砂巖復合地層中盾構施工對地表沉降影響研究

王朋朋，商兆濤，夏琴 （蕪湖市軌道(隧道)交通工程質量安全監督站，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

城市建設的迅速發展已使得地上空間難以滿足不斷增長的建設需求，地下空間的開發成為不可忽視的趨勢。在此背景下，盾構法因其高效、安全以及對環境的友好性等特點，逐漸演變為城市隧道建設的首選技術[1]。然而，考慮到盾構穿越地層地質條件的多樣性，主要分為單一地層和軟硬復合地層，由此導致盾構施工引起的周圍土體或巖體變形規律呈現出復雜多樣性。在多種復雜地層中施工時，若施工參數（如掌子面壓力和注漿壓力等）無法正確調整，可能會導致開挖面破壞和地表塌陷，從而對施工安全和建筑物穩定性構成威脅[2]。

已有許多國內外學者采用多種研究方法，探討了盾構穿越復合地層時的地表沉降規律。在數值模擬上，袁僑蔚、鄭世杰等[3-4]分別對盾構穿越砂土地層和復合地層進行了模擬研究。在模型試驗方面，王俊等[5]通過室內模型掘進試驗和離散元數值模擬，針對砂卵石地層和上軟下硬地層，深入研究了由超挖引起的土體擾動規律。而在解析法方面，盡管隨機介質理論和Mindlin 解[6-7]更適用于均質地層，但其被應用于分析隧道開挖對地層的擾動。

本文將大直徑盾構穿越多種地層類型作為研究對象，綜合考慮了工程地質條件和實際施工參數，構建了精細的三維計算模型，通過調整掌子面砂巖層的比例，深入探討了盾構穿越不同地層對地表沉降的影響。這些研究結果為應對多樣化復雜地質情況下的盾構穿越提供了有價值的指導。

2 工程概況

蕪湖城南過江隧道位于安徽省蕪湖市，穿越長江皖江段的“大拐彎”地段，是省內首條過江隧道，其平面位置布置如圖1 所示?？偣こ涕L度達5.965km，始于江北新城緯一路，止于江南主城連接大工山路。其中，盾構段約占4.000km，道路標準為城市快速路，設置雙向六車道。工程選用了兩臺直徑為15.07m 的大直徑泥水盾構機進行掘進，隧道的內徑為13.3m、外徑為14.5m，每塊管片的寬度為2.0m，隧道的最大縱坡限制在4%以內。左右線隧道不同時始發，右線隧道先行掘進，于2021 年11 月啟動，左線于2022 年4 月始發。在正常施工條件下，左右線開挖面的縱向距離均大于100m，相互之間的影響較小?？紤]到后行掘進的左線對右線開挖面的影響較小，并且右線開挖面的沉降監測數據更符合“V”型分布特征，本文選取右線先行隧道作為研究對象進行研究。

圖1 過江隧道平面布置圖

隧道施工前對現場地質進行了詳細的調查，隧道所穿越的地質層主要包括粉砂、細砂、風化粉砂巖、石英砂巖、泥質粉砂巖和凝灰角礫巖等，地質條件異常復雜，地質縱斷面分布情況如圖2 所示。由地勘報告可知，主要地層的物理力學性質詳見表1。由于隧道所處地層的物理力學特性存在較大的空間變異性，故其地層強度表現出顯著的不均勻性。在盾構穿越多種復雜斷面的過程中，盾構機施工參數（如掌子面的附加推力、扭矩、角度等）設置不合理，都可能導致盾構工作面的不穩定。對重點監測的地表沉降影響極其敏感，圍巖在此情況下很容易發生坍塌和變形，還可能引發涌水和突泥現象，這進一步增加了沉降控制的難度。

表1 場區地層巖土參數

表2 盾構及襯砌參數表

圖2 盾構穿越段地質剖面圖

本文以右線隧道掘進為研究對象，盾構分別穿越全斷面砂層、軟硬復合地層和全斷面巖層，施工現場全線布置地表沉降監測點，測點布置圖如圖3 所示，其中監測點688DC 為盾構穿越全斷面砂層位置。

