秦佳佳

(中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司， 安徽 合肥 230011)

0 引言

為緩解城市交通壓力，中國大規(guī)模建設(shè)城市地下軌道交通。地鐵的修建方法有多樣，如明挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法和頂管法等。其中，盾構(gòu)法因其噪聲與擾動(dòng)小、施工速度快、地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但實(shí)際施工中，地層條件復(fù)雜多變，盾構(gòu)隧道穿越的往往并非單一均質(zhì)地層，而會(huì)遇到軟硬不均、土巖組合、特殊土及高地下水位等復(fù)雜情況，導(dǎo)致盾構(gòu)施工過程中的掘進(jìn)參數(shù)難以控制[1-5]。若施工不當(dāng)而導(dǎo)致掘進(jìn)姿態(tài)傾斜或地面沉陷，不僅影響盾構(gòu)施工安全，而且威脅到周邊建(構(gòu))筑物的正常使用[6-7]。因此，復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)一直都是盾構(gòu)施工的難題。

金華[8]結(jié)合南京軌道交通3號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，從盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)、盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)控制和輔助控制措施等方面對復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)展開研究； 顧剛等[9]基于連續(xù)-非連續(xù)單元法(CDEM)，重點(diǎn)探討不同巖面下盾構(gòu)刀盤的掘進(jìn)速率及刀盤受力特征； 張社榮等[10]以廣東某隧洞工程盾構(gòu)施工為背景，基于MIV-BP模型，篩選復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)的關(guān)鍵參數(shù)，研究表明刀盤轉(zhuǎn)矩、總推力等參數(shù)對隧洞拱頂沉降的控制效果明顯； 于興國[11]和謝雄耀等[12]依托于南寧軌道交通1號(hào)線工程，探索圓礫泥巖復(fù)合地層泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律，建議以盾構(gòu)開挖艙壓力控制為指標(biāo)而非追求推進(jìn)速度； 楊旸等[13]基于南寧地鐵2號(hào)線，對比研究富水圓礫地層和圓礫泥巖復(fù)合地層的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)； 梁橋欣等[14]以南寧地鐵3號(hào)線為背景，探索了全斷面灰?guī)r地層、上軟下硬地層、全斷面黏土地層及復(fù)合地層條件下小半徑曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)； 何祥凡等[15]以深圳地鐵7號(hào)線為例，通過數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)隧道穿越上軟下硬地層段的施工力學(xué)特性，揭示地表及管片拱頂沉降、管片應(yīng)力的變化規(guī)律。關(guān)于這方面的研究成果還有許多，但都主要集中在北上廣深等地區(qū)，這些地區(qū)的研究成果大多涉及砂卵石地層、軟土地層和上軟下硬地層等。由于盾構(gòu)施工受地層特性變化的影響極為顯著，地層分布及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的差異性導(dǎo)致無法直接照搬其他地區(qū)的研究成果。

因此，本文基于合肥地區(qū)的地質(zhì)特性，通過有限元法構(gòu)建3類穿越不同地層的盾構(gòu)隧道模型，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程。通過計(jì)算21種工況，揭示開挖面支護(hù)壓力N、盾構(gòu)錐度和注漿壓力p對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響規(guī)律。 結(jié)合合肥市軌道交通4號(hào)線雞—方區(qū)間隧道工程盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)施工及周邊環(huán)境的安全性，驗(yàn)證掘進(jìn)參數(shù)(刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)矩、土艙壓力)的合理性，總結(jié)對合肥地區(qū)復(fù)合地層盾構(gòu)隧道施工有參考價(jià)值的結(jié)論。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型設(shè)計(jì)

根據(jù)合肥地區(qū)的地質(zhì)情況，借助巖土有限元程序PLAXIS 3D構(gòu)建三維有限元模型。將研究區(qū)地層概化為填土層、黏土層和風(fēng)化巖層3類，盾構(gòu)區(qū)間主要穿越黏土和風(fēng)化泥質(zhì)砂巖2類地層組成的復(fù)合地層。建模時(shí)考慮盾構(gòu)隧道埋深12、17、22 m 3種情況，分別對應(yīng)盾構(gòu)與土巖復(fù)合地層的3類相對位置關(guān)系，即盾構(gòu)橫斷面完全位于上部黏土層、完全位于下部風(fēng)化巖層和穿越土巖復(fù)合地層交界面，如圖 1所示。

