上海虹梅南路越江隧道工程地层扰动现场实测研究

为了进一步研究盾构推进对地层的扰动规律，在虹梅南路隧道出洞段布置了一个监测断面，分别针对盾构推进过程中的深层水土压力、地面沉降进行自动化监测。试验数据采集从盾构到达+15环断面开始，至盾尾脱出+46环结束，持续45 d。

1.监测类型和方法

监测隧道断面处于西线隧道+20环，该位置盾构顶覆土12.14 m，位于上海地层第④～⑥号土层中。盾构在穿越段的基本推进参数如表7.4所示。

表7.4　盾构推进参数

注：1 bar是工程压力，1 bar=0.1 MPa；2注浆率=实际注浆量/理论注浆量，理论注浆量=3.14/4×(14.932-14.52)×2=19.9 m3。

监测布点如图7.12所示。其中，DB表示地表沉降测点，采用水准仪进行测量；CX 表示土体位移测点，采用测斜仪进行测量；TY 是水土压力测点，采用振弦式土压力传感器进行测量，传感器测压面的法线方向与重力方向垂直且指向隧道中心线。

图7.12　盾构推进地层扰动监测断面布置图

2.土体水平位移监测结果

传统的测斜数据分析方法通常是绘制水平位移曲线和竖向位移曲线，然后通过曲线分析该位置处不同深度的水平位移变化。这种数据分析方法已经沿用多年，其优点是简单易懂，但是无法与其他测斜点之间建立联系，也就无法反映由多个测点构成的监测断面的整体变化情况。

本节采用Surfer软件将测斜位移绘成平面云图，通过云图可以非常直观地看到隧道周边区域水平位移的变化程度和范围，且通过多张云图的对比，还可以看到不同盾构施工阶段隧道周边位移变化情况。

图7.13给出了盾构施工至+20环监测断面的三个关键施工节点以及盾构远离后的水平位移云图。该水平位移的方向约定为在该监测平面内指向隧道中心为正。图中隧道周边三个箭头表示同步注浆孔所在位置。由于测斜管在布置时采取非对称布置的方式，为了便于绘图，将每组测斜数据按照盾构中心线做了对称处理，也就是地层测斜位移d(x，y)满足公式(7.1)。

图7.13表明，采用表7.4的施工参数进行+20环断面施工时，盾构切口通过及到达过程中，对切口附近土层扰动极小，图7.13(a)中所示变化区域位移不超过±1 mm，表明开挖面稳定性维持良好。

+20环盾尾脱出后，隧道周边土层发生了明显扰动，这种扰动在管片刚脱出盾尾后开始显现，并在+21环盾尾脱出后达到最大值。云图表明，隧道周边的位移方向为背离隧道中心指向外侧，即土体被向外挤压。

在整个盾构施工过程中，周边土体的水平位移最大值为19.7 mm，发生在+21环盾尾脱出后。土体位移显著扰动土层位于盾构腰部以上的两个同步注浆孔中间区域。受影响范围与影响程度密切相关，图中表明，最大位移的70%影响圈一般位于隧道中心线外1D 范围内，然后向外迅速衰减；最大位移的30%影响圈位于隧道中心线外1.5D。2.0D～2.5D 范围外的水平位移＜2 mm(最大位移的10%)，隧道施工几乎不会造成土体的水平扰动。

图7.13　不同施工阶段隧道周边水平位移云图

就水平位移随时间发展的趋势来看，盾尾脱出+46环(约1个月)以后，中心最大位移略有回落(回落幅度约为7.6%)，总体影响范围没有明显变化。

3.土体水平水土压力监测结果

土层内水平水土压力的变化是衡量盾构施工造成地层扰动的另外一种方式。本节分析采用侧压力相对变化度的方法反映盾构推进不同阶段对隧道周边土体的扰动程度和波及范围，相对变化度可以由公式(7.2)定义：

式中 η——侧向水土压力变化度；

p(x，y，ti)——(x，y)坐标位置，ti时刻的侧向水土压力；

p(x，y，t 0)——(x，y)坐标位置，t 0时刻的侧向水土压力。

采用Surfer软件分别绘制切口到达、盾尾脱出、盾构远离等关键时刻的水土压力相对变化度云图，如图7.14所示。(www.xing528.com)

图7.14(a)是切口到达时刻的侧向水土压力变化度云图。切口达到监测断面时的主要工况是断面存在正面泥水压力。该云图表明切口通过时，地层水平应力变化不超过10%，范围主要集中在盾构底面以下1D×1D(深×宽/2)的范围以内。出现这种地应力变化主要是由于刀盘面土体挖除引起的竖向卸载造成的。

图7.14　不同施工阶段隧道周边侧向水土压力变化度η 云图

图7.14(b)是盾尾脱出+20环时刻的侧向水土压力变化度云图。该时刻的主要工况是盾尾同步注浆。云图表明盾尾脱出+20环时，盾构机主体移出监测断面，隧道底部以下的土层进一步卸载，最大影响度已增大至25%，范围位于隧道底面以下0.5D×0.7D，η＞10%的区域进一步向下延伸至1.5D×1D。隧道肩部以上区域由于同步注浆的压力影响，产生了一定程度的扰动，但是此时刻的扰动程度不大(η＜10%)，范围主要位于隧道轴线以外1D范围内。

