作用下地層位移變形小，應力損失小，土壓力測試值在距地面25 m受力最大，為回填區(qū)的3.95倍； 而回填區(qū)地層受孤石爆破擾動破壞，以及回填注漿效果有限，使得下部地層加固效果差，盾構掘進中地層變形較大，受力損失較大，土壓力測試值在距地面15 m受力最大，且遠小于回填區(qū)。

4.2.3 盾構隧道兩側土體水平位移

盾構施工土體水平位移監(jiān)測點位于盾構隧道兩側1 mm處位置，以防止被盾構掘進損壞，以及泥水艙泥漿擊穿地層沿監(jiān)測孔冒漿。

1)加固區(qū)由于地層穩(wěn)定，盾構掘進速度慢，掘進時間長，壓力設置較低，盾構掘進兩側土體的變形不明顯。以刀盤距測點斷面-5、0、5、15 m統(tǒng)計，盾構隧道掘進過程中加固區(qū)變化較小，累計最大位移位于距地面21 m處，為-5.23 mm，土體變化范圍集中在隧道直徑范圍內。加固區(qū)土體位移變化曲線如圖13所示。

(a) 加固區(qū)隧道左邊線土體位移

2)回填區(qū)地層孤石和基巖爆破對地層擾動大，使地層的穩(wěn)定性變差，地層受盾構掘進擠壓土體影響變化明顯，土體位移變形數(shù)值較加固區(qū)明顯偏大。掘進中以刀盤距測點斷面-5、0、5、15 m及盾尾脫出15 m統(tǒng)計，累計最大變形位于距地面25.5 m處，為-17.65 mm，土體位移變化集中在盾構隧道底部上下5 mm。盾構刀盤掘進過測點8 m前，受盾構擠壓作用，土體位移向遠離盾構側變形； 在盾構刀盤通過測點8 m以后，測點向靠近盾構側變形；盾構刀盤通過測點15 m和盾尾脫出15 m后2階段，受泥水壓力減小、地層收縮和同步注漿漿液固結的影響，測點向隧道內側變化明顯并趨于穩(wěn)定，說明回填區(qū)盾構掘進對兩側土體的擠壓作用明顯?；靥顓^(qū)土體位移變化曲線如圖14所示。

(a) 回填區(qū)隧道左邊線土體位移

3)由圖13和圖14可知： ①二者土體深層位移變形規(guī)律基本相同，為土體位移向隧道外側明顯變化(盾構刀盤靠近測點至刀盤通過監(jiān)測點8 m)—土體位移向隧道內側緩慢變化(盾構繼續(xù)推進至盾尾通過監(jiān)測點)—土體位移向隧道內側變化至穩(wěn)定(盾尾脫出監(jiān)測點至同步注漿凝固)。第1階段變化為盾構掘進擠壓隧道周邊土體導致，第2階段開挖泥水壓力的影響逐漸減弱，第3階段為盾尾地層收縮和同步注漿作用導致。②二者土體深層位移變形值不同，由于加固區(qū)地層比回填區(qū)地層穩(wěn)定，所以回填區(qū)地層位移為加固區(qū)地層位移的3.37倍。

5 結論與討論

通過對海域圍堰內孤石基巖采取密鉆孔和爆破的不同處理方式，總結分析盾構掘進的地層變形規(guī)律，得出以下結論：

1)孤石和基巖處理中，加固區(qū)密鉆孔方式處理孤石，降低了孤石整體強度，保證了加固區(qū)地層的整體性； 回填區(qū)采用爆破方式處理孤石和基巖，提高了其破碎程度，利于盾構掘進順暢。

2)加固區(qū)因地層整體性好，掘進中地面出現(xiàn)略微上浮和沉降，土體深層位移受盾構擠壓作用變化幅度小，地表沉降和地層位移變化總體較小。

3)回填區(qū)因孤石基巖爆破對原狀地層擾動，地表沉降變形符合盾構掘進過程沉降規(guī)律變化，其沉降是加固區(qū)的3.86倍； 土體深層位移受盾構擠壓作用明顯，表現(xiàn)出先遠離后靠近隧道并最終穩(wěn)定，其地層位移為加固區(qū)的3.37倍。

4)土體壓力隨盾構隧道掘進靠近監(jiān)測斷面而逐步增大，停機降壓或遠離監(jiān)測斷面后減小，在盾尾脫出同步注漿出現(xiàn)峰值，隨著地層收縮和漿液凝固減小并趨于穩(wěn)定。由于兩者孤石處理方式不同，使加固區(qū)地層最大土壓力為回填區(qū)的3.95倍，且測點位置也不同(加固區(qū)在隧道開挖面底部位置，回填區(qū)在隧道開挖面上部位置)。

5)土體壓力測點是采用鉆孔埋設，土壓力實際監(jiān)測值小于理論計算值，在后續(xù)施工中應進一步加強測點埋設的穩(wěn)固性和對恢復地層原始性的研究； 同時，在上軟下硬地層中盾構掘進的前方應進一步加強對地層縱向位移和孔隙水壓力的變化研究，使盾構掘進地層變化規(guī)律分析更加全面。