(a) 隧道位于黏土層

(b) 隧道位于風(fēng)化巖層

(c) 隧道部分位于軟弱地層，部分位于硬巖地層

1.1.1 幾何模型及單元模擬

1)整體模型設(shè)計(jì)。為提高計(jì)算效率，取一半隧道建模，沿隧道軸線方向(y軸)長度40 m，橫向(x軸)寬度25 m，高度自地表向下(z軸)取至40 m深度，地下水位埋深取2 m。模型四周側(cè)邊界設(shè)置水平約束，底部邊界設(shè)置固定約束。

2)單元及材料。圍巖和注漿層采用10節(jié)點(diǎn)高階四面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬，圍巖力學(xué)行為采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)進(jìn)行描述，注漿層行為采用摩爾-庫侖模型(MC)進(jìn)行描述。管片襯砌采用實(shí)體單元+板單元模擬，管片與注漿層之間設(shè)置接觸面，盾構(gòu)采用板單元模擬。盾構(gòu)和管片襯砌假定為線彈性材料。

以盾構(gòu)隧道完全位于軟弱地層的情況為例，網(wǎng)格模型如圖 2所示。

1.1.2 土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型中圍巖材料參數(shù)如表1所示，各結(jié)構(gòu)單元參數(shù)如表2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道網(wǎng)格模型

1.2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程模擬

以盾構(gòu)從第3環(huán)向前推進(jìn)到第4環(huán)為例，說明盾構(gòu)施工模擬過程中的模型設(shè)置方法，如表 3所示。

1.3 計(jì)算工況

考慮隧道位于不同地層的3種情況，分別對盾構(gòu)隧道開挖面支護(hù)力N、盾構(gòu)鋼殼錐度引起的收縮率C和壁后注漿壓力p進(jìn)行變化，研究盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，施工參數(shù)N、C、p對地表沉降和圍巖變形響應(yīng)的規(guī)律。計(jì)算工況及具體施工參數(shù)如表4所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 開挖面支護(hù)壓力N對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響

2.1.1 隧道開挖面前方地層位移分析

當(dāng)開挖面支護(hù)壓力N不同時(shí)，3種地層條件下隧道開挖面前方土體的總位移極值如表5所示。

表2 各結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

表3 盾構(gòu)從第3環(huán)推進(jìn)到第4環(huán)的模型設(shè)置

從表5可以看出： 當(dāng)支護(hù)壓力值相對標(biāo)準(zhǔn)工況降低20%時(shí)(工況1-2、2-2和3-2)，開挖面發(fā)生向隧道內(nèi)的位移，說明該壓力值略低于維持開挖面靜態(tài)平衡的壓力值； 當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)，開挖面附近土體以豎向變形為主，且開始產(chǎn)生向開挖面前方的位移趨勢，開挖面土體變形量較小，說明此時(shí)支護(hù)壓力比較接近開挖面的靜態(tài)平衡壓力值； 當(dāng)壓力相對標(biāo)準(zhǔn)工況提高20%時(shí)，開挖面附近土體向開挖面前方的近似水平位移趨勢更加明顯，位移量更大，說明此時(shí)支護(hù)壓力已經(jīng)明顯超出開挖面的靜態(tài)平衡壓力。

表4 計(jì)算工況及施工參數(shù)

Table 4 Working conditions and corresponding construction parameters

工況編號(hào)施工參數(shù)支護(hù)力N/kPa收縮率C/%注漿壓力p/%(體積應(yīng)變?chǔ)舦)隧道埋深/m地層1-1(標(biāo)準(zhǔn))1-2(N變化)1-3(N變化)1-4(C變化)1-5(C變化)1-6(p變化)1-7(p變化)2201762642202202202200.50.50.50.40.60.50.54040404040243212121212121212軟弱地層2-1(標(biāo)準(zhǔn))2-2(N變化)2-3(N變化)2-4(C變化)2-5(C變化)2-6(p變化)2-7(p變化)3652924383653653653650.50.50.50.40.60.50.54040404040243222222222222222硬巖地層3-1(標(biāo)準(zhǔn))3-2(N變化)3-3(N變化)3-4(C變化)3-5(C變化)3-6(p變化)3-7(p變化)2902323482902902902900.50.50.50.40.60.50.54040404040243217171717171717復(fù)合地層

