復(fù)合地層盾構(gòu)施工監(jiān)測分析及控制技術(shù)措施

金 華，劉鳳華

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000）

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復(fù)合地層盾構(gòu)施工監(jiān)測分析及控制技術(shù)措施

金 華，劉鳳華

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000）

摘 要：文章以南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間盾構(gòu)隧道為工程背景，對該區(qū)間各類型地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工以及下穿九龍華隧道的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)復(fù)合地層情況的差異，得出復(fù)合地層中盾構(gòu)法施工對地表沉降影響的規(guī)律，結(jié)合該區(qū)間的復(fù)合地層條件，提出相應(yīng)的對環(huán)境影響的施工控制措施。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層；盾構(gòu)施工；控制措施

1　工程概況

南京地鐵 3號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間位于南京市玄武區(qū)，區(qū)間隧道為雙線隧道，左線長 2688m，右線長 2684m。隧道拱頂覆土厚度 9.2～34m，至玄武湖邊中間風(fēng)井處隧道埋深達(dá)最大 34m。區(qū)間隧道穿越地層包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、混合土、閃長巖、角巖化泥巖等，地質(zhì)變化快，巖石強(qiáng)度高，為典型的復(fù)合地層，也是南京地區(qū)極具代表性地質(zhì)區(qū)間。

沿線側(cè)穿新莊立交橋樁、南林大廈、南京市城建中等專業(yè)學(xué)校、市政府，下穿龍?bào)绰返叵逻^街通道、九華山公路隧道等公共建構(gòu)筑物。

2　施工監(jiān)測分析

2.1監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

南京地鐵 3號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間建立了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，在現(xiàn)場布置平行于隧道軸線的沉降監(jiān)測點(diǎn)和垂直于隧道軸線的沉降監(jiān)測點(diǎn)。平行于隧道軸線的沉降監(jiān)測點(diǎn)每 5m 布設(shè) 1 測點(diǎn)，垂直于軸線的沉降監(jiān)測點(diǎn)每 50m 布設(shè) 1 組長 24m 的斷面，每組斷面均為 9 測點(diǎn)，與隧道軸線水平距離分別為 0、2、3、6、12m，左右對稱布設(shè)測點(diǎn)，監(jiān)測范圍為盾構(gòu)前 20m 和后 30m。

九華山隧道建設(shè)有東線、西線 2 條隧道，在 3號線下穿區(qū)段的九華山隧道設(shè)有 5 個(gè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面間距 6～8m，每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)有 4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在九華山隧道中間墻（快車道旁）和兩側(cè)墻（慢車道旁）上。

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉土夾粉質(zhì)黏土地層沉降分析

本地層區(qū)間隧道里程 K18+192～K18+480，隧道拱頂埋深 10～15m，掌子面為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉土夾粉質(zhì)黏土地層，土質(zhì)強(qiáng)度較低。以右線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn) DB10-05、左線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn) DB10-10 及左線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn) DB10-17 的沉降為例，研究本復(fù)合地層類型區(qū)間段的沉降機(jī)理及規(guī)律。

（1）由圖 1 和圖 3 可知，盾構(gòu)在全斷面軟弱地層中掘進(jìn)時(shí)，地層對盾構(gòu)的抗擾動(dòng)能力較差，對地層損失的反應(yīng)明顯，在盾構(gòu)通過后產(chǎn)生較大瞬時(shí)沉降，約為 10mm，由于淤泥質(zhì)土體的次固結(jié)時(shí)間較長，在盾構(gòu)機(jī)通過約 150 天最終沉降達(dá)到約 30mm，并逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）由圖 2 和圖 4 可以看出，由于土層擾動(dòng)，在第3 天其沉降速率最大達(dá)到 3～4mm · 天-1警戒值，經(jīng)過注漿后沉降速率變小，隨著土體次固結(jié)的逐步穩(wěn)定，沉降速率最后趨近 0。

（3）在本區(qū)段全斷面流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉土夾粉質(zhì)黏土地層施工過程中，有個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生了較大的沉降，為了闡述產(chǎn)生較大沉降的原因，圖 5 和圖 6 分別列出了左線 DB10-10 監(jiān)測點(diǎn)與上述左線 DB10-17 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降值和沉降速率的時(shí)程曲線。由圖 5 和圖 6可以看出，DB10-10 監(jiān)測點(diǎn)最終沉降比 DB10-17 監(jiān)測點(diǎn)大 1 倍左右，且盾構(gòu)機(jī)通過后的瞬時(shí)沉降速率差異也有 1 倍左右。產(chǎn)生此差異的原因在于，盾構(gòu)機(jī)通過DB10-10 監(jiān)測點(diǎn)時(shí)對地層產(chǎn)生了較大擾動(dòng)，注漿量不足引發(fā)卸荷作用而產(chǎn)生較大沉降，加之未及時(shí)進(jìn)行二次注漿從而產(chǎn)生了較大的最終沉降。

