砂卵石地层是一种黏聚力几乎为零、卵石分布随机、强度大的地层, 在砂卵石地层中采用盾构法进行隧道施工时, 受盾构刀盘切削影响, 地层稳定或平衡状态遭到破坏而发生坍塌, 引起大的地层损失、造成大的地表沉降。在北京、成都等地盾构实践中先后遇到砂卵石地层^[1,2], 目前, 兰州地铁1号线一期工程盾构穿越的地层主要为砂卵石地层, 此类地层中复杂城区盾构掘进引起的地表沉降控制问题历来受到人们的关注。房倩等^[3]对超大直径泥水式盾构在砂、砂卵石地层中掘进引起的地表变形过程和分布规律进行分析, 将盾构隧道地表纵向变形分为4个不同阶段;王振飞等^[4]以北京地下直径线为依托, 实测分析地表沉降和深部土体水平位移, 得出富水砂卵石地层盾构隧道施工引起地层变形的基本规律。

以兰州地铁1号线迎门滩站—马滩站泥水平衡盾构隧道工程为研究对象, 兰州地铁1号线长距离穿越砂卵石地层, 在复杂城市地区采用盾构法掘进, 对盾构掘进引起的地表沉降规律进行理论及现场实测分析, 并结合实测掘进参数, 得到砂卵石地层泥水平衡盾构掘进地表沉降规律及控制措施。

兰州地铁1号线迎门滩—马滩区间隧道全长1 905.954m, 左线与右线间距6.8m。线路总体呈V形, 线路纵坡为28%。左右线均采用泥水平衡盾构法施工, 分别从迎门滩站始发, 同向掘进, 区间在银滩黄河大桥上游附近下穿黄河底部;管片厚0.35m、长1.2m、外径6.2m、内径5.5m, 采用错缝拼装, 区间平面位置如图1所示。

区间地质情况 (从上到下) :人工杂填土层, 厚2～7m, 分布不等;第四系全新统Q₂¹⁰砂卵石层, 夹杂中砂透镜体, 厚6～12m, 分布不等;第四系下更新统Q₃¹¹砂卵石层 (注:地质钻孔未穿透该层) 。该段区间盾构主要穿越Q₂¹⁰和Q₃¹¹复合砂卵石、Q₃¹¹砂卵石地层。隧道覆土厚10～25m, 隧道位于地下水位以下。中间风井以南为黄河, 盾构从迎门滩站向中间风井掘进, 地下水压力逐渐增大, 隧道与穿越的地层关系纵断面如图2所示。

地层组成特征:Q₂¹⁰砂卵石层中粒径>20mm的卵石含量约64.12%, 偶遇漂石的最大粒径达500mm, 粒径<2mm的颗粒含量 (即含砂率) 约为19.27%。Q₃¹¹砂卵石地层卵石粒径>20mm约含60.39%, 偶遇漂石的最大粒径>500mm, 含砂率平均约为21.47%。因此, 含砂率偏低及卵石颗粒粒径大是兰州地铁1号线穿越地层砂卵石的主要特征, 且大粒径漂石分布随机性强, 采用泥水平衡盾构法在粗粒径砂卵石地层中常出现泵吸口及出口堵塞现象, 对盾构施工地表沉降控制有很大影响。

盾构隧道施工引起地表沉降的经典理论为Peak二维沉降槽理论。隧道开挖引起的横向地表沉降反向高斯误差曲线为:

式中:S_max为隧道中心线上方的最大沉降;x为距离隧道中心线的水平距离;i_x为沉降槽反弯点到隧道中心线水平距离。

Reilly等认为i_x与隧道中心线埋深Z₀存在线性关系:

式中:K为常数, 主要取决于土体性质。根据世界范围内地下工程的多年研究成果, 不论隧道尺寸及施工方法, 一般砂土和砂砾土层中的K为0.2～0.45, 硬黏土层中的K为0.4～0.6, 软黏土地层中的K为0.6～0.75;Z₀为隧道中心线的埋深。

同时, 通过对Peck公式沿x方向全长积分可得到单位长度的沉降槽体积V_S:

此外, 预测地表沉降槽范围的另一个重要参数为地层损失率, 用V_L表示:

式中:V_S为单位长度沉降槽体积;A_t为隧道开挖面积。

在许多工程实例中, 地层损失是一个重要的设计参数, 通常基于施工方法、施工机械及类似地层施工经验确定。敞开式盾构的硬黏土中地层损失率一般为1%～2%, 封闭式盾构的砂土地层中<0.5%, 软黏土中考虑后期固结, 一般在1%～2%。据韩煊等^[5]总结归纳我国部分地区地铁开挖引起的沉降槽规律, 地层损失率为0.22%～6.9%。