表5 不同地層條件和支護(hù)壓力下開挖面前方土體總位移極值

Table 5 Total displacement extreme of soil in front of tunneling face under different strata conditions and supporting pressures

地層工況支護(hù)壓力N/kPa極值/mm軟弱地層1-21-11-3176220264 -10.50 6.94 6.19硬巖地層2-22-12-3292364438 -7.46 4.46 5.09復(fù)合地層3-23-13-3232290348 -9.43 3.71 4.88

注： “-”表示位移方向朝向隧道內(nèi)部。

2.1.2 開挖面水平位移分析

不同地層條件下設(shè)置不同支護(hù)壓力值時(shí)，對應(yīng)的開挖面沿隧道軸向的水平位移最大值如表6所示。

表6 不同地層條件和支護(hù)壓力下開挖面水平位移極值

Table 6 Extreme horizontal displacement of tunneling face under different straa conditions and supporting pressures

地層工況支護(hù)壓力N/kPa極值/mm復(fù)合地層3-2232 -7.77(上部軟土),-1.07(下部硬巖)3-1290 0.653-3348 2.42軟弱地層1-21-11-3176220264 -5.65 -1.85 2.05硬巖地層2-22-12-3292364438 -5.33 0.89 4.12

注： “-”表示位移方向指向隧道內(nèi)部。

由表6可知： 當(dāng)支護(hù)壓力降低20%時(shí)，水平位移仍指向隧道內(nèi)部； 當(dāng)支護(hù)壓力提高20%時(shí)，位移方向轉(zhuǎn)變?yōu)橹赶蜷_挖面前方。在硬巖地層條件下，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)，開挖面水平位移便已轉(zhuǎn)為指向開挖面前方，但最大水平位移很小，僅0.89 mm。在軟硬復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，開挖面水平變形分布特征與在單一軟土或硬巖中掘進(jìn)時(shí)有所不同。當(dāng)支護(hù)力N=232 kPa時(shí)，開挖面水平位移總體指向隧道內(nèi)部，但是開挖面上部最大水平位移約-7.8 mm，明顯大于開挖面下部的-1.1 mm； 當(dāng)支護(hù)力N=290 kPa時(shí)，開挖面水平位移方向總體指向開挖面前方，最大水平位移0.65 mm； 當(dāng)支護(hù)力N=348 kPa時(shí)，開挖面水平位移分布已經(jīng)趨于均勻，分布特征與在單一地層中掘進(jìn)時(shí)相似，最大水平位移為2.4 mm，位移方向指向開挖面前方。由此可見，當(dāng)開挖面支護(hù)壓力較小時(shí)，開挖面范圍內(nèi)在上部軟土部分和下部硬巖部分的水平變形表現(xiàn)出明顯的差異性。

2.1.3 地表沉降分析

通過計(jì)算可知，不同支護(hù)力N下地表沉降分布特征基本一致。軟弱地層下的分布特征表現(xiàn)為盾身及盾尾后方注漿體強(qiáng)度較低的4環(huán)管片范圍內(nèi)對應(yīng)的地表沉降較大，距離盾構(gòu)較遠(yuǎn)的管片范圍內(nèi)注漿體已經(jīng)固化，強(qiáng)度完全發(fā)揮，地表沉降略小，趨于穩(wěn)定。軟硬復(fù)合地層下的分布特征表現(xiàn)為管片壁后注漿體已經(jīng)硬化的范圍對應(yīng)的地表沉降分布均勻，沉降量相對盾身范圍對應(yīng)的地表沉降要大。

不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表最大沉降隨開挖面支護(hù)壓力的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表最大沉降隨開挖面支護(hù)壓力的變化曲線

Fig. 3 Curves of maximum surface settlement with support pressure when shield tunneling in different strata

