万朝栋

(中铁十八局第四工程有限公司,天津 300350)

盾构隧道施工技术由于其安全、高效、经济等特点，在近几十年来得到了广泛应用。由于施工技术和地层条件的限制，盾构开挖不可避免地形成对地层的扰动。对于卵石地层，由于其低粘结力及易于扰动等特点，盾构在该地层施工很容易形成地下空洞，造成大量地层损失，引发滞后沉降。在成都典型的砂卵石地层盾构施工引发的地表坍塌比较频繁。图1为成都地铁1号线施工半年后引起的地表坍塌。

图1 成都地铁1号线人南路坍塌[1]

对于砂卵石地层盾构施工引起地表沉降的机理以及处理措施，很多学者开展了大量的研究。江英超[2]认为盾构施工工艺是砂卵石地层产生滞后沉降的原因之一，认为空洞的自稳与隧道埋深关系比较大，埋深较小时很难形成冒落拱，土体移动可以直接发展到地表，造成地面突发沉降。徐凯[3]认为砂卵石地层中空洞的形成与扩散机理是由于超挖形成空洞，空洞周围应力集中超过地层强度，空洞向上发展，当发展到地表依然不能稳定时就形成突发性的坍塌、沉陷。文献[4-8]对砂卵石地层盾构掘进施工引起的地表滞后沉降的原因进行了分析，并提供了一些应对策略。GAO等[9]认为，砂卵石地层中盾构施工，空洞的形成位置具有一定的随机性。针对此假设，通过对隧道上方设置了三个不同位置的空洞通过颗粒流软件进行数值模拟，认为地层沉降区域影响范围为隧道中心线两侧2D的区域范围内。业界普遍认为该种地层，由于其较低的初始粘结力，容易受盾构掘进施工扰动，但是由于卵石骨架的存在，地层扰动不会在盾构施工后很快发展到地表，而是在施工结束一段时间后由于外力扰动等造成地表突发沉降。

范建国等[10-11]通过室内模型试验对砂卵石地层中圆形隧道施工引起的地层运移特点进行了研究，认为地层损失是土体松动、塌落的主要原因。盾构施工引起的地表沉降其根本原因是由开挖扰动造成地层损失引起的。因此只要地表沉降的根本原在于开挖造成的地层损失，包括超挖与二次固结等。从盾构施工的原理来看，由于开挖引起的地层松动以及土体超挖，从理论上难以避免。从该角度来看，只要损失的地层在沉降发生在地表之前能够得到有效补偿，地表沉降就可以得到控制。软土地层的沉降主要发生在隧道掘进初期，地层作为整体沿地层损失的方向移动的，因此该类型地表沉降的治理方法主要是同步注浆和二次注浆。与软体地层变形特点不同，砂卵石地层滞后沉降的特点给盾构施工后期的地层补偿提供了充裕的时间。

地层损失的补偿关键在于比较明确地了解空洞的时空发展规律，并根据此规律对地层损失进行一定补偿。既有研究针对砂卵石地层盾构施工典型滞后沉降的机理，采用数值模拟及试验手段进行了大量研究。而对于该地层条件下，具体工程的空洞分布时空规律研究较少。基于此研究现状，本文以成都地铁6号线某标段区间隧道作为工程背景，通过分层沉降实测建立该施工条件下的地层运移时空规律。基于该规律提出了地表注浆充填减沉措施，通过对比采取和未采取该措施的工后沉降，可以认为该方法能够在很大程度上避免地表突然坍塌。该研究可以为后续砂卵石地层滞后沉降控制提供一定的借鉴作用。

1 工程背景

成都地铁6号线天宇路至犀浦区间,，盾构隧道穿越砂卵石地层施工。隧道埋深12.6 m,盾构开挖半径为6 m。管片外径5.75 m、内径5.45 m、管片厚度300 mm、幅宽1.5 m、双线中心间距14 m。盾构隧道平均推进速度8～10环/d(12～15 m/d)。地层与隧道关系如图2所示。

图2 隧道与地层关系

2 数值模拟

2.1 模型简介

采用颗粒流软件PFC3D,模拟盾构隧道开挖后的地层运移规律。颗粒越多对计算机性能要求越高，计算速度越慢。因此此模型尺寸为20 m×12 m×20 m，颗粒数量为190 600，数值模型如图3(a)所示。

刀盘直径为6 m,转速为24 r/min,推进速度为0.25 cm/min。盾构机推过后，按照9.8 %地层损失量对刀盘外的颗粒进行二次删除再进行计算，观察地层运移规律。

