楊戰(zhàn)勇

中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211899

在城市隧道施工過(guò)程中，地表沉降控制措施應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況、模擬及試驗(yàn)結(jié)果綜合確定［1］?，F(xiàn)有研究主要是利用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降特性、始發(fā)控制、掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析。周帥等［2］基于成都地鐵7 號(hào)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)對(duì) O’Reilly&New 經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正，并將修正公式成功應(yīng)用到成都地鐵3 號(hào)線(xiàn)，得到了適用于砂卵石地層的盾構(gòu)隧道地表沉降預(yù)測(cè)公式；劉方等［3］通過(guò)數(shù)值模擬研究北京大直徑盾構(gòu)淺覆土始發(fā)段地層位移變化特征，得出隧道軸線(xiàn)上方沉降最大，兩側(cè)逐漸減小，周?chē)馏w有向洞內(nèi)擠入的趨勢(shì)；游永鋒等［4］以春風(fēng)隧道為工程依托，分析得到一套超大直徑盾構(gòu)在超淺覆土層中始發(fā)施工技術(shù)；徐沖［5］以蘭州地鐵1 號(hào)線(xiàn)迎門(mén)灘—馬灘區(qū)間隧道砂卵石地層泥水平衡盾構(gòu)施工為工程背景，研究了砂卵石地層泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，采用FLAC 3D 有限元軟件模擬了不同支護(hù)壓力和注漿壓力下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程；張洋［6］依托上海北橫通道盾構(gòu)段，分析了隧道上方和兩側(cè)建筑物的變形，并對(duì)傳統(tǒng)Peck 曲線(xiàn)進(jìn)行了修正；張斌［7］基于應(yīng)力釋放理論，探討盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表變形，得出隧道軸線(xiàn)兩側(cè)1.6 倍直徑范圍為顯著影響區(qū)；陳學(xué)軍等［8］對(duì)富水地層盾構(gòu)始發(fā)隧道洞口土體加固措施進(jìn)行了研究，提出了混凝土墻與攪拌樁聯(lián)合加固措施；崔童［9］以新鄭機(jī)場(chǎng)—鄭州南站泥水平衡盾構(gòu)隧道為例，對(duì)地表沉降較大的原因進(jìn)行了分析，并提出采用輔助氣壓掘進(jìn)法來(lái)提高掘進(jìn)效率，減少刀盤(pán)泥餅，保證掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降在可控范圍內(nèi)；徐汪豪等［10］對(duì)地層變化段大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了研究，得出掘進(jìn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和盾構(gòu)推力，需要隨著地層變化及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

既有研究主要針對(duì)一般埋深情況下盾構(gòu)掘進(jìn)施工，對(duì)淺埋軟硬復(fù)合地層中大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)施工涉及較少。本文以京張高速鐵路清華園隧道為背景，通過(guò)數(shù)值模擬分析盾構(gòu)在復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中土體位移，確定始發(fā)段土體加固范圍，結(jié)合工程實(shí)際情況確定加固方案，然后針對(duì)正常掘進(jìn)段提出盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的建議值，給出地表沉降控制措施，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證控制措施的可行性。

1 工程概況

清華園隧道地處北京市海淀區(qū)（圖1），隧道全長(zhǎng)6 020 m，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑12.64 m，屬于大直徑盾構(gòu)隧道。

圖1 清華園隧道工程平面示意

隧道周邊建筑物密集，3號(hào)豎井入口埋深約6.8 m，不足0.6 倍洞徑。隧道盾構(gòu)穿越的地層為由粉土、粉質(zhì)黏土和卵石土組成的復(fù)合地層（圖2），無(wú)明顯地下水。在該類(lèi)地層中施工時(shí)地表沉降控制十分重要。

圖2 地層剖面

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

利用FLAC 3D 建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬參數(shù)見(jiàn)表1。模型尺寸為142 m（長(zhǎng)）×120 m（寬）×45 m（高），見(jiàn)圖3。

表1 模擬參數(shù)