由圖3可知，軟土層的變化趨勢與硬巖層和軟硬復(fù)合地層的不一致。1)軟土層的地表最大沉降量隨著開挖面支護(hù)壓力的增加而減小，當(dāng)N初次增加20%時(shí)，地表沉降降幅19%； 當(dāng)N再次增加20%時(shí)，地表沉降降幅6.2%，說明支護(hù)壓力較大時(shí)再增加壓力對地表沉降的控制效果將不再顯著提高。2)在硬巖層和軟硬復(fù)合地層條件下，支護(hù)壓力分別增加和減小20%，引起的地表最大沉降量變化幅度很小，不超過0.3 mm，說明盾構(gòu)在埋深較大的硬巖地層和軟硬復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，開挖面支護(hù)壓力對地表沉降的影響相對較小。具體來說，這2種地層的支護(hù)壓力分別增加和減小20%，均導(dǎo)致地表沉降略有增大。這是由于支護(hù)壓力較小時(shí)，土體向洞內(nèi)變形，勢必增加沉降；支護(hù)壓力較大時(shí)，擠壓開挖面土體向前進(jìn)方向發(fā)生位移，導(dǎo)致盾構(gòu)上方土體松動(dòng)，從而增加少量沉降。

綜上所述，開挖面支護(hù)壓力過小將引起地表產(chǎn)生較大沉降，增大開挖面支護(hù)壓力可以在一定程度上減小地表沉降，但是減小量有限。當(dāng)隧道埋深較大，進(jìn)入風(fēng)化巖層中時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表變形整體上比較小，調(diào)整開挖面支護(hù)壓力對地表變形的影響有限。因此，建議使用合適的開挖面支護(hù)壓力，而不能一味增大壓力。

2.2 盾構(gòu)收縮率C對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響

2.2.1 隧道周邊土體分析

分別提取盾構(gòu)收縮率C為0.5%、0.4%和0.6%時(shí)， 3種地層條件下隧道周邊土體的最大位移如表7所示。軟硬復(fù)合地層下C=0.6%時(shí)地層位移分布特征見圖 4。

表7 不同地層和盾殼錐度下隧道周邊土體最大位移

Table 7 Maximum displacement of soil around tunnel under different strata and tapers of shield shell

地層工況收縮率C/%最大位移/mm軟弱地層1-41-11-50.400.500.6019.2523.1927.18硬巖地層2-42-12-50.400.500.6016.9219.4622.93復(fù)合地層3-43-13-50.400.500.6016.8720.4123.94

圖4 軟硬復(fù)合地層下C=0.6%時(shí)地層位移云圖(單位： ×10-3 m)

Fig. 4 Displacement nephogram of hard and soft composite strata whenC=0.6% (unit: ×10-3m)

由表7和圖4可知，當(dāng)盾構(gòu)收縮率C分別取0.4%、0.5%和0.6%時(shí)，土體最大位移出現(xiàn)在盾構(gòu)中后部。盾殼錐度會(huì)引起一定的地層損失，盾構(gòu)收縮率越大(錐度越大)，盾構(gòu)周邊土體變形也越大(向隧道內(nèi)變形)且延伸至地表。其中軟硬復(fù)合地層條件下對應(yīng)的周邊土體最大位移分別為16.87、20.41、23.94 mm。

2.2.2 地表沉降分析

不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表最大沉降隨盾殼錐度的變化曲線如圖5所示。

由圖 5可知，地表最大沉降量和盾構(gòu)收縮率近似呈線性關(guān)系變化，地表最大沉降隨著盾構(gòu)收縮率的增加而增大。其中軟硬復(fù)合地層的盾構(gòu)收縮率C分別取0.4%、0.5%和0.6%時(shí)，對應(yīng)的沉降極值分別為-3.9 、-5.0、-6.3 mm?？傮w上，盾構(gòu)收縮率對地表沉降的影響比較顯著。

圖5 不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表最大沉降隨盾殼錐度的變化曲線

Fig. 5 Curves of maximum surface settlement with shield shell taper when tunneling in different strata

2.3 注漿壓力p對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響

2.3.1 隧道周邊土體分析

提取不同地層在3種情況下的隧道周邊土體最大位移，如表8所示。

表8 不同地層和注漿壓力下隧道周邊土體最大位移

Table 8 Maximum displacement of soil around tunnel under different strata and grouting pressures

地層工況體積應(yīng)變?chǔ)舦/%最大位移/mm軟弱地層1-624.006.431-132.0011.011-740.0022.47硬巖地層2-624.006.442-132.006.472-740.0012.67復(fù)合地層3-624.009.043-132.005.063-740.008.47

