施工影響論文:盾構施工對環境影響的管控

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作者：侯永茂鄭宜楓楊國祥葛修潤邱裕華單位：上海交通大學上海隧道工程股份有限公司

上海外灘隧道的成功修建，標志著14.27m超大直徑土壓平衡盾構登上我國隧道工程的舞臺[13]。由于盾構直徑增大，盾構施工對周邊環境的影響難以運用小直徑或泥水盾構的研究成果進行控制。為了提高超大直徑土壓平衡盾構的施工水平，本文依托國內第2條采用14.27m土壓平衡盾構施工的上海迎賓三路隧道工程展開現場監測研究，分析超大直徑土壓平衡盾構施工對地表沉降的影響以及盾構施工參數與地表沉降的關系。同時還研究了盾構長時間停推階段地表沉降和孔隙水壓力的發展情況。

工程概況

上海迎賓三路地下公路隧道全長為1862.7m，隧道主線最大縱坡為5%，最小平曲線半徑為700m。隧道砌結構采用外徑為195m、內徑為12.75m、厚為0.6m的通用楔形管片，管片環寬為2m，共需940環管片。隧道采用直徑為14.27m的超大直徑土壓平衡盾構施工，盾構機從刀盤到盾尾總長為1585m，刀盤開口率為29%。如圖1所示，土壓平衡盾構土艙隔板上安裝有6個土艙壓力傳感器，通過控制最上面的1#壓力傳感器的壓力值維持開挖面的穩定。同步注漿采用六點注漿方式，注漿點位布置如圖2所示，六點沿圓周均勻分布。

試驗段布置

為了研究超大直徑土壓平衡盾構施工對地表沉降的影響，將H81～H105區域設定為盾構推進試驗段，在試驗段內對盾構施工誘發的地表沉降進行原位監測，并將記錄的數據用于進一步的研究。

1地質情況根據地勘報告，試驗場地為古河道沉積區，地下水位埋深為地表以下約1m。圖3為試驗段土層分布情況，圖中揭示了土體重度、孔隙比e、滲透系數k、直剪固快峰值試驗強度c和以及靜力觸探比貫入阻力Ps值沿深度的變化。

2監測斷面試驗段內共布設4個地表沉降監測斷面，如圖4所示，監測斷面分別位于H90、H93、H96和H99，監測斷面間距為6m，橫向長度為60m。圖5為孔隙水壓力傳感器的布設情況，孔隙水壓力傳感器布設于H90和H96監測斷面上，兩斷面上孔隙水壓力傳感器埋設位置相同，距離盾構軸線10m。

試驗段盾構施工參數

為了研究超大直徑土壓平衡盾構施工參數對地表沉降的影響，在盾構穿越試驗段期間對土艙壓力、同步注漿量等關鍵施工參數進行調整。圖6為盾構掘進至不同推進環號對應的各測點土艙壓力的變化情況，可見盾構掘進過程中相同深度土艙壓力相差不大。根據總應力法反算得到1#土艙壓力的側壓力系數k0，可以發現在切口到達H90前，側壓力系數k0在0.78～0.80之間小幅波動。切口通過H90后，側壓力系數k0基本為0.86。

原位試驗監測結果和分析

1地表沉降的發展圖8為4個監測斷面上隧道軸線位置地表沉降的發展情況，圖中豎向實線分別對應盾構切口到達和盾尾脫出監測斷面的時刻，虛線表示盾構停推階段。對切口到達前地表沉降發展趨勢進行對比分析可以發現，由于切口到達H90時土艙壓力值設定偏小，H90斷面在盾構切口到達前地表呈沉降趨勢，切口到達時的地表沉降量為-8.1mm。其他斷面在盾構切口達到前呈先上抬后下沉的趨勢，H99斷面地表最大上抬量最大，為4mm。盾構通過過程中各監測斷面地表均呈持續下沉趨勢。H96斷面受盾構停推和前期同步注漿效果欠佳的雙重影響，在盾構通過階段沉降增量最大。在盾尾脫出監測斷面后，受盾尾間隙和同步注漿的共同作用，地表沉降進一步發展。H90斷面脫出盾尾前5環注漿總量較小，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展。受此影響，處于盾殼上方和盾構前方的H93、H96和H99斷面的地表沉降也有所發展，由圖8可以明顯看出，在盾尾脫出H90后4個監測斷面地表沉降曲線同時出現明顯的拐點。在盾尾脫出H96和H99斷面時，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、蠕變以及盾尾注漿自身的固結收縮的影響，地表沉降呈增大趨勢。

2地表沉降的分布圖9為4個監測斷面盾尾脫出28環時的橫向地表沉降槽形態以及運用Peck公式擬合的情況。由圖可見，H90斷面受土艙壓力設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。觀察不同監測斷面沉降槽形態可以發現，受施工參數的影響，不同斷面沉降槽形態有所差異。H90和H93監測斷面地表沉降槽曲線用Peck公式擬合效果很好，測定系數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，測定系數R2=0.84，H99斷面沉降槽曲線用Peck公式擬合效果很差，測定系數R2僅為0.41，典型表現為實測的地表沉降槽從距離盾構軸線10m左右開始呈現明顯的隆起趨勢，而Peck公式無法反映這一趨勢。

