不同地層條件盾構始發(fā)對地表沉降影響規(guī)律研究

趙耀強，李元海，朱世友，林志斌

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008;2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，許多地鐵工程都采用盾構法施工，但由于盾構始發(fā)施工措施不當等原因引起的盾構始發(fā)端頭出現涌水涌砂、盾構機始發(fā)栽頭、地表沉降過大進而導致臨近建筑物傾斜、道路下沉等事故時有發(fā)生，對社會經濟造成巨大損失。例如:在上海地鐵1號線7臺盾構出洞過程中，由于端頭洞口土體加固不好，大量土體和地下水涌進工作井內，導致地表下沉，危及地下管線和附近的建構筑物［1］;在廣州地鐵4號線大學城南北站區(qū)間隧道右線盾構始發(fā)施工中出現盾構機始發(fā)栽頭事故;廣州地鐵土建3標始發(fā)端頭出現涌水涌砂事故等。因此，有必要對盾構始發(fā)施工對周邊環(huán)境的影響進行分析。

每座城市都有其特殊的地層條件，對不同地層條件，應有針對這一地層的專項方案來指導施工。以往文獻中較多是針對某一土層參數、隧道覆土深度、外徑等的不同進行研究［2-3］，針對地區(qū)不同代表土層盾構始發(fā)施工對地表沉降影響的研究很少;但針對不同地區(qū)不同土層對盾構始發(fā)地表沉降的影響規(guī)律，有效采取相應控制措施，保證隧道周圍建筑物和地下管線的安全極為重要。故本文在對北京、杭州、南京和上海等地區(qū)地層特點對比總結的基礎上，選取具有代表性的地層作為模型地層參數，采用巖土通用軟件FLAC3D建立盾構始發(fā)三維模型，模擬始發(fā)施工的全過程，對各地區(qū)不同地層參數下盾構始發(fā)對地表沉降的影響進行計算分析，總結各典型地區(qū)盾構始發(fā)對地表變形的影響規(guī)律，提出相應施工建議，為類似工程及相應反分析研究提供參考。

1 典型地區(qū)盾構區(qū)間地層分類與特點

縱觀我國城市地鐵的發(fā)展，北京、上海是國內最早使用盾構技術修建地鐵的城市，已基本實現網絡化運營，可參考的地層資料及施工經驗較豐富。南京與杭州分別于2005年和2007年開始修建地鐵，由于地層以及保護名勝古跡等原因，絕大多數使用的是盾構法，且在盾構施工中出現多處由于地表沉降造成的工程事故。上述4個典型城市，雖不能概括全國地層的全部特征，但在一定程度上代表了國內盾構地層資料的典型特征，故選取該4個城市作為典型地區(qū)進行對比研究，對我國城市盾構地鐵的后續(xù)施工參考價值很大。在參閱相應城市大量盾構施工相關文獻資料的基礎上，繪制各典型地區(qū)土層分布示意圖(見圖1)，總結各城市盾構典型地層及特點(見表1)，并對其進行對比分析。

圖1 典型地區(qū)土層分布示意圖(單位:m)Fig.1 Distribution of soil strata in typical regions(m)

表1 典型地區(qū)盾構地層特點對比Table 1 Comparison and contrast among characteristics of shield launching strata in typical regions

通過圖1和表1對典型地區(qū)盾構區(qū)間地層特點的綜合對比可知:1)粉質黏土層為4個城市盾構穿越最為頻繁的土層;2)北京地區(qū)盾構地層主要為卵石土和砂土層，杭州地區(qū)為淤泥質粉質黏土和粉細砂層，南京為粉土和粉細砂土層，上海地區(qū)則以土質較軟的淤泥質粉質黏土為主。

在對典型地區(qū)盾構地層特點綜合比較的基礎上，選取典型地區(qū)代表土層制定合理的計算方案對其盾構始發(fā)條件下，地表沉降曲線以及圍巖變形特點進行對比分析。

