0 引言

　　城市化建设过程中大量使用盾构法进行地铁隧道掘进施工，该施工方法在环境影响、精度控制和施工效率方面具有优势。近年来，隧道盾构施工向更大直径、更复杂地层和更小扰动方向发展^[1,2,3]，关于大直径(直径>10m)盾构施工的研究和实践已取得较多成果^[4,5,6,7,8]。以武汉市地铁29号线工程大直径泥水盾构掘进区间为研究对象，在分析工程地质、水文地质条件的基础上，选取合适的施工、监测方案，得到盾构机掘进过程中周边土体变形数据，从而分析大直径泥水盾构施工对武汉地区粉质黏土地层变形的影响。

　　1 工程概况

　　武汉市地铁29号线工程线路全长约24km，共14座换乘车站，沿线过渡段0.24km，其余为地下段和高架段。采用单洞双线隧道，隧道外径11.4m，内径10.4m，掘进过程中为研究周边地表变形规律，沿轨道走向(NE44°)选取Ⅰ，Ⅱ号断面进行监测。其中，Ⅰ号断面位于商贸南二路西南侧约211m处，断面与轨道走向垂直，方位为SW45°;Ⅱ号断面位于箱涵东北侧约195m处，垂直轨道轴线方向布置断面，方位为SW48°，2个监测断面距离为637m。

　　拟建工程处于剥蚀、残丘地貌单位，地表起伏较小，线路海拔高度一般为30.000～50.000m，局部低至20.000m。沿线地势开阔，局部建筑物分布较密集，多为绿化带。研究区上部覆盖层主要分4层，自上而下依次为耕植土、含粉细砂黏土、粉土质砂和粉质黏土，下伏基岩为下白垩系砂岩。覆盖层地层基本情况为:(1)耕植土以灰黑色、灰褐色为主，潮湿，松散，主要由粉土、植物根系构成，含少量建筑垃圾，揭露厚度约1.0m;(2)含粉细砂黏土土黄色，稍湿，松散～中密，主要由黏土和粉细砂构成，揭露厚度约4.0m;(3)粉土质砂灰褐色，潮湿，中密，主要由泥岩、砂岩风化剥蚀搬运形成，可塑状，揭露厚度一般为2.0m;(4)粉质黏土黄褐色、黄灰色，潮湿，中密，可塑状，含少量砂岩碎块石，钻探深度为未揭穿，揭露厚度20.0～21.0m。

　　工程区未见大型滑坡、泥石流等不良地质灾害发育，附近未见大规模活动断裂发育，但第四纪断层较发育，晚更新世活动不明显，未见错距，多为剪切节理或规模较小的正断层，仅发育数条挤压揉皱带，带内岩体破碎，破碎带宽一般为5.0～8.2m，整体构造较稳定。研究区地下水位主要为降雨垂直入渗和湖泊河流侧向补给，地下水位变幅较小，埋深一般为3.4～6.0m。

　　2 施工技术

　　2 个监测断面所在隧道均采用泥水平衡盾构法施工，盾构机外径10.5m，总长12.4m，管片拼装位置距刀盘约8m，管片拼装完成4m后脱出，整体配套总长95m。隧道支护衬砌所用管片厚50cm，选用通用楔形环状结构，抗渗等级P12，混凝土强度等级C50。每个衬砌闭环由9块管片组成，其中B1～B6为标准块，F为顶拱块，L1,L2为衔接块，盾构施工典型断面如图1所示。

　　图1 盾构施工典型断面  

　　盾构掘进阶段首先需通过控制泥水仓压力保证隧道开挖断面的稳定，施工过程中泥水仓土压力上、下限值通过静止土压力和主动土压力根据实际情况动态分析确定。当盾构机位于透水层时，采用水土分算的方式确定土压力;当盾构机掘进至不透水层时，采用水土合算的方式确定土压力。盾尾同步注浆能有效填补掘进过程中产生的不利空隙，防止地下水渗漏，控制围岩变形。本研究盾构区间6处盾尾同步注浆，保持盾尾注浆量超过盾尾空隙体积的30%～70%。

