粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道地表变形与施工参数相关关系研究*

吴 柯 张晓平② 刘 浩 孙文昊 张心悦 张亮亮 张 健 李春林

(①武汉大学土木建筑工程学院，岩土与结构工程安全湖北省重点实验室， 武汉 430072， 中国)

(②武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072， 中国)

(③中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063， 中国)

(④济南城市建设集团有限公司， 济南 250031， 中国)

0 引 言

盾构法凭借其安全、经济、快速等特点广泛应用于各种隧道项目建设中。我国盾构较早应用于上海、广州、北京等地区所代表的软土地层、复合地层以及砂卵石地层，且在建设过程中积累了丰富的经验。目前，盾构法已是一种相对较为成熟的隧道施工方法(王梦恕， 2014； 唐少辉等， 2020)。随着城市发展需求日益多元化，盾构隧道目前也朝着长距离、大直径、高水压等方向发展。

盾构施工过程中对沿线地层的扰动难以避免。目前，国内外众多学者结合理论分析、数值模拟和工程案例系统分析了盾构隧道地层变形的发展过程、变形大小以及地层扰动规律和土体变形特征(谢文斌等， 2011; 周庆合， 2020)。研究结果表明：地表变形量与上覆土体物理力学性质密切相关，随黏聚力、内摩擦角以及压缩模量的增大而逐渐减小。基于参数敏感性的分析结果显示：相较于压缩模量，地表变形对黏聚力的敏感性相对较低(郭乐， 2017; 张洋等， 2019)。袁大军等(2009)将超大直径泥水盾构掘进过程中对土体的扰动分为4个阶段，并明确指出：盾构通过阶段对土体的扰动相对最大，盾构推进中土体的显著应力扰动区域约为轴线两侧各一倍洞径。此外，相关学者指出：盾构施工引起的地表变形具有很强的时间和空间效应，不同类型地层中采用相同开挖方式的地层变形规律基本一致，但具体的地表变形量存在显著差异(郭建涛， 2009; 翟振宇， 2012)。

盾构施工参数与隧道地表变形之间具有复杂的非线性关系。通过对盾构施工关键参数进行合理的优化控制，能够有效减少对施工环境和沿线建构筑物的影响(赵晓彦等， 2017; 胡茂兴， 2019)。国内外众多学者通过理论研究、经验公式、数值模拟、深度学习、案例调研等诸多方法分析了大直径泥水盾构在下穿高危管线、堤坝建筑、沉降敏感区以及不良地质层中施工参数对地面沉降的影响规律(周隽， 2015; 黄平等， 2016; 张严等， 2020)。其中：魏纲等(2006)通过弹塑性理论解析法推导了盾构施工工程中由正面附加推力、盾壳与土体间的摩擦力引起地面变形的计算公式。范文超等(2020)采用BP神经网络建立了复合地层中超大直径泥水盾构施工参数预测模型，实现了刀盘转矩、泥水压力等盾构掘进参数的定量预测。张世杰等(2018)研究了砂土层中注浆抬升效应的内在机制，获取了地表变形量与注浆量、加固宽度、地层埋深、地层参数等之间的定量关系以及计算公式。王凯等(2019)结合苏埃通道工程案例，分析了超大直径泥水盾构刀盘推力和转矩，建立了相应的理论计算模型，提高了软土地层盾构推力和刀盘转矩的计算准确性。李方毅等(2021)利用粒子群算法(PSO)对支持向量机的超参数组合进行优化，提高了气压辅助掘进工法中地表变形量预测模型的准确性和适用性。施有志等(2021)考虑施工影响因素，通过建立三维数值模型精确模拟和研究了盾构掘进过程中施工力学效应。魏纲等(2021)将现有的盾构施工对既有临近隧道影响的模型试验研究进行对比和归纳，总结得出在顶推力、隧道间距、穿越顺序等因素不同的情况下盾构施工对既有隧道造成的影响规律。

综上所述，目前针对泥水盾构施工引起地层变形的规律特征以及影响因素已形成了相对一致的理论观点。然而，有关盾构施工参数优化的研究适用范围有限，针对粉质黏土地层超大直径泥水盾构下穿重要建筑结构的研究较少，相关工程经验匮乏。有鉴于此，本文以济南黄河隧道为工程背景，结合盾构施工参数和地表变形数据，分析了地表变形特征随盾构施工参数的变化规律。并针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析，提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。相关研究成果可为类似条件下粉质黏土地层超大直径盾构隧道地表变形分析和施工参数优化等提供理论依据和技术支撑。