通過表 8可以看出： 1)軟弱地層當(dāng)注漿壓力較小時(shí)(εv=24%)，管片周邊土體位移很?。?當(dāng)注漿壓力增大(εv=32%、40%)時(shí)，管片周邊土體受注漿壓力擠壓影響，變形顯著增大。2)硬質(zhì)地層和復(fù)合地層在注漿壓力較小時(shí)，管片周邊土體發(fā)生向隧道內(nèi)的位移，當(dāng)注漿壓力增大，便逐漸開始產(chǎn)生向隧道外的位移。

2.3.2 地表沉降分析

軟弱地層地表最大沉降隨注漿壓力的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，軟弱地層在注漿壓力較小時(shí)(εv=24%)，硬化注漿體范圍內(nèi)對應(yīng)的地表沉降(-8.5 mm)比盾殼及未硬化注漿體范圍對應(yīng)的地表沉降(-7.0 mm)大； 隨著注漿壓力的增大(εv=32%、40%)，硬化注漿體范圍對應(yīng)的地表沉降逐漸減小，盾殼及未硬化注漿體范圍對應(yīng)的地表沉降則有所增大。

盾殼及未硬化注漿體范圍對應(yīng)的地表最大沉降隨著注漿壓力的增大略有增加，但變化幅度較小(從-7 mm增加到-8.1 mm)，即注漿壓力變化對這部分地表沉降影響不大； 硬化注漿體范圍對應(yīng)的地表最大沉降則隨著注漿壓力的增加近似呈線性減小(從-8.5 mm減小到-6.5 mm)，即這部分地表沉降受注漿壓力的影響較大。

不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表最大沉降隨注漿壓力的變化情況如圖 7所示。

圖6 軟弱地層地表最大沉降隨注漿壓力的變化曲線

Fig. 6 Curves of maximum surface settlement with grouting pressure in weak strata

圖7 不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表最大沉降隨注漿壓力的變化曲線

Fig. 7 Variation curves of maximum surface settlement with grouting pressure when shield tunneling in different strata

由圖7可知，硬巖層和復(fù)合地層相較于軟土層，地表最大沉降量隨著注漿壓力的增加變化幅度不大。以復(fù)合地層為例，當(dāng)注漿體的體積應(yīng)變?chǔ)舦從24%增大到32%時(shí)，最大沉降量從-6.0 mm降至-5.2 mm，但體積應(yīng)變從32%增大到40%時(shí)，地表最大沉降量只減小了0.2 mm，說明注漿壓力較大時(shí)再增加壓力對地表沉降的控制作用有限。總的來說，注漿壓力越小，地表最終沉降越大，通過注漿壓力增大可以控制最終的沉降。

2.3.3 管片變形及彎矩分析

不同注漿壓力下的管片豎向位移和管片彎矩匯總情況如表9所示，不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)管片上浮量和彎矩極值隨注漿壓力的變化趨勢見圖 8和圖9。

表9 各工況下管片豎向位移及彎矩匯總

Table 9 Statistics of segment deformation and stress under various working conditions

地層工況εv/ %管片上浮/mm管片彎矩/(kN·m)軟弱地層1-624.00 22.9 181.41-132.00 37.6 258.81-740.00 51.6 317.3硬巖地層2-624.00 8.1 41.32-132.00 15.6 97.12-740.00 26.2 157.3復(fù)合地層3-624.00 2.6 53.33-132.00 11.1 95.73-740.00 20.1 141.5

圖8 不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)管片上浮量隨注漿壓力的變化曲線

Fig. 8 Variation curves of floating amount of segment with grouting pressure when shield tunneling in different strata

圖9 不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)管片彎矩極值隨注漿壓力的變化曲線

Fig. 9 Curves of extreme bending moment of segment with grouting pressure when shield tunneling in different strata

由表9、圖8和圖9可知，管片上浮量和管片彎矩均隨著注漿壓力的增加而增大，注漿壓力對管片上浮和彎矩影響比較顯著?？梢?，通過增大注漿壓力雖然可以控制最終地表沉降，但是同時(shí)也會(huì)使得管片上浮量和彎矩極值增大。因此，不能盲目增大注漿壓力，而是應(yīng)該綜合考慮地表沉降控制和管片性能，選取合適的注漿壓力。

2.4 影響規(guī)律總結(jié)