　　3 现场监测与结果分析

　　3.1 监测方案

　　为监测盾构机掘进过程中引起的土体变形，主要监测地表竖向位移、深部土体竖向位移。监测地表竖向位移时需钻孔打穿路基，然后在孔内浇筑水泥砂浆并插入钢筋，防止监测点受路基的干扰，通过数字水准仪进行测量，每个监测断面布设监测点DB1～DB7，如图2a所示。监测深部土体竖向位移时，首先钻孔至隧道上方(钻孔直径130mm，深14.5m)，然后将可伸缩沉降板置于孔底，可伸缩沉降板上部通过测杆相连，外部为沉降管，防止坍孔。通过水准仪监测测杆变化情况，测量精度0.2mm，在隧道上方布设监测点FC1-2,FC2-2,FC3-2，如图2b所示。

　　图2 监测点布置  

　　3.2 地表竖向位移

　　选取Ⅰ号监测断面得到的地表竖向位移进行分析(见图3)，刀盘位置为0m时表示刀盘刚好进入监测断面，负值表示刀盘未到达监测断面，正值表示刀盘通过监测断面。由图3可知，地表竖向位移变化规律可划分为以下阶段。

　　图3 地表位移监测结果  

　　1)第1阶段盾构刀盘位置<-10m时，土体受挤压作用发生隆起，地表发生竖直向上的位移，但位移量较小，为0～3mm。刀盘位置为-10～0m时，部分监测点对应的地表沉降速度加大。

　　2)第2阶段盾构刀盘位置为0～10m时，监测断面不再受刀盘推力作用，掘进过程中盾构机不断纠偏，刀盘外径略大于支护壳体外径，导致存在一定超挖现象。刀盘位置为4m时，由于泥水仓压力对监测断面土体起压密作用，导致地表发生隆起。随着注浆施工的进行，土体沉降得到控制，发生竖直向上的位移，10m刀盘位置处地表竖向位移为5～10.5mm。

　　3)第3阶段盾构机掘进至盾尾脱出，由于存在超挖间隙，且土体发生卸荷，地表发生短时沉降(约2mm)，部分监测点对应的地表向上隆起。当盾尾脱离监测断面约9.3m后，盾尾注浆压力导致的地表隆起最大值约为9mm，随后地表开始沉降。

　　综上所述，监测数据显示掘进过程中隧道上方两侧地表竖向位移并非对称分布，当刀盘脱离监测断面>21.5m时，地表整体变形表现为沉降。

　　3.3 深部土体竖向位移

　　深部土体竖向位移如图4所示，可将位移变化规律划分为以下阶段。

　　图4 深部土体竖向位移 

　　1)第1阶段盾构刀盘未到达监测断面，深部土体变形主要表现为沉降。

　　2)第2阶段盾构刀盘到达监测断面，由于刀盘外径略大于支护壳体外径，土体发生瞬时加速沉降。由于盾尾注浆压力对土体空隙起充填作用，导致沉降被快速弥补，发生隆起。

　　3)第3阶段盾尾脱出，由于盾尾注浆压力导致深部土体出现隆起。当盾构刀盘脱离监测断面>23.5m时，最大隆起达15mm后深部土体发生沉降。

　　4 结语

　　为研究大直径泥水盾构施工对粉质黏土地层变形的影响，以武汉市地铁29号线工程为依托，在分析工程地质条件和施工技术的基础上，开展现场监测分析与研究，得出以下结论。

　　1)盾构机掘进过程中地表竖向位移变化规律可划分为3阶段，第1阶段盾构刀盘不断接近监测断面，地表发生缓慢沉降;第2阶段存在一定超挖现象，但受注浆压力作用，地表缓慢隆起;第3阶段超挖间隙地表发生短时沉降(约2mm)，当盾尾脱离监测断面约9.3m后，盾尾注浆压力导致的地表隆起最大值约为9mm，随后地表开始沉降。

　　2)盾构机掘进过程中，深部土体竖向位移与地表竖向位移具有类似变化规律，当盾构刀盘到达监测断面时，由于盾尾注浆压力对土体空隙起充填作用，导致沉降被快速弥补，发生隆起。盾构刀盘脱离监测断面>23.5m时，最大隆起达15mm后深部土体发生沉降。