迎门滩—马滩区间盾构隧道的地表沉降监测点每10～20环设置1个横向沉降槽监测断面, 表示为DB01, DB02等, 每个横向断面布置6～11个监测点。

结合迎马区间右线盾构施工引起的地表沉降值 (左线隧道始发前的沉降值) , 迎马区间陆地段右线至中间风井施工前共布置22个沉降监测点, 其中DB16～DB22断面受地形及环境影响仅有部分沉降值, 因此选取前15个沉降断面进行分析 (DB15断面约在215环处) 。

如图3所示, 盾构始发后约50m的DB01～DB04断面的沉降值有较大离散性。地表沉降最大值为-19.6mm, 沉降值多分布在-15～-10mm内, 且沿隧道中心线左侧的地表沉降值比右侧沉降值大。

沉降原因分析: (1) 该区域处于始发阶段, 掘进参数还处于不断调整尝试阶段, 不能建立良好的土压平衡, 因而地表沉降分布规律产生了较大离散性; (2) 盾构始发段地表覆盖土较浅, 在盾构掘进中, 对周边土体扰动较大, 造成较大的地层损失, 增加地表沉降; (3) 盾构隧道位于地下水位以下, 地下水流失较多, 增大了对地表沉降的影响。

图3列出了7个较符合Peck沉降槽形规律分布的地表沉降监测断面, 但隧道轴线左侧部分地表沉降监测点有较大的离散, 且最大沉降偏离隧道轴线;除7个监测断面外, 其余有效监测断面均不符合槽形分布规律;主要原因是砂卵石地层为颗粒状物质组成, 盾构开挖时的轮廓可能不均匀, 地层在变形过程中由于卵石颗粒组成的骨架可能会一定程度上限制地层变形, 因而其地表沉降规律偏离槽形分布或部分监测点产生一定的离散。

由图3可知, 在断面中距盾构隧道轴线约20m处的地表沉降值接近0mm。说明砂卵石地层中盾构施工的横向影响范围基本为轴线两侧20m (约3.1D) 范围内。

左线始发前 (即右线隧道掘进后4～5个月) 各断面最大沉降值及Peck公式拟合情况分别如图4, 5所示。

通过拟合分析DB05～DB15断面得到实际监测沉降值, 如表1所示。

表1中K值取0.25～0.6, 变化范围较大, 除2个断面K值为0.6, 0.58外, 其余较符合沉降槽规律的横断面K值, 一般分别在0.25～0.5, 断面DB15的K=0.6, 断面DB14的K=0.25, 可能在埋深较大的情况下, 沉降槽离散性较大, 一般埋深10～12m范围内沉降槽的K值均在0.25～0.5。表1中监测断面的地层损失率平均为0.8%, 最大1.1%, 一般范围为0.5%～0.9%。考虑此类地层地表沉降监测具有较大离散性, 预测地表沉降时可适当提高地层损失的取值。

盾构掘进位置的变化对地层损失率影响大, 对沉降槽宽度参数未产生显著影响。使用Peck公式预测盾构掘进引起的沉降时, 须考虑掘进位置对地层损失率的影响。断面DB05-08隧道轴向正上方地表沉降随盾构通过后的发展变化规律如图6所示。盾尾脱出后3d累计沉降值达-8.3mm, 接近最终沉降值的70%, 随后缓慢发展, 且有增大现象, 可能由于砂卵石地层颗粒较粗, 在通过盾构掘进后, 地层中形成细小的空洞, 形成临时性的骨架, 在外界因素的缓慢作用下发生不均匀变化, 砂卵石地层渗透系数较大, 盾构通过后地下水得到及时补偿, 地下水位上升使地表沉降得到回升, 这是与其他地层盾构施工引起地表沉降施工的显著区别, 且在通过后很长一段时间内, 受扰动的砂卵石地层仍存在地表沉降变化, 说明砂卵石地层沉降存在滞后性。

断面DB11-08 (覆土约13m) 隧道轴向正上方监测点随盾构通过后的地表沉降变化趋势如图7所示, 该图表明砂卵石地层中盾构掘进引起地表沉降规律的另一个典型特征, 不同于断面DB05-8, 盾尾脱出后大部分地表沉降值在7～15d内迅速积累, 而盾尾脱出后, 沉降值累积到-4.7mm, 随后变化缓慢, 长达150d的时间内沉降缓慢发展至最大值-16.7mm, 表明砂卵石地层盾构掘进引起的地表沉降规律具有显著滞后性, 常伴有沉降突然增大的特性, 给地表沉降控制带来较大困难, 且分析多个断面纵向沉降规律发现, 滞后沉降的特性有随埋深增加而速率变缓慢的趋势。