1 工程地质概况

济南黄河隧道是我国第一条下穿黄河的超大直径盾构隧道，也是国内目前开挖断面直径最大的公铁合建隧道。如图1所示，盾构段隧道全长3.7km，最大埋深54.60m，开挖直径为15.76m，采用泥水平衡盾构施工。隧道沿线地层主要以粉质黏土为主，也包括黏质粉土、砂质粉土、粉砂、细砂以及钙质结核等，沿线里程WK2+832～WK3+499区间中地层分布情况以及埋深如图2所示。其中：上部地层为粉质黏土、黏质粉土，多呈软塑-可塑状，压缩性较高，承载力较低，黏粒含量介于18.9%～33.6%之间，平均含量为26.9%。下部地层为粉质黏土、黏质粉土，多呈可塑-硬塑状，局部富集有钙质结核。沿线里程WK2+832～WK3+499中地层的物理力学性能参数如表1所示。此外，隧道沿线下穿鹊山西村低矮房屋群，穿越总长度为271m，鹊山西村中建筑物均为浅基础砖砌结构。盾构下穿鹊山西村建筑群时，隧道埋深为25.2～38.1m，主要位于⑥、⑦、⑧粉质黏土地层中。

图1 隧道纵断面示意图(单位： m)

图2 地层分布以及埋深示意图(WK2+832～WK3+499)

表1 地层土体物理力学参数(WK2+832～WK3+499)

2 超大直径盾构隧道地表变形规律分析

2.1 超大直径盾构隧道沿线地表变形监测方案

盾构段地质条件复杂，且下穿建筑物、市政基础设施等，对施工期间隧道沿线地表变形进行实时监测，能够有效反映盾构施工对周围地层的影响，便于及时进行隧道施工安全评估。隧道沿线地表变形监测点的布置情况如图3所示。

图3 隧道沿线地表变形监测点分布情况(WK3+480～WK3+156)

其中：横向监测断面(DBC)按照10m的间距垂直于隧道轴线方向分布，在盾构下穿建筑结构时按照5m间距进行加密布设(图3)。横向监测断面中的监测点垂直于隧道轴线按照由近及远间距逐渐增大的基本原则依次布设，相邻两监测点的间距分别为3m， 5m和8m(或10m)。地表变形的监测频率为1～2次/天，当盾构下穿构筑物时地表变形监测频率调整为3～4次/天。本文主要以盾构掘进过程中隧道轴线正上方监测点的地表变形监测数据为例进行分析。

2.2 粉质黏土地层隧道地表变形特征规律分析

表2为盾构10-175环区间(里程WK3+480～WK3+156)范围内盾构轴线处各监测点在测量周期中单次最大变形量和最终变形量数据统计结果。其中：监测点DBC07-05～DBC09-05的最终变形量小于-13mm，最大变形量小于-4.9mm；

表2 隧道轴线监测点处变形量统计

监测点DBC11-05～DBC22-2-06的最终变形量大于20mm，最大变形量普遍大于10mm，且部分监测点最终变形量高达90mm； DBC23-06～DBC28-2-06中最终变形量和最大变形量的绝对值普遍小于10mm； DBC29-06～DBC35-2-06中最终变形量和最大变形量普遍小于5mm。

根据盾构轴线处地表监测点的数据统计分析结果，将粉质黏土地层中超大直径泥水盾构隧道轴线处地表变形曲线划分为沉降型、隆起型、高斯型以及波动型4种类型，如图4所示。其中：沉降型和隆起型是不符合实际工程预期的，前者最终均产生13～43mm的沉降变形，后者最终普遍产生20～90mm的隆起变形。若隧道沿线周围存在建构筑物，会对其造成严重的损伤破坏。此外，高斯型曲线中最终变形量和最大变形量基本位于0～10mm的范围，波动型曲线中最终变形量和最大变形量控制在5mm以内，两者对盾构隧道沿线环境的影响程度相对较小。