圖3 計(jì)算模型

考慮隧道始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，周?chē)貙蛹罢谱用娣€(wěn)定性差，容易引發(fā)坍塌及嚴(yán)重地面沉降［11］，故進(jìn)行土體加固。在通過(guò)始發(fā)段后，掘進(jìn)開(kāi)挖緊接著進(jìn)行管片拼裝，不需額外加固措施，故稱(chēng)此階段為正常掘進(jìn)段。因此，本文在數(shù)值模擬中將盾構(gòu)掘進(jìn)分為始發(fā)段和正常掘進(jìn)段，模型中始發(fā)段和正常掘進(jìn)段長(zhǎng)度均為60 m。圖3中藍(lán)色段為始發(fā)段，已完成管片拼裝；淺藍(lán)色和紫紅色段為正常掘進(jìn)段，淺藍(lán)色段表示盾構(gòu)正開(kāi)挖，紫紅色段表示待開(kāi)挖。

由于是淺埋隧道，構(gòu)造應(yīng)力不明顯，主要考慮自重，使用位移邊界。先計(jì)算未開(kāi)挖時(shí)的地應(yīng)力，再開(kāi)挖豎井基坑，以此時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 始發(fā)段

3 號(hào)豎井入口端（17 m）未加固掘進(jìn)時(shí)，隧道斷面土體豎向位移見(jiàn)圖4（a）?？梢?jiàn)，隧道底部隆起，豎井入口處位移約為16 cm，入口端17 m 范圍內(nèi)土體豎向位移在2 ～16 cm，土體位移導(dǎo)致土體呈圓弧狀剪切滑移破壞，引起入口處大面積坍塌和地表垮塌。

采用表1 加固區(qū)參數(shù)代替土體參數(shù)，旋噴樁加固從豎井入口至后方17 m、隧道軸線(xiàn)兩側(cè)6 m 范圍。豎井入口端加固后土體豎向位移見(jiàn)圖4（b）。對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可知：加固后豎井入口端土體豎向位移由加固前的2 ～16 cm 減小為0.1 ～0.7 cm，說(shuō)明土體加固后抗擾動(dòng)能力得到加強(qiáng)，旋噴樁起到了良好加固作用。

圖4 3號(hào)豎井入口端土體豎向位移云圖（單位：cm）

2.2.2 正常掘進(jìn)段

在盾尾脫出、管片拼裝成型后，正常掘進(jìn)段隧道上方土體豎向位移在10 mm 左右，說(shuō)明地表沉降穩(wěn)定，無(wú)需采取土體加固措施?？紤]到掘進(jìn)段為軟硬復(fù)合地層，穿越不同地層時(shí)采用不同參數(shù)才能使施工效率最大化。因此，將正常掘進(jìn)段的重點(diǎn)放在盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化上，通過(guò)控制掘進(jìn)參數(shù)達(dá)到控制地表沉降的目的。

3 地表沉降控制措施

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和工程實(shí)際情況，確定該工程地表沉降控制措施為：在始發(fā)段進(jìn)行土體加固，在正常掘進(jìn)段優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

3.1 始發(fā)段土體加固

從豎井入口至后方17 m、隧道軸線(xiàn)兩側(cè)6 m 范圍采用三重管法高壓旋噴樁進(jìn)行土體加固，共布置1 504根。樁徑600 mm，間距450 mm，多排咬合。水泥采用42.5 級(jí)硅酸鹽水泥，旋噴樁28 d 后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa，滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化需綜合考慮地層特點(diǎn)、盾構(gòu)機(jī)型和施工經(jīng)驗(yàn)。因此，對(duì)清華園隧道始發(fā)段和正常掘進(jìn)段前248 環(huán)的盾構(gòu)推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，給出建議值。

1）盾構(gòu)推力

正常掘進(jìn)段盾構(gòu)推力變化及其頻數(shù)分布見(jiàn)圖5?？芍孩偈及l(fā)段（0 ～30 環(huán)）地層以粉土和粉質(zhì)黏土為主，盾構(gòu)推力均值為40.9 MN。31 ～248 環(huán)為正常掘進(jìn)段，該段地層為粉質(zhì)黏土、卵石土和粉土組成的復(fù)合地層，且卵石土逐漸增多，盾構(gòu)推力均值為49.0 MN。②從頻數(shù)分布來(lái)看，盾構(gòu)推力集中在46.0 ～50.0 MN。因此，正常掘進(jìn)段盾構(gòu)推力建議值為46.0 ～50.0 MN。

