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作者：侯永茂鄭宜楓楊國(guó)祥葛修潤(rùn)邱裕華單位：上海交通大學(xué)上海隧道工程股份有限公司

上海外灘隧道的成功修建，標(biāo)志著14.27m超大直徑土壓平衡盾構(gòu)登上我國(guó)隧道工程的舞臺(tái)[13]。由于盾構(gòu)直徑增大，盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響難以運(yùn)用小直徑或泥水盾構(gòu)的研究成果進(jìn)行控制。為了提高超大直徑土壓平衡盾構(gòu)的施工水平，本文依托國(guó)內(nèi)第2條采用14.27m土壓平衡盾構(gòu)施工的上海迎賓三路隧道工程展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究，分析超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響以及盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降的關(guān)系。同時(shí)還研究了盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停推階段地表沉降和孔隙水壓力的發(fā)展情況。

工程概況

上海迎賓三路地下公路隧道全長(zhǎng)為1862.7m，隧道主線(xiàn)最大縱坡為5%，最小平曲線(xiàn)半徑為700m。隧道砌結(jié)構(gòu)采用外徑為195m、內(nèi)徑為12.75m、厚為0.6m的通用楔形管片，管片環(huán)寬為2m，共需940環(huán)管片。隧道采用直徑為14.27m的超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)從刀盤(pán)到盾尾總長(zhǎng)為1585m，刀盤(pán)開(kāi)口率為29%。如圖1所示，土壓平衡盾構(gòu)土艙隔板上安裝有6個(gè)土艙壓力傳感器，通過(guò)控制最上面的1#壓力傳感器的壓力值維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。同步注漿采用六點(diǎn)注漿方式，注漿點(diǎn)位布置如圖2所示，六點(diǎn)沿圓周均勻分布。

試驗(yàn)段布置

為了研究超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響，將H81～H105區(qū)域設(shè)定為盾構(gòu)推進(jìn)試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段內(nèi)對(duì)盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表沉降進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，并將記錄的數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的研究。

1地質(zhì)情況根據(jù)地勘報(bào)告，試驗(yàn)場(chǎng)地為古河道沉積區(qū)，地下水位埋深為地表以下約1m。圖3為試驗(yàn)段土層分布情況，圖中揭示了土體重度、孔隙比e、滲透系數(shù)k、直剪固快峰值試驗(yàn)強(qiáng)度c和以及靜力觸探比貫入阻力Ps值沿深度的變化。

2監(jiān)測(cè)斷面試驗(yàn)段內(nèi)共布設(shè)4個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，如圖4所示，監(jiān)測(cè)斷面分別位于H90、H93、H96和H99，監(jiān)測(cè)斷面間距為6m，橫向長(zhǎng)度為60m。圖5為孔隙水壓力傳感器的布設(shè)情況，孔隙水壓力傳感器布設(shè)于H90和H96監(jiān)測(cè)斷面上，兩斷面上孔隙水壓力傳感器埋設(shè)位置相同，距離盾構(gòu)軸線(xiàn)10m。

試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)

為了研究超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，在盾構(gòu)穿越試驗(yàn)段期間對(duì)土艙壓力、同步注漿量等關(guān)鍵施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。圖6為盾構(gòu)掘進(jìn)至不同推進(jìn)環(huán)號(hào)對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)土艙壓力的變化情況，可見(jiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中相同深度土艙壓力相差不大。根據(jù)總應(yīng)力法反算得到1#土艙壓力的側(cè)壓力系數(shù)k0，可以發(fā)現(xiàn)在切口到達(dá)H90前，側(cè)壓力系數(shù)k0在0.78～0.80之間小幅波動(dòng)。切口通過(guò)H90后，側(cè)壓力系數(shù)k0基本為0.86。

原位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

1地表沉降的發(fā)展圖8為4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上隧道軸線(xiàn)位置地表沉降的發(fā)展情況，圖中豎向?qū)嵕€(xiàn)分別對(duì)應(yīng)盾構(gòu)切口到達(dá)和盾尾脫出監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)刻，虛線(xiàn)表示盾構(gòu)停推階段。對(duì)切口到達(dá)前地表沉降發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，由于切口到達(dá)H90時(shí)土艙壓力值設(shè)定偏小，H90斷面在盾構(gòu)切口到達(dá)前地表呈沉降趨勢(shì)，切口到達(dá)時(shí)的地表沉降量為-8.1mm。其他斷面在盾構(gòu)切口達(dá)到前呈先上抬后下沉的趨勢(shì)，H99斷面地表最大上抬量最大，為4mm。盾構(gòu)通過(guò)過(guò)程中各監(jiān)測(cè)斷面地表均呈持續(xù)下沉趨勢(shì)。H96斷面受盾構(gòu)停推和前期同步注漿效果欠佳的雙重影響，在盾構(gòu)通過(guò)階段沉降增量最大。在盾尾脫出監(jiān)測(cè)斷面后，受盾尾間隙和同步注漿的共同作用，地表沉降進(jìn)一步發(fā)展。H90斷面脫出盾尾前5環(huán)注漿總量較小，同步注漿的填充效果不佳，盾尾脫出H90斷面后地表沉降急劇發(fā)展。受此影響，處于盾殼上方和盾構(gòu)前方的H93、H96和H99斷面的地表沉降也有所發(fā)展，由圖8可以明顯看出，在盾尾脫出H90后4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線(xiàn)同時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。在盾尾脫出H96和H99斷面時(shí)，由于頂部6#注漿孔的注漿量有所提高，在注漿壓力作用下地表均呈一定隆起，隨后受土體固結(jié)、蠕變以及盾尾注漿自身的固結(jié)收縮的影響，地表沉降呈增大趨勢(shì)。