图4为隧道轴线上方部分监测点处的地表变形随监测时间的变化规律曲线。其中：虚线代表盾构刀盘到达监测点下方。从图中可以看出：盾构施工引起的地表变形在盾构到达前、盾构通过、盾尾脱离以及盾构远离4个阶段呈现出不同的变化特征。数据统计分析结果表明，盾构通过和盾尾脱离阶段中地表变形量最大，可占到总变形量的50%以上。此外，在盾尾脱离阶段中，盾尾同步注浆施工流程均引起不同程度的隆起量。

图4 4种类型地表变形曲线

图5为不同盾构环号的隧道埋深和隧道轴线处地表最终变形量曲线。从图中可以看出：盾构隧道施工过程中， 0～20环区间范围内，隧道轴线上方地表出现沉降变形，其中监测点DBC08-05处的最大沉降量达到45mm； 21～80环区间范围内，隧道轴线上方地表出现隆起变形，其中监测点DBC15-06处地表最大隆起量达到110mm； 在81～175环范围内，隧道轴线上方地表变形逐渐趋于稳定，变形量均控制在10mm以内。

此外，在0～175环区间范围内，图5中盾构隧道埋深以及隧道轴线处地表最终变形量分析结果显示：随着隧道埋深逐渐增加，隧道轴线上方地表变形量呈下降趋势。通过与类似盾构隧道地表变形进行对比分析发现：当隧道埋深增加至一定程度时，变形量不再随隧道埋深增加而减小(冯宁宁， 2017)。

图5 隧道轴线处地表最终变形曲线

3 盾构施工参数与地表变形之间的相关性分析

3.1 盾构施工参数之间的相关性分析

郭建涛(2009)通过研究分析发现，与隧道地表变形密切相关的泥水平衡盾构施工参数主要包括：泥水压力、刀盘推力、掘进速度、刀盘扭矩、贯入度、注浆量、注浆压力、水土压力等。

如表3所示，本文采用SPSS软件对8个泥水盾构施工参数之间的相关性关系进行了分析，并通过Pearson系数指标描述不同盾构施工参数之间的相关程度。Pearson系数取值位于[-1， 1]范围内，正值表示正相关，负值表示负相关，等于0时为无相关性，Pearson系数的绝对值越大表示相关程度就越高。从表中可以看出：刀盘推力与泥水压力、注浆压力和水土压力的相关性系数分别为0.737， 0.625， 0.705，具有显著的正相关关系； 泥水压力、注浆压力和水土压力三者间的相关性系数分别为0.776， 0.844， 0.843，三者间具有显著的正相关性； 贯入度与掘进速度的相关性系数为0.697，具有显著的正相关关系； 贯入度与泥水压力的相关性系数为-0.557，具有一定的负相关关系； 其他盾构施工参数间相关关系不明显。

表3 盾构施工参数之间的相关性分析

3.2 盾构施工参数与地表变形之间的相关性分析

盾构施工参数相关研究和工程案例(林存刚等， 2012; 叶飞等， 2014)中普遍认为泥水压力、注浆压力与水土压力的差值在盾构施工参数优化分析中适用性更好。选取0～350环的区间范围内，泥水压力与水土压力的差值和比值、注浆压力与水土压力的差值和比值、注浆量、刀盘推力、掘进速度和刀盘扭矩、贯入度，共9个参数指标，分析其与隧道轴线处地表最终变形量之间的相关关系。

参数间相关性分析中采用Pearson系数和Spearman系数进行相关性量化评估。其中：Spearman系数是利用单调方程评价两个统计变量的相关性，衡量的是两个变量的依赖性的非参数指标，计算公式为：

(1)

式中：ρ为Spearman系数；x、y为相关性分析中的两组数据。

Spearman系数的取值范围为[-1， 1]， 正值表示正相关，负值表示负相关， 0表示两个变量不相关，绝对值越大表示相关性越强。此外，显著性水平反映相关关系的可信度，相关性分析中假设两个变量间具有相关性，显著性水平的值为拒绝接受原有正确假设的概率，通常取公认小概率事件的概率(0.05)，即两个变量间具有相关性假设正确的概率为95%。