图7.14(c)是盾尾脱出+21环时刻的侧向水土压力变化度云图。该时刻是整个监测周期内土体应力改变最剧烈的时刻。该时刻的主要工况是盾构进一步前移，监测断面上的竖向荷载减小；同时由于注浆率的显著提高(相较于前5环，数据见表7.5)，使得隧道底面以下的扰动度高达60%，范围超过1D×0.7D。η＞10%的区域进一步向下延伸至2D×1.5D。此外，由于同步注浆的影响，隧道肩部的应力扰动度增大至40%，但其影响范围较小，位于隧道外边线1D 范围内。

图7.14(d)是盾尾脱出+46环时刻的侧向水土压力变化度云图。该时刻的主要工况是盾构距离监测断面50 m，时隔30天后的数据，土层内部的应力重分布使得由于盾构施工造成的水土压力的变化逐步回落。η＞10%的区域由原来的2D×1.5D 回至1.5D×1.5D。

盾构推进过程中隧道周边土体扰动程度及扰动范围如表7.5所示。

表7.5　盾构推进导致侧向水土压力变化度汇总表

注：隧道肩部的变化不是封闭图形，表中数字表示离开隧道轴线的距离。

4.地表沉降监测结果

图7.15是+20环监测断面的地表沉降曲线。图7.15(a)是不同盾构施工阶段沉降沿盾构横断面的空间分布形式；图7.15(b)是DB4、DB5沉降随时间的发展规律。图中标出了关键时间节点的盾构相对位置。

图7.15表明，监测断面的地表沉降表现为隆起的趋势。地面隆起在空间分布上呈现为从盾构轴线向两端逐渐减小的趋势。盾构切口通过以及到达过程中，监测断面地表累计沉降小于10 mm。但是盾尾脱出+21环后，地表位移呈现明显的隆起趋势，曲线形似倒置的Peck曲线。

分析该沉降曲线的空间分布规律和随时间发展的规律可以看出，采用表7.4所示的推进参数进行盾构推进可以维持开挖面良好的稳定性。就地表沉降的反应而言，基本没有出现超挖或者欠挖的现象。但是随着盾尾的脱出和同步注浆的实施，地表出现了明显的隆起现象。

盾尾脱出+21环后隧道施工引起的地表变形达到峰值。曲线表明，隧道轴线上方的沉降变化最为明显，将各个测点测得的位移与最大值相比，可以得出隧道断面地表位移影响范围。计算表明，隆起量＞70%最大隆起位移的范围发生在距离轴线0.3D 的范围内。距离隧道轴线超过0.7D 以后，位移变化小于最大位移的30%。而超过1.5D 以后，地表位移几乎没有变化(＜自大地面隆起值的10%)。

进一步分析沉降曲线可以看出：地面由于同步注浆导致的隆起最终会由于盾构的远离和注浆压力的消散而逐步回落。回落的区域主要集中在0.3D～0.6D 范围内。这一区间正是盾构机上两个同步注浆点所对应的位置。该位置是浆液的射出点，因此对土体的扰动最为剧烈，相应的其工后固结沉降也就最为明显。

图7.15　+20环沉降趋势图

5.盾构施工对地层扰动的实测分析小结和讨论

本节采用现场监测的方法对虹梅南路隧道盾构施工对周边土层的扰动进行研究。采用二维云图的方式对监测数据进行了处理和表达。着重分析了不同盾构施工阶段中隧道周边土层受扰动程度、波及范围以及随时间的演化规律。主要得到以下结论：

(1)盾构切口到达几乎没有对周边土层造成明显扰动。地表位移和土层水平位移几乎为0，切口到达仅对隧道下方1D×1D 范围内的土体造成了轻微扰动(η＜10%)。这进一步验证了泥水气平衡盾构在控制正面稳定性方面的优异性能。

(2)隧道地面以下主要受土层开挖卸载的影响。隧道底面以下2D×1.5D 的区域产生了明显的侧向土压力增大的现象。最大应力扰动区域为1D×0.7D。

(3)同步注浆主要影响盾构腰部以上的区域。偏大的同步注浆率会造成隧道周边土体向外的运动趋势，其中侧向土压力、侧向位移、地表位移的显著变化范围基本位于盾构轴线以外1.5D 范围内。

同步注浆导致的地层扰动程度、波及范围与同步注浆参数的设定是密切相关的。显然，本节提到的该环盾构施工中的127%的注浆量是偏大的。需要指出的是，在后续施工中，同步注浆量调整至110%～115%时，地表沉降均控制在±1 cm 以内。

准确地进行地层应力的测量仍然是一道极具挑战的难题。首先传感器的埋设是对土体结构的破坏，特别是在黏性土层中，传感器周边的水土压力需要较长时间才能够恢复到与未扰动土体相类似的程度。在透水性较好的砂土层中，尽管孔隙水压力可以很快地恢复，但是扰动后的砂土仍然很难恢复到原状土的性态。其次，土体的应力状态是三维各向异性的，单一的土压力盒仅能够测量沿某一方向的土体应力，由于实际操作过程中传感器埋设精度的问题，测得的土体应力一般是竖向压力和静止土压力之间的数值。尽管如此，通过传感器测量值与初始值的变化程度，仍然可以反映盾构推进的不同阶段对周边土体的相对扰动程度及波及范围。这对进一步理解反复加卸载过程在成层土中的传播规律是有帮助的。