2 計算方案

通過典型地區(qū)盾構地層特點的對比分析，按地區(qū)分別取其地層條件較好、中等、較差的代表土層制定相關方案，模型統(tǒng)一采用隧道埋深15 m，盾構直徑10 m，盾構井深27 m，排除土層以外的因素對模擬效果的影響，對典型地區(qū)不同地層條件盾構始發(fā)進行三維數值模擬。具體模擬方案見表2。

3 計算條件

盾構始發(fā)土層相關參數選取見表3。

4 模擬方法

所取模型邊界條件均為頂面自由，四周約束法向位移，底面固定。盾構豎井及隧道周圍地層土體按表2中數據取值，采用摩爾-庫倫材料模型進行模擬計算。施工過程充分考慮到盾構機的影響，用等代層來反應注漿效果［8］;考慮到襯砌結構的不連續(xù)性，故對其進行一定的折減，折減系數取0.7，折減后的相關參數如表4所示(參數選取參照《混凝土結構設計規(guī)范》)。采用模型空單元模擬隧道開挖，采用實體彈性單元模擬襯砌環(huán)，掌子面前方土艙壓力采用梯形荷載和等效荷載2種模式進行計算(2種模式計算結果相差不大)。最終土艙壓力以等效荷載條件下隧道中心線處水平應力實際值的1.08倍進行施工情況的模擬計算。

表2 典型地區(qū)盾構始發(fā)數值模擬方案Table 2 Numerical simulations of shield launching in typical regions

表3 不同地區(qū)盾構始發(fā)土層參數取值表Table 3 Parameters of soil strata for shield launching in different regions

表4 模型各項參數Table 4 Model parameters

地連墻、豎井二次襯徹、底板和基座、洞門均采用實體單元進行模擬，由于圍護墻在基坑開挖及襯砌回筑階段沿豎向間隔一定距離受支撐圍檁約束，臨時支撐可以簡化成多支點桿系結構進行分析，即采用梁結構單元(beam)進行模擬。地下連續(xù)墻采用C30防水混凝土［9］，豎井二次襯徹、底板和基座采用C30和S8混凝土，洞門采用素混凝土進行數值模擬。

在盾構始發(fā)井開挖前，對始發(fā)端頭土體進行加固模擬。由于我國城市盾構施工地段，大多為軟土地層，參考國內多處施工實例［10］，本文對軟土地段盾構始發(fā)端加固長度取:縱向長度=盾構機長度(12.6m)+1.4 m，兩側加固寬度3 m，上方加固高度3 m，下方加固高度3 m。

5 計算模型

本文主要對典型地區(qū)不同地層條件下盾構始發(fā)進行三維數值模擬。首先進行三維建模，模型中預設開挖土體單元、襯砌單元、盾構鋼殼以及等代層單元，以盾構隧道掘進始發(fā)處中軸線地表為坐標原點，垂直隧道軸向的水平方向為X方向、隧道軸向為Y方向、高度方向為Z方向建立數值計算模型坐標系。模型范圍為軸向長度取60 m(盾構始發(fā)隧道掘進段為0～40 m)，垂直隧道軸向自隧道中心水平向外各取5 D(D為隧道外徑)，自隧道底部垂直向下取5D。盾構始發(fā)隧道開挖40 m，盾構始發(fā)井位于縱向-12～0 m，橫向-11～11 m范圍內，模型上端自由，底部位移完全約束，兩側水平位移約束，沿軸線的前后方向約束。模型共有123 576個單元、129 519個節(jié)點。沿隧道軸線縱向截取計算模型如圖2所示。

6 計算結果

6.1 典型地區(qū)代表土層盾構始發(fā)地表縱向沉降對比

提取典型地區(qū)隧道縱軸向地表沉降數據，按地區(qū)繪制地表縱向沉降曲線如圖3所示。

通過分析圖3可知，典型地區(qū)地表縱向沉降規(guī)律相同點為:隧道縱軸向始發(fā)井附近地表沉降量較大，進入加固段后，沉降值突然減小，在加固段地表沉降基本穩(wěn)定在-10 mm以內，隧道掘進進入非加固段后，地表沉降量又逐漸變大。根據數值計算結果，并結合工程實踐經驗，總結其規(guī)律原因是:在盾構始發(fā)端頭，盾構豎井施工對端頭土體擾動較大，隨著隧道掘進進入始發(fā)加固段，地層強度、止水性、均勻性以及整體穩(wěn)定性都有較大改善，地層擾動量減小;在非加固段，地層條件變差土體擾動量又開始加大。