如表4所示，泥水压力和水土压力的比值相关性系数为0.253，显著性水平小于0.05，与隧道轴线上方地表最终变形之间的正相关关系较弱； 注浆压力和水土压力的差值以及比值与盾构轴线上方最终地表变形之间基本不具备相关关系； 注浆量与隧道轴线上方最终地表变形量的相关性系数大于0.55，显著性水平小于0.05，两者之间具有较好的正相关关系； 贯入度与隧道轴线上方最终地表变形的相关性系数小于0.27，显著性水平小于0.05，两者间有正相关关系； 刀盘推力与隧道轴线上方最终地表变形的相关性系数小于-0.2，两者间有负相关关系； 刀盘扭矩与地表变形的相关性系数大于0.2，显著性水平小于0.05，两者间有正相关关系； 掘进速度与地表变形的相关性系数小于0.1，两者间无明显相关关系。综上所述，盾构施工参数与隧道轴线上方地表最终变形之间的相关性程度中，注浆量相对最大，刀盘扭矩和贯入度相对次之，刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。

表4 盾构施工参数与隧道地表变形的相关性系数表

此外，参数统计分析结果表明掘进速度、刀盘扭矩和贯入度3个施工参数数据符合正态分布，其余盾构施工参数均不满足正态分布。表4中显示，不满足正态分布的盾构施工参数数据中，Spearman系数适用性更好。

3.3 超大直径泥水盾构施工参数优化分析

隧道地表变形与盾构施工参数、工程地质条件、周边环境等因素密切相关(何国军， 2011; 段宝福等， 2017)。图6a为不同施工环数的注浆量、盾构埋深以及隧道轴线上方最终地表变形量，在20～80环的施工区间中，隧道轴线上方地表最终变形与注浆量的变化趋势相似，具体表现为注浆量减少，最终变形量下降。此外，此段施工区间中，隧道轴线上方地表最终变形量呈较大隆起变形，与80～180环区间范围的数据进行对比分析结果显示在20～80环区间范围中，注浆量过大是引起较大隆起变形的主要原因之一。

图6 注浆量、泥水压力以及隧道轴线地表变形曲线

叶飞等(2014)通过采用壁后浆液扩散理论推算同步注浆引起隆起变形的计算公式为：

(2)

式中：umax为隧道轴线上方地表隆起变形量；P为注浆压力与水土压力差值；R为隧道开挖半径；E为弹性模量；v为泊松比；h为隧道埋深。

从上式中可以看出隧道轴线上方地表隆起变形与盾构隧道埋深呈反比例关系，与图6a中20～80环区间范围中隧道轴线处地表变形具有相同的特点：隧道埋深小于一倍洞径时，注浆量对地表隆起变形的影响显著； 当盾构埋深大于一倍洞径时，影响程度相对较小。此外，当隧道埋深小于一倍洞径时，注浆充盈经验系数(135%～215%)难以满足工程实际需求。通过将注浆充盈系数降低至111%～130%，可以有效防止隧道轴线上方地表过度变形。

图6b中泥水压力和隧道轴线处地表最终变形结果分析显示：在0～20环的区间范围内，随着泥水压力逐渐增大，隧道轴线处地表最终沉降变形逐渐减少，该施工区段中注浆压力偏小是引起沉降变形的主要原因之一。

盾构施工参数与隧道轴线上方地表变形的相关性分析结果显示，泥水压力与地表变形量的相关性程度很低。但是，通过对0～20环施工区段的地表最终变形数据进行分析可以看出，泥水压力对开挖面前方土体沉降变形具有显著影响，结合两者可以认为合理的参数控制能够有效降低施工参数对地表变形的影响。如图5所示，在81～185环区间范围内，隧道轴线上方地表变形量趋于稳定，最大变形量小于10mm，盾构施工参数相对合理。

如图7所示，通过对81～185环区间范围内盾构施工参数进行分析，可以看出，泥水压力、刀盘推力、掘进速度、注浆量、注浆压力和刀盘扭矩具有集中分布的特点。其中：扭矩、掘进速度、注浆压力与水土压力的比值满足正态分布。如表5所示，通过对盾构施工参数特征值进行分析发现，当泥水压力的取值比水土压力高103～127kPa，注浆压力比泥水压力高287～372kPa，注浆量为30～32m3，刀盘推力为77～84MN，刀盘扭矩为5.2～6.4MN·m，掘进速度为15～19mm·min-1时，盾构地质适应性相对较好，隧道轴线上方地表沉降相对较小，可以作为超大直径泥水盾构穿越粉质黏土地层推荐施工参数。

