(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

随着中国地铁建设的快速发展，泥水平衡盾构法越来越多地应用于穿越具有含水率高、渗透性强、孔隙率大等特征地层的越江和跨海隧道建设中[1-3]。穿江越河隧道开挖时，盾构机掘进参数的合理控制对保证掘进效率和掘进稳定性具有十分重要的作用[4-6]。尤其是在工程特性较差的散粒体特殊地层中采用盾构法施工，设备参数的选取更需十分谨慎[7]。黄河沿岸的砂卵石是一种典型的散粒体地层，结构松散、孔隙率大、胶结强度低、单块卵石强度大等物理特征直接影响到盾构掘进过程中隧道掌子面的稳定性[8-10]。因此，有必要开展砂卵石地层泥水盾构隧道施工过程中掘进参数与地层沉降动态响应的研究工作，对此类地层施工提出指导。

1 工程概况

图1 迎马区间隧道设计地质纵断面

兰州地铁1号线迎门滩—马滩区间隧道是我国首条下穿黄河的盾构法地铁隧道，全长约1.9 km，穿越七里河断陷盆地的巨厚层状强透水砂卵石地层。该层渗透系数约55 m/d，厚度230 m。区间隧道设计地质纵断面如图1所示。其中：1-1为人工杂填土;2-10为第四系全新统冲积砂卵石层;3-11为第四系下更新统冲积砂卵石层。2-10和3-11这2层石英平均含量86.92%，饱和单轴抗压强度59～90 MPa，中粗砂充填。一般粒径20～60 mm，最大粒径60 cm。

区间隧道采用2台直径6.48 m的泥水平衡盾构，分别施工左右线。管片外径6.2 m，内径5.5 m，厚350 mm，环宽1.5 m。

2 现场地表沉降监测

2.1 断面和测点布置

盾构施工过程中对地表沉降的控制非常关键。以始发井为起始端，沿掘进方向共200 m范围内布设10个地表沉降监测断面(DB01—DB10)，每个监测断面上布置11个监测点。

2.2 地表沉降分析

选取区间隧道范围内正上方同一监测断面上的3个测点的地表沉降数据取平均值。以此平均值绘制2015年4—6月地表沉降时程曲线，见图2。

图2 2015年4—6月地表沉降时程曲线

从图2可见：最大地表沉降仅为5.3 mm，符合GB 50157—2013《地铁设计规范》关于地表沉降≤30 mm 的规定。2015年5月2日至2015年6月6日，推进速度达到5.7 m/d(200 m/35 d)，每天掘进支护4环管片。说明盾构在始发后的200 m范围内，推进整体平稳，掌子面泥水压力和注浆压力与地层匹配性较好。

2.3 掘进参数分析

1)掘进时各种压力变化规律

盾构掘进时电脑自动记录数据，根据Terzaghi理论公式计算掌子面主动土压力。

p水=γw(h1+h2)/2=10×(1.51+7.71)/2=46.1 (kPa)

p土=K0×[(γ-γw)×h2+γ×(H-h2)]=0.33×[(22.4-10)×7.71+22.4×(13.4-7.71)]=73.609 (kPa)

P总=p水+p土+p预=46.1+73.609+20=139.71 (kPa)

式中:p水为掌子面水压力；p土为掌子面土压力；p预为预加压力；P总为总的掌子面主动土压力；γw为水的重度，取10 kN/m3；γ为土的重度，取22.4 kN/m3；H为盾构隧道拱底处的埋深；h1为盾构隧道拱顶的水头高度;h2为盾构隧道拱底的水头高度；K0为水平侧压力系数，取0.33。

始发段掘进参数变化曲线见图3，可对比25～105环盾构掘进过程中各种压力的变化。

图3 始发段掘进参数变化曲线

由图3可见：①工作仓压力普遍比开挖仓压力要大，说明压力在传递过程中有一定的损失。开挖仓平均压力与根据Terzaghi理论公式计算的主动土压力能够较好地匹配，说明地层位移可被很好地控制。②盾构施工到55环后同步注浆压力普遍小于掌子面原位应力。在55环之前，同步注浆压力一直高出掌子面原位应力大约0.1 MPa，这是因为注浆压力的增加致使浆液在较高压力状态沿反向流动至掌子面，掌子面泥水压力逐渐增大，不利于控制地层变形。可通过调整同步注浆压力，并适当增加二次注浆的次数来解决这一问题。③在施工过程中同步注浆压力波动较为明显。这是因为在掘进线路上存在随机分布的大粒径卵石，碎石机很难及时破碎，致使卵石能够附着于刀盘上并随之转动，继而产生较大的地层损失。