2地表沉降的分布圖9為4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面盾尾脫出28環(huán)時(shí)的橫向地表沉降槽形態(tài)以及運(yùn)用Peck公式擬合的情況。由圖可見(jiàn)，H90斷面受土艙壓力設(shè)定較小以及盾尾同步注漿效果不佳的影響，地表最大沉降達(dá)52.9mm。H93、H96和H99斷面受H90處同步注漿效果不佳的影響，隨其與H90距離的增大而減小，H93、H96和H99斷面地表沉降分別為40、22.8、9.8mm。觀察不同監(jiān)測(cè)斷面沉降槽形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，受施工參數(shù)的影響，不同斷面沉降槽形態(tài)有所差異。H90和H93監(jiān)測(cè)斷面地表沉降槽曲線(xiàn)用Peck公式擬合效果很好，測(cè)定系數(shù)R2分別為0.95和0.97，H96斷面沉降槽用Peck公式擬合效果一般，測(cè)定系數(shù)R2=0.84，H99斷面沉降槽曲線(xiàn)用Peck公式擬合效果很差，測(cè)定系數(shù)R2僅為0.41，典型表現(xiàn)為實(shí)測(cè)的地表沉降槽從距離盾構(gòu)軸線(xiàn)10m左右開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的隆起趨勢(shì)，而Peck公式無(wú)法反映這一趨勢(shì)。

3盾構(gòu)停推對(duì)地表沉降的影響盾構(gòu)試驗(yàn)段掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)歷了兩次較長(zhǎng)時(shí)間的停推，分別為87環(huán)和96環(huán)，87環(huán)停推時(shí)間約19h，96環(huán)停推約32h，這為觀察盾構(gòu)停推階段地表沉降發(fā)展規(guī)律提供了很好的機(jī)會(huì)。對(duì)兩個(gè)盾構(gòu)停推階段各監(jiān)測(cè)斷面的沉降發(fā)展進(jìn)行整理分析，如圖10所示。在87環(huán)盾構(gòu)停推時(shí)，H90位于盾殼頂部，距離盾構(gòu)切口4m，H93、H96和H99位于切口前方，分別距離切口2、8、14m。停推過(guò)程中，H90地表沉降發(fā)展最為迅速，H93、H96和H99隨與盾構(gòu)切口距離的增大，停推階段地表沉降增加量逐漸減小。在96環(huán)盾構(gòu)停推時(shí)，H90和H93位于盾尾后方，分別距盾尾4、10m；H96和H99位于盾殼頂部，分別距盾尾2、8m。停推階段H93沉降發(fā)展最快，H90沉降發(fā)展速率次之。圖11為盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力發(fā)展情況。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中埋深13m的超孔隙水壓力發(fā)展不明顯，盾構(gòu)腰部埋深29m的超孔隙水壓力發(fā)展最大。受土層滲透系數(shù)的影響，④T層砂質(zhì)粉土中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)超孔隙水壓力消散較快，⑤1層粉質(zhì)黏土中的超孔隙水壓力消散較慢。在87環(huán)停推階段，H90斷面位于盾殼上方，監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力下降較為明顯，H96斷面位于盾構(gòu)刀盤(pán)前方8m，監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力的變化不明顯。在96環(huán)停推階段，H90斷面位于盾尾后方10m，監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力消散明顯，H96斷面位于盾殼上方，監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力消散要小得多?？梢?jiàn)，停推階段監(jiān)測(cè)的土體超孔隙水壓力的消散程度與地表沉降的發(fā)展程度是相對(duì)應(yīng)的，盾尾前方后方監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力的消散程度要大于盾尾前方，且距離盾尾越遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)的超孔隙水壓力消散程度越小。