1)復(fù)合地層下開挖面支護(hù)壓力N相對標(biāo)準(zhǔn)工況降低20%時(shí)，對地表沉降影響很小，開挖面水平位移變形則表現(xiàn)出明顯的差異。

2)復(fù)合地層下盾構(gòu)收縮率C越大，盾構(gòu)周邊土體變形也越大且延伸至地表，地表沉降也呈現(xiàn)出明顯的增大。

3)復(fù)合地層下注漿壓力p較大時(shí)，再增加壓力對地表沉降的控制作用有限；另外，在增大注漿壓力的同時(shí)，管片上浮量和彎矩也會(huì)出現(xiàn)明顯增加。因此，在確定注漿壓力時(shí)應(yīng)綜合考慮，注漿壓力不宜過高。

3 工程案例分析

3.1 工程簡介

合肥市軌道交通4號(hào)線雞鳴山路站—方興大道站區(qū)間的起止里程為K1+477.60～K2+282.48，總長度約804.88 m，本區(qū)間為2條單洞單線圓形隧道，線路中心線間距為14 m，最大坡度為26‰，覆土厚度為5.17～11.48 m。區(qū)間敷設(shè)于望江西路下方，下穿規(guī)劃的火龍地路、分水嶺路及現(xiàn)狀小西河，側(cè)穿小西河橋，市政道路地下存在多條雨污水、自來水、電力、燃?xì)?、通信等管線。

3.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

洞身主要穿越黏土⑥2層、粉質(zhì)黏土⑥3層、全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖⑨11層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾泥巖⑨12層及中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖⑨13層； 局部為粉質(zhì)黏土②3層、粉細(xì)砂⑥5層、粉質(zhì)黏土⑦2層； 隧道底板下主要為⑨13中風(fēng)化泥巖夾泥巖，地質(zhì)縱斷面見圖 10。

圖10 工程地質(zhì)縱斷面(單位： m)

地下水主要賦存上層滯水和承壓水，上層滯水主要分布在表部雜填土①1層、粉質(zhì)黏土填土①2層人工填土層及表部裂隙發(fā)育的黏性土中； 承壓水主要賦存于殘積層和強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖⑨12層，富水性和透水性均較弱，水量較小。

3.3 各施工區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

選用ZTE6250土壓平衡盾構(gòu)(鐵建重工生產(chǎn))進(jìn)行施工，盾構(gòu)外徑約為6 m，內(nèi)徑為5 400 mm，設(shè)計(jì)采用板形鋼筋混凝土預(yù)制管片襯砌，管片厚度為300 mm，管片環(huán)寬為1 500 mm，每環(huán)由6塊組成，管片混凝土為C50，抗?jié)B等級P10，拼裝方式為通用環(huán)管片錯(cuò)縫拼裝。

盾構(gòu)先以26‰的坡度向下掘進(jìn)至最低點(diǎn)，再以21.654‰的坡度向上掘進(jìn)，最后以2‰向下坡度掘進(jìn)至方興大道站。受地層特性的影響，盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。

3.3.1 始發(fā)段

始發(fā)段(1—80環(huán))在45環(huán)之前穿越⑨12層及⑨13層，45—80環(huán)之間主要穿越⑨11層、⑨12層及⑨13層。當(dāng)盾構(gòu)刀盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，以轉(zhuǎn)速最大不超過0.5 r/min開始推進(jìn)，推進(jìn)速度在5 mm/min以內(nèi)，推力控制在1 000 kN/組以下。始發(fā)端頭采用高壓旋噴樁加固，加固范圍為沿隧道9 m。待刀尖接觸加固體時(shí)，以總推力控制來設(shè)定推進(jìn)速度，共32支推進(jìn)油缸，總推力控制在10 000 kN以下，土艙壓力控制在50～90 kPa，推進(jìn)速度不宜過快，10 mm/min以內(nèi)為宜。盾構(gòu)出加固區(qū)，在保證尾盾密封及洞門密封圈安全的條件下，逐步提高土艙壓力值，并根據(jù)地面監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整。