圖3 監測點布置圖

3 沉降控制數值模擬

3.1 建立有限元模型

本研究以雙線隧道盾構施工為基礎，建立了以兩隧道軸線為中心對稱的三維有限元模型。一般情況下，盾構施工引起的地表沉降影響范圍為隧洞兩側3～5 倍洞徑。為了模擬在不同地層中的掘進，設定最大軸線埋深為50m 左右，故模型的尺寸設定為120m（長）×60m（寬）×100m（高），基本涵蓋了掘進過程中的影響范圍，同時在模型的建立過程中充分考慮了邊界效應。模型中地層均被設置為水平均勻分布，在隧道掘進過程中，埋深保持不變，主要通過調整隧道開挖面的砂層和巖層占比來研究盾構穿越不同地層時對地表沉降的影響，圖4為砂巖占比為2:1和1:2的情況。

圖4 數值計算模型圖

通過在模型中土體與盾殼最外層設置接觸面，以模擬掘進過程中盾殼與土體之間的摩擦作用。在掘進正前方和盾尾處，通過設置面荷載來模擬掌子面的附加推力和盾尾注漿壓力。不同于中小直徑盾構機，大直徑盾構機在掘進過程中的掌子面附加推力分布不均，在數值模擬中假設掌子面推力由上至下呈線性遞增，盾尾注漿壓力也根據注漿孔位置的不同由上至下遞增，荷載設置如圖5所示。

圖5 荷載布置圖

考慮到管片長度為2m 一環，為了保證與實際開挖一致，在模擬中采用了2m 循環開挖的方式，每次向前開挖2m。在開挖過程中，掌子面施加由上至下線性遞增的水平推力，盾尾施加環向消散的注漿壓力。完成上一環開挖計算后，首先移除上一環的掌子面附加推力和盾尾注漿壓力，然后再向前開挖2m，并施加該環的掌子面附加推力和盾尾注漿壓力。依此循環向前進行，直至開挖完成，共計30個開挖步。

3.2 選取盾構參數

摩爾庫倫模型是一種普遍使用的巖土本構模型，適用于在剪應力下發生屈服，但剪應力僅由最大和最小主應力確定，并且第二主應力不對屈服產生影響。在本模型中，土體采用摩爾庫倫模型，同時根據地勘結果按照表1 中的土體參數進行設定。采用空模型來模擬土體開挖，考慮到周圍土體與盾殼之間呈現剛性接觸，受荷載作用可能產生滑移和分離。因此，將法向剛度和剪切剛度設置為周圍“最硬”相鄰區域等效剛度的10倍。

在實際施工過程中，同步注漿壓力被設定為0.3～0.5MPa，同時會根據監測結果進行適當調整。同步注漿量充填系數范圍在180%～250%?；趯嶋H掘進過程中的掌子面附加推力參數，將數值模擬中的推力設定為200kPa。推力會沿隧道拱頂到拱底線性遞增20kPa/m。盾尾注漿壓力根據現場實際監測，設定為200～300kPa。環形應力被分為三部分，上部注漿孔壓力為200kPa，中部注漿孔為250kPa，底部注漿孔為300kPa。

3.3 驗證模型

為了驗證模型合理性，本文選取668DC 監測斷面的監測數據與數值模擬結果進行對比，該斷面為盾構穿越全斷面砂層，砂層占比為100%，對比結果如圖6 所示。由圖6 可知，地表橫向沉降在砂層占比為100%的數值模擬結果與監測數據分布規律基本一致，呈“V”型分布，最大地表沉降值都在隧道軸線處。其中，現場監測地表沉降值略大于模擬值，可能是由于隧道開挖過后隧道軸線處地表仍處于蠕變狀態，沉降持續緩慢增加，而模擬過程中未考慮到蠕變效應。盡管隧道軸線處最大沉降值存在一定差異，但通過地表沉降監測值和模擬值的整體分布規律以及最大沉降值差異不明顯，證明了本文模型作為后續研究模型的合理性。

圖6 模型驗證結果圖

4 砂巖占比對地表沉降影響分析

為了研究隧道開挖面砂巖層占比對地表沉降的影響，將模型中隧道掌子面的埋深保持不變，通過改變軟硬地層厚度分別研究砂巖層占比不同時隧道掘進對地表沉降的影響。同時由于隧道開挖過程中掌子面附加壓力會隨著開挖面土層情況的不同而改變大小，故也考慮附加推力對地表沉降的影響，具體工況見表3。