2.2.2上部可塑粉質(zhì)黏土中部強(qiáng)風(fēng)化巖下部中風(fēng)化巖地層沉降分析

本地層區(qū)間隧道里程 K18+485～K18+732，隧道拱頂埋深 18～25m，開挖斷面上部為可塑粉質(zhì)黏土，中部為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化閃長巖，下部為中風(fēng)化閃長巖地層。該區(qū)段隧道主要在半土半巖中經(jīng)過，巖土層垂向分布界限變化大。以左線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn) DB13-19、右線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn) DB13-14 的沉降為例，分析本復(fù)合地層類型區(qū)間段的沉降機(jī)理及規(guī)律。

圖1　左線地表 DB10-17 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖2　左線地表 DB10-17 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線

圖3　右線地表 DB10-05 監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖4　右線地表 DB10-05 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線

圖5　左線地表 DB10-17 和 DB10-10 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖6　左線地表 DB10-17 和 DB10-10 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線

（1）由圖 7 和圖 9 可知，此區(qū)間地表在盾構(gòu)通過過程中有明顯的上抬和下沉過程，盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測斷面前，地表有微量的隆起；盾構(gòu)尾部遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面后，隨著注漿壓力及超孔隙水壓力逐漸消散，地表開始下沉，并在大約 15 天后到達(dá)穩(wěn)定，沉降量穩(wěn)定值為 -4～-6 mm。

（2）圖 8 和圖 10 可以看出，沉降速率波動(dòng)較大，在進(jìn)行同步注漿及二次注漿時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)下沉速率減小甚至隆起，隨著超孔隙水壓力的逐漸消散，沉降速率很快趨于 0。由此可見，此上軟下硬復(fù)合地層對盾構(gòu)施工參數(shù)的設(shè)定較為敏感，沉降穩(wěn)定周期較短，累計(jì)沉降量均不大，最終沉降量大約在 6～7mm 之間；在嚴(yán)格控制掌子面開挖量的情況下，通過同步注漿和二次注漿，可以短時(shí)期內(nèi)控制穩(wěn)定地表沉降。

圖7　左線地表 DB13-19 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖8　左線地表 DB13-19 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線

圖9　右線地表 DB13-14 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖10　右線地表 DB13-14 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線線

2.2.3全斷面為中風(fēng)化巖地層沉降分析

本地層區(qū)間隧道里程 K18+735～K19+045，隧道拱頂埋深 25～35m。以左線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn)DB26-09、右線地表平行于盾構(gòu)軸線監(jiān)測點(diǎn) DB26-05 的沉降為例，分析本復(fù)合地層類型區(qū)間段的沉降機(jī)理及規(guī)律。

（1）由圖 11 和圖 13 可知，盾構(gòu)通過前后在一定時(shí)間內(nèi)地表監(jiān)測點(diǎn)處于小范圍的波動(dòng)，并在 30 天左右沉降趨于穩(wěn)定，沉降量穩(wěn)定值約為 0，即長時(shí)間看該處地表基本無沉降。

圖11　左線地表 DB26-09 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖12　左線地表 DB26-09 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線

（2）圖 12 和圖 14 表明，沉降速率與沉降趨勢相似，均處于小范圍波動(dòng)，其原因主要受測量誤差等影響。由此可見，全斷面為中風(fēng)化巖的地層，在盾構(gòu)通過后地表基本無沉降，其原因?yàn)椋捍硕螀^(qū)間隧道埋深較大、整體性較好，下部土層的地層損失以及擾動(dòng)所受的影響很難傳至地表，隧道上方巖土層形成穩(wěn)定的拱效應(yīng)，充分發(fā)揮了地層自身的穩(wěn)定性。

2.2.4九華山隧道位移分析

地鐵3號線下穿九華山隧道盾構(gòu)區(qū)段里程K19+380.563～K19+411.858，盾構(gòu)隧道頂部以軟土層及混合土為主，掌子面中部以下為中風(fēng)化巖，以上為強(qiáng)風(fēng)化巖，屬于典型上軟下硬地層。圖 15～18 給出了九華山隧道典型監(jiān)測點(diǎn)東線 EH5、EH11、WH15、EH19 和西線 WH5、WH11、WH15、WH19 等監(jiān)測點(diǎn)的沉降和水平位移隨時(shí)程曲線。