由于迎门滩—马滩区间的泥水平衡盾构法掘进是首次在兰州砂卵石地层中使用, 缺乏施工经验, 只能通过不断摸索寻求盾构的最优掘进参数, 因此在前200环掘进中, 地表沉降波动较大, 泥水切口压力波动也较大, 后期通过对前200环掘进的总结, 优化了泥水平衡盾构掘进参数, 摸索出兰州砂卵石地层中掘进参数的合理控制方式, 这是前后期掘进参数控制差异较大的主要原因, 也是导致其地表沉降变化差异较大的主要原因。

盾构法隧道中, 盾构掘进参数对地表沉降控制有较大影响。盾构掘进参数主要有盾构推力、刀盘扭矩、掘进速度、同步注浆注入率及开挖面支护压力等^[1]。选取区间右线陆地段 (前500环) 泥水平衡盾构主要的掘进参数进行分析研究, 分别如图8～10所示。

泥水平衡盾构由于泥水作用使刀盘正面、背面与切削下土体的摩擦系数很小, 刀盘切削扭矩一般较小。如图8所示, 随着隧道覆土的不断增加, 泥水压力值有不断提高的趋势, 并在约400环后保持恒定, 其规律与图9中盾构推力变化规律类似, 这个规律对泥水仓压力设定有重要作用。由图9a可知, 盾构始发段因砂卵石地层与盾壳的摩擦较大, 盾构推力均较大, 前100环段的平均推力为9 500～10 000kN。虽在始发段掘进时产生较大的地层损失, 但随着砂卵石地层盾构掘进经验的不断积累, 盾构掘进过程中不断调整盾构掘进参数, 地表沉降得到较好控制。如图9b所示, 前240环盘切削扭矩为1 200～2 400kN·m, 平均约1 400kN·m, 约240环后, 刀盘切削扭矩为800～2 400kN·m, 波动范围较大;约198环位置处因地层异常导致刀盘发生卡死而超过刀盘额定扭矩。

前220环的平均地表最大沉降值约为-14.7mm, 大于后220环的掘进, 与掘进参数的控制调整较为密切。综合分析图8～10中的泥水平衡盾构掘进支护压力、刀盘扭矩及推力参数, 砂卵石地层盾构掘进时, 并非开挖面支护力越大推力越高, 就越利于减小地表沉降和地层损失率。在掘进过程中应严格控制开挖面支护压力的波动, 应控制在10kPa以内, 防止对地层产生过大影响导致地表沉降。初始掘进阶段, 受地层大粒径卵石颗粒的影响, 开挖面压力波动均较大, 地层中难以形成较好的泥膜, 地表沉降控制困难, 也产生了较大的沉降。前500环掘进时平均推力约为9 100kN, 推力波动较小, 对泥水支护压力的控制较有利;始发后60～240环总推力较大, 240环后推力随埋深逐渐增加至10 000kN, 370环后 (覆土约为22m) 推力增加不明显, 表明覆土足够时推力值基本恒定, 砂卵石地层中存在较强的成拱作用, 理论设定时可采用拱效应理论进行计算。

同步注浆注入率与监测断面最大地表沉降值间的关系如图11所示。盾构始发后160环阶段的同步注浆注入率控制在1.55%左右, 但其最终产生的沉降值大于后期掘进值;随着盾构的不断推进, 同步注浆注入率一般为1.8%～2.1%, 监测断面最大地表沉降值呈减小趋势, 说明同步注浆注入率的提高可有效控制地表沉降或地层变形。

以兰州地铁1号线迎门滩站—马滩站区间隧道泥水平衡盾构法掘进为研究对象, 结合实测泥水平衡盾构掘进参数对砂卵石地层引起的地表沉降规律及影响因素, 得出以下结论。

1) 砂卵石地层中盾构掘进引起的地表沉降具有明显滞后规律, 盾尾脱出后一定时期内的地表沉降并不明显, 地表沉降速率缓慢, 其累积值较大, 具有较大危害性。

2) 泥水平衡盾构掘进参数的合理控制对地表沉降控制尤为重要。应严格控制推力、扭矩, 减少扰动周围土体, 减小塌落面的范围, 推力与扭矩发生突变时, 应判断刀盘是否卡死并采取相应的处理措施, 如向泥水仓中注入添加剂等。

3) 砂卵石地层泥水盾构掘进应严格控制推进速度、泥浆排放量。保持开挖面泥水仓压力与掌子面土压力的平衡。泥水仓压力的计算根据埋深情况应按不低于朗肯主动土压力值及水压力值进行设定, 覆土足够时 (一般取>2D或1.5D) 可采用塌落拱效应进行理论计算, 但需考虑预压值的设定。

4) 同步注浆为砂卵石地层控制地层变形的主要手段;掘进中应根据掘进参数的控制情况及沉降值的监测进行控制, 结合实测, 同步注浆注入率宜≥1.6%, 且在重要沉降控制区段应>2.0%。