圖3 典型地區(qū)盾構始發(fā)地表縱向沉降曲線Fig.3 Curves of ground surface settlement in longitudinal direction in typical regoins induced by shield launching

雖然典型地區(qū)盾構始發(fā)縱向地表沉降規(guī)律有很多相像之處，但各個地區(qū)以及同一地區(qū)不同土層參數，在沉降量、差異沉降方面卻有明顯的區(qū)別。下面就同一地區(qū)，不同土層縱向地表沉降的區(qū)別進行定量分析(見表5)。

分析表5中數據可得:1)北京地區(qū)地表沉降及差異沉降整體較小;2)南京地區(qū)雖地表沉降值相對較小，但其差異沉降較大;3)上海地區(qū)地表沉降整體較大;4)方案B-3地表沉降量相比方案B-1和方案B-2較平穩(wěn)，差異值也比較小，即粉質黏土地層為北京地區(qū)最佳土層方案;5)方案H-1地表沉降整體較小，與方案H-2和方案H-3比較，其沉降量較平穩(wěn)差異沉降控制也較好，即粉質黏土為杭州地區(qū)最佳土層方案;6)方案N-3與方案N-1和方案N-2比較，地表沉降相對較小且穩(wěn)定，差異沉降值也較小，即粉土地層為南京地區(qū)最佳土層方案;7)方案S-1與方案S-2和方案S-3相比較，地表沉降量相對平穩(wěn)，且地表總體沉降及差異沉降相對控制較好，即粉質黏土地層為上海地區(qū)最佳土層方案。

表5 典型地區(qū)盾構始發(fā)地表縱向沉降對比Table 5 Comparison and contrast among ground surface settlement in longitudinal direction induced by shield launching in typical regions

在總結地表縱向沉降規(guī)律基礎上，對地表橫向沉降數據進行對比分析，使對典型地區(qū)不同土層施工效果的分析更為全面、透徹和準確。

6.2 典型地區(qū)代表土層盾構始發(fā)橫向地表沉降對比

提取典型地區(qū)隧道縱向Y=1.8 m處橫軸向地表沉降數據，按地區(qū)繪制盾構始發(fā)地表橫向沉降槽曲線(見圖4)。

通過分析圖4曲線可知，典型地區(qū)地表橫向沉降規(guī)律為:1)盾構始發(fā)施工對地表橫向影響范圍均為55 m左右，基坑開挖基本均未引起地表隆起，在盾構始發(fā)完畢后，隧道橫軸向兩側±20 m范圍以外均出現不同程度地表隆起;2)不同地區(qū)以及同一地區(qū)不同土層參數，在地表隆起值、累計沉降量以及差異沉降方面有明顯的區(qū)別。下面就同一地區(qū)，不同始發(fā)土層方案橫向地表沉降的區(qū)別進行對比分析(見表6)。

分析表6中的數據可得:1)方案B-3地表累計沉降比方案B-1小4.3 mm，比方案B-2小5.97 mm，其盾構始發(fā)施工對地表沉降整體控制效果最好，在橫向20 m范圍內差異沉降控制也最好，為北京地區(qū)最佳土層施工方案;2)方案H-1地表累計沉降比方案H-3小14.88 mm，與方案H-2基本一致，但其在橫向20 m范圍內差異沉降控制最好，地表隆起值也較小，為杭州地區(qū)最佳土層方案;3)方案N-3地表累計沉降比方案N-1小6.53 mm，比方案N-2小10.32 mm，并且其在橫向20 m范圍內差異沉降控制最好，為南京地區(qū)較好土層施工方案;4)方案S-1地表累計沉降比方案S-2小26.04 mm，比方案S-3小20.84 mm，并且其在橫向20 m范圍內差異沉降控制也最好，為上海地區(qū)地表沉降控制最好的土層方案。