（1）圖 15 和 16 為九華山隧道東線和西線累計(jì)沉降時(shí)程曲線，臨近地鐵 3號線隧道右線的九華山隧道西線最終沉降量為 5.7mm，東線最終沉降量為 5.94mm；圖17 和圖 18 為水平位移時(shí)程曲線，可見水平位移均保持在 1mm 范圍內(nèi)波動(dòng)，可以認(rèn)為受溫度及測量誤差等因素影響。

（2）在第 90 天時(shí)曲線存在突然變化，主要為 3號線右線盾構(gòu)先通過九華山隧道，在 90 天后左線盾構(gòu)通過九華山隧道，在盾構(gòu)隧道對九華山隧道的二次擾動(dòng)后，九華山隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定。整體來說，地鐵3號線隧道盾構(gòu)施工對九華山隧道的影響是在可以控制的范圍內(nèi)，不會(huì)造成九華山隧道較大沉降變形。

圖13　右線地表 DB26-05 監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖14　右線地表 DB26-05 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率時(shí)程曲線

圖15　九華山隧道東線累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖16　九華山隧道西線累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖17　九華山隧道東線水平位移時(shí)程曲線

圖18　九華山隧道西線水平位移時(shí)程曲線

3　施工控制措施

3.1掘進(jìn)參數(shù)控制

（1）盾構(gòu)全斷面穿越流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉土夾粉質(zhì)黏土地層等軟弱土層時(shí)，應(yīng)在保障進(jìn)出土匹配的技術(shù)條件下，盡量快速通過，減小對地層的擾動(dòng)時(shí)間。

（2）嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾構(gòu)殼體與地層接觸過程中除剪切作用外，不出現(xiàn)或少出現(xiàn)與周邊地層的擠壓或脫空狀態(tài)，以此控制周邊地層中超孔隙水壓力峰值，從而盡可能減小盾構(gòu)殼體通過對后續(xù)固結(jié)沉降的影響。

（3）嚴(yán)格控制總推力大小，使盾構(gòu)開挖面附加作用于前部地層的荷載分布模式能與地層自身的水土壓力分布模式相吻合，從而減小應(yīng)力釋放，進(jìn)而減小盾構(gòu)頭部荷載作用對后續(xù)固結(jié)沉降的影響。

3.2同步注漿參數(shù)控制

（1）以壓力能滿足工作性能為標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制注漿壓力，防止流動(dòng)的同步注漿的過大壓力對周邊地層的影響。

（2）以注漿量能滿足填充盾尾間隙為標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制同步注漿率，以防注漿量過大后擠壓劈裂外部地層，注漿量過小后，形成較大的地層損失。

4　結(jié)束語

本文通過復(fù)合地層盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測，得出了復(fù)合地層盾構(gòu)施工引起地表累計(jì)沉降變化與時(shí)間的特征關(guān)系曲線，得出了復(fù)合地層地質(zhì)條件下盾構(gòu)掘進(jìn)對地表的影響規(guī)律，以及對既有九華山隧道位移的影響，并進(jìn)一步提出相應(yīng)的限制周邊環(huán)境變形的控制措施。監(jiān)測分析表明：

（1）南京地鐵 3號線新莊站—雞鳴寺站區(qū)間復(fù)合地層中盾構(gòu)穿越流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉土夾粉質(zhì)粘土地層時(shí)，易引發(fā)較大的沉降變形，而全斷面穿越中風(fēng)化巖層時(shí)，對周邊環(huán)境影響較小。

（2）盾構(gòu)穿越流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉土夾粉質(zhì)黏土地層，需嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)、總推力大小、同步注漿壓力，以此來限制盾構(gòu)掘進(jìn)施工應(yīng)力釋放，保障施工對后續(xù)固結(jié)沉降影響較小。

（3）需嚴(yán)格限制進(jìn)出土平衡和同步注漿量，以此來限制地層損失量大小，保障施工期對地表變形影響較小。

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責(zé)任編輯 朱開明

Monitoring Analysis and Control Measures of Composite Stratum Shield Construction

Jin Hua, Liu Fenghua

Abstract:The paper takes the shield tunneling between the Xinzhuangstation-Jimingsi Temple station in Nanjing metro line 3 as an engineering work example. The field test data are analyzed for the section under various types of the geological conditions for the shield construction and under-passing Jiulonghua tunnel. With the difference in complex strata, it works out that the earth surface settlement patterns under the influence of complex strata in shield construction. With the consideration of complex strata conditions, the paper puts forward thecorresponding control measures on the impact on the environment of construction.

Keywords:composite stratum, shield construction, control measures

中圖分類號：U455.43

作者簡介：金華（1969—），男，高級工程師

收稿日期2016-03-21