2.2 数值模拟结果

由图3(b)可以看出，在无超挖条件下，由于盾构机推进过程中的挤压作用，隧道上方土体呈现隆起的变形特点。

由图3(c)可以看出，在隧道超挖以后，隧道上方地层距离隧道越近下沉量越大，地表沉降在此阶段并不明显。数值模拟可以对盾构隧道施工引起的地层运移进行定性描述。

图3 数值模拟及结果

3 分层沉降

文献[12]通过对成都地铁7号线的两个区间分层沉降的监测，将盾构施工引发的分层沉降分为五种类型，分析了地面坍塌的原因，并根据分层沉降的不同特点提供了避免地表坍塌的解决方案。为了解在砂卵石地层中盾构施工引起的地层运移规律，尤其是地层沉降发展到地表之前的规律，因此对地表以下各个分层的垂直位移进行监测。

3.1 监测方案

监测地层分层沉降，在拱顶与拱腰对应的位置一共设置两个分层沉降监测管，监测管长度为7 m，从地表到地下6 m每隔1 m设置一个磁环(图4)。监测时间从刀盘通过监测断面的前一天开始，通过后的15 d结束，监测频率为1 次/d。

图4 分层沉降监测方案

3.2 分层沉降规律

从图5中可以看出，盾构隧道在砂卵石地层中施工，地层运移基本特点为，在刀盘通过监测断面前，地层表现为隆起，在刀盘通过监测断面后隆起量开始减小。

(a)拱顶测点分层沉降监测结果

在监测期间，地层分层差异沉降最明显的层位在地表以下5 m与6 m分层之间，该分层的最大差异沉降发生在刀盘推过监测断面后的10 d左右。随着刀盘继续推进，5 m与6 m之间的分层差异沉降值开始减小，但其绝对值仍然大于其他分层之间的差异沉降值。

由图5(a)可以看出，拱顶位置分层沉降在刀盘通过9 d后，5 m分层与6 m分层之间的差异沉降值达到最大，最大值为16 mm。此后这两个分层之间的差异沉降值开始减小，4 m与5 m分层之间的差异沉降值开始增加。

由图5(b)可以看出，拱腰位置分层沉降在刀盘通过11 d后，5 m分层与6 m分层之间的差异沉降值达到最大，最大值为8 mm。此后这两个分层之间的差异沉降值开始减小，3 m与4 m分层之间的差异沉降值开始明显增加。

根据监测结果表明，在既有的掘进条件下，地层分层沉降最大的层位为5 m与6 m分层之间，其时间为刀盘推过监测断面的10 d左右。因此，利用该差异沉降进行地层损失充填补偿的时机和层位应与该规律一致。

4 地表注浆充填及沉降控制效果

文献[13]在成都地铁2号线在隧道洞内通过深孔对隧道上覆地层松散体进行充填注浆，并取得了较好防坍塌效果。但是该方法由于在隧道洞内施工，由于洞内空间限制，会对正常的轨道运输造成干扰，而且钻孔以及注浆的质量受空间限制其质量难以保证。地表施工中空间几乎不受限制，能够充分发挥人员、机具的效率，因此地表充填注浆的可靠性较洞内充填具有一定优势。

在卵石地层盾构隧道施工过程中地层反复受到多次扰动，刀盘到达前(隆起)，刀盘通过后(下沉)。如果在刀盘通过后再在地面进行钻孔施工，很容易再次大范围地层的扰动，不利于地层中空洞或松散体的稳定，因此在刀盘到达一周前完成注浆钻孔施工。

在分层差异沉降中该差异值可能存在空洞与松散体共存的状态，二者由于其空隙特征不同而对注浆材料要求不同。超细水泥是一种超微粒水泥基注浆材料[14]，平均粒径小、可以直接掺水注浆。本文中所用的超细水泥的强度等级为32.5，平均粒径小于2 μm，最大粒径小于8 μm。由于是充填注浆，注浆压力设置为地层压力的1.2倍即0.12 MPa。通过对该区间每隔30 m在拱顶设置一个注浆钻孔充填注浆后，经过一年的监测，该区间未发生突发性的坍塌事故。

5 结论

(1)采用颗粒流软件PFC3D对砂卵石地层盾构隧道施工过程进行模拟，模拟结果表明，在无地层损失时隧道上方地层在盾构机推力的作用下表现为上移。在地层损失为9.8 %时，隧道上方地层开始下沉，但地表沉降并不明显，表现出一定的滞后性。

(2)现场分层实测结果表明，盾构掘进过程中相对分层沉降最大值发生在刀盘推过监测点10 d左右，差异沉降最大的层位在5～6 m的层位，最大差异沉降为拱顶位置其值为16 mm，拱腰处的分层沉降规律与拱顶类似，但其差异沉降值较拱顶略小。

(3)根据分层沉降实测所得差异沉降最大的位置及相对于刀盘的相对位置，在地表提前施工注浆钻孔待刀盘刀盘推过实测距离后利用差异沉降形成的空洞或松散体采用超细水泥进行充填注浆。注浆结果表明，地面充填注浆也能够有效避免地表突然坍塌的事故发生。