3.3.2 中間掘進(jìn)段

中間掘進(jìn)段(80—500環(huán))穿越地層大致可分為4種，除447—500環(huán)為軟弱土層，其余均穿越軟硬復(fù)合地層。在穿越復(fù)合地層時(shí)，土艙壓力的變化引起的地表沉降變化較小，因此，將80—447環(huán)的土艙壓力基本控制在130～160 kPa； 穿越軟弱地層時(shí)，適當(dāng)降低土艙壓力至120～140 kPa。在確定注漿壓力時(shí)，若設(shè)計(jì)過大，管片周圍土層將受到漿液擾動(dòng)而引起后期地層及隧道沉降，并易造成跑漿； 若設(shè)計(jì)過小，漿液填充速度過慢，填充不充足，會(huì)使地表變形增大； 由于管片上浮量和彎矩對注漿壓力的敏感性，對于埋深相對較大的軟硬復(fù)合地層，注漿壓力不宜過高。因此，中間掘進(jìn)段的注漿壓力統(tǒng)一控制在20～40 kPa。綜合考慮地質(zhì)條件、隧道埋深、周邊環(huán)境，分別給出不同施工區(qū)段的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，如表10所示。

3.3.3 到達(dá)段

到達(dá)段(500—535環(huán))主要穿越⑥3、⑥5、⑦23種地層，待盾構(gòu)掘進(jìn)至正面土體為加固區(qū)時(shí)，土質(zhì)較硬，為控制推進(jìn)軸線和洞門安全，必須慢慢磨削加固區(qū)，使加固區(qū)土體充分得到切削，因此推進(jìn)速度應(yīng)放慢，盡量均衡施工，推進(jìn)速度不超過10 mm/min，同時(shí)刀盤轉(zhuǎn)矩控制在3 000 kN·m以內(nèi)，當(dāng)?shù)侗P出加固區(qū)后快速到達(dá)。

表10 中間掘進(jìn)段掘進(jìn)參數(shù)

3.4 地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測表明盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)正確，未出現(xiàn)偏離。現(xiàn)選取穿越復(fù)合地層區(qū)間段(K1+690～+720)的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，測點(diǎn)平面布置見圖 11。

圖11 監(jiān)測點(diǎn)平面圖

由圖 11可知，隧道沿線每10 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測斷面，每隔30 m的斷面上設(shè)置9個(gè)地表沉降測點(diǎn)，其他斷面設(shè)置2個(gè)地表沉降測點(diǎn)。隨時(shí)間和距離變化的地表沉降監(jiān)測曲線如圖12和圖13所示。

圖12 地表沉降隨時(shí)間變化曲線

從圖12和圖13可以看出，地表沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程逐漸增大，當(dāng)掘進(jìn)至監(jiān)測點(diǎn)正下方時(shí)，沉降速率最快，隨盾構(gòu)逐漸遠(yuǎn)離而趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表未出現(xiàn)隆起，沉降最大值為8.5 mm，出現(xiàn)在隧道正上方，隨著與隧道距離的增大而逐漸減小，整體呈現(xiàn)出近似“漏斗”的形狀。

圖13 地表沉降隨距隧道距離變化曲線

4 結(jié)論與討論

1)在軟土層中掘進(jìn)時(shí)，開挖面支護(hù)壓力N、盾殼錐度和注漿壓力p對地表沉降的影響最為顯著； 在硬巖層中掘進(jìn)時(shí)，地表沉降受盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的影響相對較小。

2)相較而言，開挖面支護(hù)壓力N和注漿壓力p對地表沉降的影響受地層和埋深的限制較大； 盾殼錐度對地表沉降的影響受地層和埋深的限制相對較小。在埋深較淺的軟土層中N和p變化引起的地表沉降變化較大，而在埋深相對較大的硬巖層和軟硬復(fù)合地層中，N和p變化引起的地表沉降變化較小。在不同地層中引起的地表沉降隨盾殼錐度的變化基本都近似呈線性變化。

3)注漿壓力對管片上浮和管片內(nèi)力的影響顯著，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，應(yīng)綜合考慮地表沉降控制和管片性能，選取合適的注漿壓力。

4)將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于合肥市地鐵4號(hào)線雞—方盾構(gòu)區(qū)間，施工實(shí)踐證明，各施工區(qū)段的掘進(jìn)參數(shù)合理可靠，掘進(jìn)過程中盾構(gòu)姿態(tài)正確，地表未出現(xiàn)隆起，沉降控制在8.5 mm以內(nèi)，盾構(gòu)隧道施工安全，周邊環(huán)境穩(wěn)定。