表3 計算工況

4.1 隧道縱斷面地表沉降分析

盾構施工在不同開挖步下對隧道縱斷面地表沉降影響曲線如圖7 所示，在開挖到第2 環時，對隧道軸線上方地表沉降影響較小，在距離隧道起始開挖面8m 處的沉降僅有2mm。當盾構分別開挖至第9、12、15 和18 環時，距離起始開挖面24m 處的監測點沉降值為4.69mm、 6.26mm、 7.79mm 和9.18mm，軸線地表最大沉降值分別增加33.4%、24.4%和17.8%。說明隨著盾構機逐漸掘進至監測點斷面附近時，開挖對地表沉降影響逐漸增大，當盾構機穿越監測斷面后，對沉降的影響逐漸減小。當開挖至30 環時，各隧道軸線縱斷面地表沉降監測點沉降基本趨于穩定，說明監測點距離開挖面越遠，對沉降影響越小。

圖7 不同開挖步下隧道軸線縱斷面地表沉降圖

4.2 掌子面不同砂巖層占比對地表橫斷面沉降影響分析

考慮到盾構穿越地質情況異常復雜，分別穿越全砂層、砂巖復合地層以及全巖層，其中穿越砂巖復合地層距離長、施工難度大、對地表沉降控制要求高。圖8 為模擬穿越不同地層時掌子面砂巖占比的地表橫斷面沉降曲線圖。由圖8可知，盾構穿越各種地層時，地表橫斷面沉降曲線呈現出“V”型分布，其中隧道中心線上方地表沉降值最大，依次向兩邊遞減，當遞減至3 倍洞徑以外后，地表沉降趨近于0，說明盾構開挖對3～5倍洞徑外的地層影響很小。掌子面砂巖層占比為1:0、2:1、1:1、1:2和0:1時地表最大沉降值分別為12.52mm、8.39mm、4.85mm、2.43mm 和0.62mm，地表沉降分別減小49.2%、72.9%、99.5% 和291.9%。當掌子面全部為砂層時，地表沉降最大，當掌子面砂層逐漸減小直至全部為巖層時，地表沉降急速降低。這主要是由于相較于砂層，巖層具有較高的力學性能，可以產生一定的圍護作用，可以為開挖面提供較為穩定的支撐。

圖8 掌子面不同砂巖層占比地表橫斷面沉降圖

4.3 掌子面附加推力對地表橫斷面沉降影響分析

當盾構穿越軟硬復合地層時，地表沉降小于全砂層，此時掌子面附加推力可以適當減小，將推力共設置8 組，其中300～100kPa 等距減小?？紤]到推力減小至某一值后可能導致掌子面前方地表突然坍塌，故將小于100kPa后的推力減小值逐漸縮小，以便找到致使掌子面失穩地面坍塌時的附加推力。圖9 為不同大小掌子面附加推力時地表沉降曲線圖。由圖9 可知，當掌子面推力依次降低至100kPa 時，沉降值相較于300kPa時僅增加2.79mm；當沉降值降低至68kPa 時，沉降值相較于推力為100kPa時增加至 24.56mm，增加量為16.75mm，增長了214.7%；當推力降低至60kPa 時，地表最大沉降值達到128.27mm，地表出現坍塌。由此可知，當掌子面附加推力低于100kPa 時極易導致地表沉降量過大，造成地表失穩塌陷，在盾構掘進過程中需要控制好推力。

圖9 不同掌子面附加推力下地表橫斷面沉降圖

5 結語

盾構開挖面遠離監測斷面時對地表沉降影響小，沉降值僅為2mm，當開挖面逼近監測斷面時對地表沉降影響最大，且隨著開挖的進行，仍會產生沉降，但速率逐漸降低。

當掌子面砂巖層占比不同時，對地表沉降的影響隨著巖層的增加而逐漸減小，當全部為砂層時，地表最大沉降值為12.52mm，隨著巖層比例的增加，沉降逐漸減小，分別減小49.2%、72.9%、99.5%。當掌子面全部為巖層時，地表最大沉降僅為0.62mm。

在盾構穿越軟硬復合地層時，掌子面推力對地表沉降影響較大，當推力在100～300kPa 時地表沉降保持在5.00～7.81mm；當掌子面推力小于100kPa 時對地表沉降影響增大，且敏感度極高；當沉降值降低至68kPa 時，沉降值相較于推力為100kPa 時增長了214.7%；當推力降低至60kPa 時，地表最大沉降值達到128.27mm，地表出現坍塌。