圖5 盾構(gòu)推力變化及其頻數(shù)分布

2）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

正常掘進(jìn)段盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化及其頻數(shù)分布見(jiàn)圖6?？芍菏及l(fā)段刀盤(pán)轉(zhuǎn)速由1.25 r/min 增至1.49 r/min，31 ～ 50 環(huán)地層中卵石土增多，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速由 1.49 r/min 降至 1.27 r/min，51 ～ 248 環(huán)地層中粉質(zhì)黏土和卵石土的占比相對(duì)穩(wěn)定，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速均值為1.25 r/min。從頻數(shù)分布來(lái)看，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速集中在1.20 ～1.25 r/min。因此，正常掘進(jìn)段刀盤(pán)轉(zhuǎn)速建議值為1.20 ～ 1.25 r/min。

圖6 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化及其頻數(shù)分布

3）掘進(jìn)速度

始發(fā)段和正常掘進(jìn)段盾構(gòu)掘進(jìn)速度變化及其頻數(shù)分布見(jiàn)圖7?？芍孩? ～85環(huán)地層從始發(fā)段的以粉土和粉質(zhì)黏土為主地層變化為粉質(zhì)黏土、卵石土和粉土的復(fù)合地層，掘進(jìn)速度由19.7 mm/min降至14.3 mm/min。86 ～248 環(huán)地層卵石土繼續(xù)增多，調(diào)整盾構(gòu)推力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速后，掘進(jìn)速度上下波動(dòng)，均值為19.8 mm/min。說(shuō)明正常掘進(jìn)段的掘進(jìn)速度應(yīng)以86 ～248環(huán)數(shù)據(jù)為參照，控制在19.8 mm/min。②從頻數(shù)分布來(lái)看，掘進(jìn)速度集中在14.0 ～22.0 mm/min。③綜合考慮0 ～85環(huán)、86 ～248 環(huán)的掘進(jìn)速度及其頻數(shù)分布，正常掘進(jìn)段掘進(jìn)速度建議值為16.0 ～22.0 mm/min。

圖7 掘進(jìn)速度變化及其頻數(shù)分布

經(jīng)分析，最終確定始發(fā)段地表沉降控制措施為：地層采用三重管法高壓旋噴樁進(jìn)行加固，加固范圍為豎井入口至后方17 m，隧道軸線(xiàn)兩側(cè)6 m。正常掘進(jìn)段通過(guò)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)地表沉降的控制，掘進(jìn)參數(shù)建議值：盾構(gòu)推力為46.0 ～50.0 MN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.20 ～ 1.25 r/min，掘進(jìn)速度為16.0 ～ 22.0 mm/min。通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，始發(fā)段前30 m 處于試掘進(jìn)階段，地表沉降在4 ～14 mm 波動(dòng)；隨后由于掘進(jìn)參數(shù)控制有效，地表沉降逐漸穩(wěn)定在13 mm 左右，說(shuō)明地表沉降控制措施效果良好。

4 結(jié)論

清華園淺埋隧道采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，始發(fā)段地層以粉土和粉質(zhì)黏土為主，正常掘進(jìn)段為粉質(zhì)黏土、卵石土和粉土的復(fù)合地層，需針對(duì)這兩個(gè)盾構(gòu)段提出相應(yīng)的地表沉降控制措施。

1）經(jīng)數(shù)值模擬，始發(fā)段宜采用三重管法高壓旋噴樁群加固，加固范圍為豎井入口至后方17 m、隧道軸線(xiàn)兩側(cè)6 m。

2）對(duì)正常掘進(jìn)段的掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析得出，盾構(gòu)推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度宜分別控制在46.0 ～50.0 MN、1.20 ～ 1.25 r/min、16.0 ～ 22.0 mm/min。

3）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，始發(fā)段加固、正常掘進(jìn)段優(yōu)化參數(shù)可將隧道上方地表沉降控制在13 mm左右。