图7 盾构施工参数数据统计分析

表5 盾构参数数据特征值统计

4 超大直径泥水盾构下穿建筑物施工控制参数

如图8所示，在盾构下穿鹊山西村建筑群区间(175～350环区间，里程WK3+156-WK2+832)范围内，泥水压力的变化范围为300～400kPa，比水土压力约大120MPa。注浆压力变化范围为600～1000kPa，比水土压力约大340MPa，泥水压力和注浆压力符合超大直径泥水盾构施工参数优化分析中提出的推荐施工参数取值范围。此外，通过分析曲线的变化特征可得，随着埋深的增加，泥水压力和注浆压力呈逐渐上升的趋势。

图8 泥水压力和注浆压力曲线

表5中统计参数结果显示，在81～175环区间范围内，刀盘推力的变化范围为77～84MN。如图9中刀盘推力和掘进速度变化曲线所示，盾构进入建筑群区段(175～350环区间范围)后刀盘推力的变化范围为 94.2～105.4MN，刀盘推力显著增大。此外，在81～175环区间范围内，掘进速度的变化范围为14.9～19mm·min-1，进入建筑群区段后掘进速度的变化范围为 12.7～18mm·min-1，两段不同的盾构区段中掘进速度基本保持不变。

图9 刀盘推力和掘进速度曲线

图10为注浆量和刀盘扭矩的变化曲线，在建筑群区段(175～350环区间范围)注浆量的变化范围为39～48m3，刀盘扭矩的变化范围为7.2～9.6MN·m，相较于81～175环区间范围，注浆量和刀盘扭矩均有显著的增长。

图10 刀盘扭矩和注浆量曲线

JZ01-04，JZ03-04，JZ05-03，JZ07-03，JZ08-03，JZ17-03，JZ19-05，JZ21-03，JZ23-03，JZ25-05，JZ25-05共10个监测点为位于鹊山西村建筑群中隧道轴线处的地表变形监测点，各监测点的地表最终变形量以及施工参数情况如表6所示。统计结果显示建筑群区段(175～350环区间范围)地表变形控制良好，累计变形量均在2mm内。此外，盾构施工参数变化趋势分析结果表明，在盾构进入建筑群区后，泥水压力、注浆压力、刀盘推力、刀盘扭矩以及注浆量均有不同程度的增加。此外，建筑群区段中盾构埋深从26.5m逐渐增加到37.7m，水土压力从150.4kPa增加到285.6kPa，结合表3中盾构施工参数之间的相关性分析结果显示，刀盘推力、注浆量、泥水压力、注浆压力与水土压力间均有较好的正相关关系，埋深和水土压力的增大会加大掘进过程中盾壳与土体的摩擦，影响刀盘推力、刀盘扭矩等盾构掘进参数，也会影响泥浆压力和注浆压力的取值。

表6 建筑群区段盾构轴线处地表最终变形量与施工参数

结合81～175环区间范围以及建筑群区段(175～350环区间范围)的分析结果，泥水压力的取值比水土压力高103～127kPa，注浆压力比泥水压力高287～372kPa的推荐取值区间在两段施工区间中均具有较好适用性； 刀盘扭矩、刀盘推力以及注浆量则需根据盾构埋深的增大而相应增加。

5 结 论

本文以济南黄河隧道为例，分析了地表变形特征随盾构施工参数的变化规律。针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析，提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。通过研究分析主要可以得到以下结论：

(1)通过对隧道轴线处地表最终变形监测数据进行统计分析发现，盾构引起地表变形具有较强时间效应，盾构通过和盾尾脱离阶段引起的地表变形量占比最大。根据变形曲线特征，可将其分为沉降型、隆起型、高斯型和波动型4种类型。

(2)不同盾构施工参数对隧道轴线上方地表最终变形的影响存在显著差异，注浆量影响程度相对最大，扭矩和贯入度相对次之，刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。当隧道埋深小于一倍洞径时，注浆量对地表变形影响相对较大； 当隧道埋深大于一倍洞径时，注浆量的影响相对较小。隧道轴线上方地表最终变形量随盾构埋深的增加呈下降趋势。

(3)刀盘推力与泥水压力、注浆压力以及水土压力之间具有较好的相关关系，相应的Pearson系数大于0.6。当泥水压力比水土压力约大0.1MPa，注浆压力比水土压力约大0.3MPa时，盾构下穿建构筑物地表变形相对较小，盾构地质适应性得以显著优化。