2)盾构动力参数规律分析

为深入研究掘进参数之间的相互关系，依据盾构掘进时电脑自动记录的数据进行拟合分析，结果见图4、图5。

图4 总推力与掘进速度的关系图5 刀盘扭矩与转速的关系

由图4可见：总推力N与掘进速度u的关系可拟合为N=92.383u+6 436，R2= 0.406 8。即适当加大总推力可以提高掘进速度。由图5可见：刀盘扭矩M与转速v的关系可拟合为M=426.23v+388.3，R2= 0.198。R2较小表明2个参数之间关联性较小。通过加大刀盘转速来增加刀盘扭矩效果甚微，继而无法显著提高掘进速度。

3 数值模拟

3.1 模型的建立及参数的选取

为更好控制施工进程，尽可能降低盾构掘进对周围地层的影响，采用FLAC 3D对掘进全过程进行数值模拟。三维数值计算模型见图6。为简化计算，主要考虑2-10和3-11砂卵石层，地层参数见表1，混凝土管片和注浆层参数见表2。

图6 三维数值计算模型(单位：m)

表1 砂卵石地层参数

表2 混凝土管片和注浆层参数

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 地表沉降模拟值和实测值对比

当掌子面推进至DK13+221时，以该里程处为原点，沿掘进方向截取前后30 m地层沉降数据，与实测值对比见图7。可见：地表沉降实测值离散性较大，而实测地表沉降拟合曲线与数值模拟曲线的变化趋势较为一致。实测开始出现明显地表沉降的断面是在距掌子面约16.2 m处，模拟计算沉降范围主要在掌子面前方15 m到掌子面后方30 m。掌子面处地表沉降最大值为1.7 mm，掌子面后方30 m处地表沉降值达到4.9 mm，略大于实测值。

图7 地表沉降模拟计算值与实测值对比

3.2.2 掘进参数优化

1)掌子面支护压力

图8 掌子面支护压力与地表沉降的关系曲线

数值模拟时调整掌子面支护压力Ps与掌子面原位土压力Pb(73.61 kPa)的比值大小。掌子面支护压力与地表沉降关系曲线见图8。可见：第1阶段，Ps/Pb从0.9增至1.1，随着Ps的增大，地表沉降从4.9 mm减到1.7 mm，即掌子面支护压力每增大10%，沉降量减小1.6 mm。第2阶段，Ps/Pb从1.1增至1.3，随着Ps的增大，地表沉降从1.7 mm减至0.9 mm，即掌子面支护压力每增大10%，沉降量减小0.4 mm，沉降量减小幅度显著变小。考虑到增大掌子面支护压力会增加机械设备的负荷，地表沉降值本身已经很小，继续减小意义不大。故施工中可总体控制掌子面支护压力与掌子面原位土压力基本相当。

2)同步注浆压力

改变同步注浆压力的大小，其与地表沉降的关系曲线见图9。可见：①加大同步注浆压力地表最终沉降将不断减小，压力每增大10%，沉降就减小约1 mm。②同步注浆压力影响到地表沉降达到稳定所需的时间，压力越大地表沉降达到稳定所需的时间越短，即高注浆压力下地表沉降曲线收敛较快。因砂卵石地层弱胶结，如选取的注浆压力太大，可能导致浆液击穿地层外流溢出。加之盾体周围的土体一经扰动，土层变得更加松散，过大的注浆压力会导致浆液倒流，施工风险变大。因此，控制同步注浆压力与掌子面原位应力基本一致或略高一点，可把地表沉降限制在一定的范围内。

图9 同步注浆压力与地表沉降关系曲线

4 结论

结合兰州地铁1号线迎门滩—马滩区间隧道强透水砂卵石地层泥水平衡盾构施工，从地表沉降控制、掘进参数的相互关系和掘进参数优化3个方面对砂卵石地层泥水平衡盾构隧道施工过程进行了研究。得出如下结论：

1)加大盾构总推力能够适当提高掘进速度，而加大刀盘转速对提高掘进速度的效果甚微。

2)地表沉降的数值模拟曲线和实测拟合曲线变化趋势一致。盾构掘进对地表沉降的影响范围主要为掌子面前方15 m到掌子面后方30 m。

3)在巨厚层状砂卵石地层中施工时，受其孔隙率大、胶结性差、卵石磨圆度高等物理性质的影响，注浆压力波动较为明显。为控制沉降发展，可将掌子面支护压力与掌子面原位土压力相匹配，同步注浆压力可与掌子面原位应力一致或略高，即可把地表沉降限制在一定的范围内。