4施工參數(shù)與地表沉降的關(guān)系將盾構(gòu)掘進(jìn)施工分為3個(gè)階段：切口到達(dá)前、盾構(gòu)通過(guò)和盾尾脫出后6環(huán)，3個(gè)階段內(nèi)地表沉降的發(fā)展情況如表1所示。4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在各階段中的沉降發(fā)展情況存在很大的差異，其中H90斷面在盾尾脫出后6環(huán)內(nèi)地表沉降發(fā)展最大，而其他斷面在盾構(gòu)通過(guò)過(guò)程中地表沉降發(fā)展最大。H90和H93斷面在盾尾脫出后地表呈下沉趨勢(shì)，而H96和H99斷面呈隆起趨勢(shì)。土艙壓力、同步注漿等施工參數(shù)和盾構(gòu)停推對(duì)地表沉降存在明顯的影響，而且由于盾構(gòu)法隧道施工是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，盾構(gòu)穿越某斷面時(shí)的施工參數(shù)和盾構(gòu)停推亦會(huì)對(duì)臨近位置產(chǎn)生一定的影響，這導(dǎo)致4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在不同階段的地表沉降發(fā)展呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。超大直徑土壓盾構(gòu)施工中，同步注漿對(duì)于控制地表沉降意義重大。圖12為H90和H96斷面脫出盾尾后5h內(nèi)各監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降發(fā)展速率的分布情況。由圖可見(jiàn)，H90斷面脫出盾尾時(shí)未填充的盾尾間隙導(dǎo)致各監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降發(fā)展迅速。H90斷面地表沉降發(fā)展速率最大，距離盾尾距離越遠(yuǎn)，沉降發(fā)展速率越小。盾尾脫出H96斷面時(shí)在注漿壓力的作用下地表呈現(xiàn)一定的隆起。盾尾后方6m處的H93斷面地表隆起速度最大，盾尾處的H96斷面和盾尾后方12m的H90斷面地表隆起情況相似，盾尾前方6m的H99斷面地表隆起發(fā)展緩慢。對(duì)比圖12(a)和圖12(b)，對(duì)于超大直徑土壓平衡盾構(gòu)而言，采用不同的同步注漿參數(shù)施工導(dǎo)致的地表隆、沉差異非常大。盾尾注漿率為120%～140%時(shí)，盾尾間隙填充效果欠佳，導(dǎo)致地表沉降迅速，且影響范圍較大，盾尾前方12m處地表最大沉降速率達(dá)到-0.8mm/h。而當(dāng)盾尾注漿率設(shè)定為150%，并優(yōu)化各注漿孔注漿比例，相對(duì)提高頂部注漿孔注漿量后，盾尾脫出后地表主要呈隆起趨勢(shì)，且隆起速度和影響范圍均較小。盾尾前方6m處地表最大隆起速度僅為0.3mm/h。傳統(tǒng)的地表沉降分析中通常將盾尾間隙作為地表沉降的最主要誘因。通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同步注漿參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，盾尾間隙填充率不高，此時(shí)地表沉降主要由未填充的盾尾間隙的誘發(fā)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式可以對(duì)地表沉降進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。隨著對(duì)同步注漿技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入和施工技術(shù)的提高，在超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工中完全可以通過(guò)對(duì)同步注漿施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到控制地表隆、沉的目的，此時(shí)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式得到的地表沉降往往與實(shí)際情況有較大偏差。

結(jié)論

（1）超大直徑土壓平衡盾構(gòu)土艙壓力的設(shè)定影響地表沉降的發(fā)展規(guī)律，土艙壓力過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)切口到達(dá)前地表沉降即發(fā)展到一定程度；土艙壓力設(shè)定較大，則會(huì)使切口到達(dá)前地表呈一定的隆起。（2）盾尾同步注漿的參數(shù)設(shè)定對(duì)地表沉降的影響非常明顯。當(dāng)注漿總量保持不變，減小頂部注漿孔的注漿量會(huì)加劇盾尾地表沉降的發(fā)展，且同時(shí)影響附近的地表沉降，影響范圍較大。（3）對(duì)于超大直徑土壓平衡盾構(gòu)而言，通過(guò)調(diào)整土艙壓力和盾尾注漿參數(shù)將最大地表沉降控制在較小范圍時(shí)，地表沉降槽曲線(xiàn)呈現(xiàn)中間下沉，軸線(xiàn)兩側(cè)一定距離處隆起的形態(tài)，與Peck公式的擬合結(jié)果存在較大差異。（4）盾構(gòu)停推對(duì)于地表沉降存在一定程度的影響，在盾構(gòu)停推階段，盾尾后方的地表沉降增量大于盾尾前方，距離盾尾越遠(yuǎn)，地表沉降的增量越小。土體超孔隙水壓力的消散程度與地表沉降的發(fā)展呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。