3盾構停推對地表沉降的影響盾構試驗段掘進過程中經歷了兩次較長時間的停推，分別為87環和96環，87環停推時間約19h，96環停推約32h，這為觀察盾構停推階段地表沉降發展規律提供了很好的機會。對兩個盾構停推階段各監測斷面的沉降發展進行整理分析，如圖10所示。在87環盾構停推時，H90位于盾殼頂部，距離盾構切口4m，H93、H96和H99位于切口前方，分別距離切口2、8、14m。停推過程中，H90地表沉降發展最為迅速，H93、H96和H99隨與盾構切口距離的增大，停推階段地表沉降增加量逐漸減小。在96環盾構停推時，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沉降發展最快，H90沉降發展速率次之。圖11為盾構掘進過程中監測的超孔隙水壓力發展情況。監測結果顯示，盾構掘進過程中埋深13m的超孔隙水壓力發展不明顯，盾構腰部埋深29m的超孔隙水壓力發展最大。受土層滲透系數的影響，④T層砂質粉土中的監測點超孔隙水壓力消散較快，⑤1層粉質黏土中的超孔隙水壓力消散較慢。在87環停推階段，H90斷面位于盾殼上方，監測的超孔隙水壓力下降較為明顯，H96斷面位于盾構刀盤前方8m，監測的超孔隙水壓力的變化不明顯。在96環停推階段，H90斷面位于盾尾后方10m，監測的超孔隙水壓力消散明顯，H96斷面位于盾殼上方，監測的超孔隙水壓力消散要小得多。可見，停推階段監測的土體超孔隙水壓力的消散程度與地表沉降的發展程度是相對應的，盾尾前方后方監測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，監測的超孔隙水壓力消散程度越小。

4施工參數與地表沉降的關系將盾構掘進施工分為3個階段：切口到達前、盾構通過和盾尾脫出后6環，3個階段內地表沉降的發展情況如表1所示。4個監測斷面在各階段中的沉降發展情況存在很大的差異，其中H90斷面在盾尾脫出后6環內地表沉降發展最大，而其他斷面在盾構通過過程中地表沉降發展最大。H90和H93斷面在盾尾脫出后地表呈下沉趨勢，而H96和H99斷面呈隆起趨勢。土艙壓力、同步注漿等施工參數和盾構停推對地表沉降存在明顯的影響，而且由于盾構法隧道施工是一個連續的過程，盾構穿越某斷面時的施工參數和盾構停推亦會對臨近位置產生一定的影響，這導致4個監測斷面在不同階段的地表沉降發展呈現不同的特點。超大直徑土壓盾構施工中，同步注漿對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內各監測斷面的地表沉降發展速率的分布情況。由圖可見，H90斷面脫出盾尾時未填充的盾尾間隙導致各監測斷面的地表沉降發展迅速。H90斷面地表沉降發展速率最大，距離盾尾距離越遠，沉降發展速率越小。盾尾脫出H96斷面時在注漿壓力的作用下地表呈現一定的隆起。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斷面地表隆起發展緩慢。對比圖12(a)和圖12(b)，對于超大直徑土壓平衡盾構而言，采用不同的同步注漿參數施工導致的地表隆、沉差異非常大。盾尾注漿率為120%～140%時，盾尾間隙填充效果欠佳，導致地表沉降迅速，且影響范圍較大，盾尾前方12m處地表最大沉降速率達到-0.8mm/h。而當盾尾注漿率設定為150%，并優化各注漿孔注漿比例，相對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，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。通過上述分析可以發現，當同步注漿參數設置不當時，盾尾間隙填充率不高，此時地表沉降主要由未填充的盾尾間隙的誘發，運用經驗公式可以對地表沉降進行較為準確的預測。隨著對同步注漿技術認識的深入和施工技術的提高，在超大直徑土壓平衡盾構施工中完全可以通過對同步注漿施工參數進行優化以達到控制地表隆、沉的目的，此時運用經驗公式得到的地表沉降往往與實際情況有較大偏差。

結論

（1）超大直徑土壓平衡盾構土艙壓力的設定影響地表沉降的發展規律，土艙壓力過小，會導致盾構切口到達前地表沉降即發展到一定程度；土艙壓力設定較大，則會使切口到達前地表呈一定的隆起。（2）盾尾同步注漿的參數設定對地表沉降的影響非常明顯。當注漿總量保持不變，減小頂部注漿孔的注漿量會加劇盾尾地表沉降的發展，且同時影響附近的地表沉降，影響范圍較大。（3）對于超大直徑土壓平衡盾構而言，通過調整土艙壓力和盾尾注漿參數將最大地表沉降控制在較小范圍時，地表沉降槽曲線呈現中間下沉，軸線兩側一定距離處隆起的形態，與Peck公式的擬合結果存在較大差異。（4）盾構停推對于地表沉降存在一定程度的影響，在盾構停推階段，盾尾后方的地表沉降增量大于盾尾前方，距離盾尾越遠，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展呈現同樣的規律。