圖4 典型地區(qū)盾構始發(fā)地表橫向沉降槽曲線Fig.4 Curves of transverse settlement trough induced by shield launching in typical regions

綜上所述可知，地面沉降在垂直隧道軸線的橫斷面上一般呈正態(tài)分布曲線。不同土質地層其沉降曲線差別較大，一般而言，黏土土層中，盾構周圍的土層如同一塊土體一樣是逐漸變形的;而砂土土層中，盾構周圍的土體卻是局部而又斷續(xù)地塌落。這種區(qū)別反映出各種性質的土體“成拱”能力，黏性土較砂性土成拱能力高，沉降槽影響范圍相對較大，中心點沉降量相對較小。

6.3 典型地區(qū)代表土層盾構始發(fā)圍巖位移

對典型地區(qū)不同土層條件盾構始發(fā)地表沉降規(guī)律分析的基礎上，從地層圍巖角度再次驗證規(guī)律的合理性，按地區(qū)分別取一代表方案沿隧道軸線剖開，提取圍巖豎向位移分布云圖(見圖5)進行分析。

表6 典型地區(qū)盾構始發(fā)地表橫向沉降對比Table 6 Comparison and contrast among ground surface settlement in transverse direction induced by shield launching in typical regions

通過分析圖5云圖可知:1)典型地區(qū)圍巖豎向位移分布在盾構加固段較小，在第9環(huán)以后出現豎向位移驟然增大，原因是前8環(huán)為盾構加固段，第9環(huán)以后地層穩(wěn)定性相對較差，這一現象再次驗證地表沉降在盾構非加固段增大的規(guī)律。2)在盾構始發(fā)尾部均出現隧道頂部下沉較大，這是因為在始發(fā)階段由于自重及其他原因，盾尾出現失圓所致，這種現象可以采用盾構機自帶的整圓器進行整圓，在必要情況下，可采用錯縫拼裝以保證管片拼至隧道內時管片自身的橢圓度控制在誤差以內。上述現象反映到地表，均符合前述典型地區(qū)盾構始發(fā)隧道地表沉降的規(guī)律。

7 結論與建議

通過典型地區(qū)不同地層條件盾構始發(fā)施工數值模擬，分析其地表沉降數據及圍巖位移分布云圖，并結合施工經驗得出結論與建議如下:

1)不同地層盾構始發(fā)地表沉降差別較大，黏性土較砂性土沉降槽影響范圍相對較大，中心點沉降量相對較小。

圖5 典型地區(qū)盾構始發(fā)圍巖豎向位移分布云圖Fig.5 Cloud of distribution of vertical displacement of rock mass caused by shield launching in typical regions

2)典型地區(qū)盾構始發(fā)地表沉降總規(guī)律為:地表沉降對稱分布，隧道軸線正上方地表沉降最大，向左右沉降分別逐漸減小;隧道開挖完畢后地表沉降具有對稱性，最后綜合沉降最大值位于隧道中間。對土體擾動引起地表沉降的橫向沉降槽與Peck計算得出的橫向沉降槽正態(tài)分布曲線形態(tài)基本一致。

3)典型地區(qū)均在黏性土條件下地表沉降較小，北京和南京地區(qū)地表沉降在22 mm內，在非黏性土條件下于橫向基坑邊界處地表差異沉降較大;杭州和上海地區(qū)在黏性土條件下地表沉降在32 mm內，在淤泥質土條件下地表沉降過大(超過60 mm)。典型地區(qū)按地表沉降控制效果由好到差排序為北京＞南京＞杭州＞上海。

4)在砂性土層始發(fā)時，由于砂性土自穩(wěn)性差、流動性大、滲透系數大，易發(fā)生流砂和涌水現象，加固區(qū)的長度必須大于盾構主機長度。

5)為有效減少始發(fā)段地表沉降，要嚴格控制地層加固質量，使加固后土體滿足強度和滲透性的要求，同時加強管片壁后注漿，二次注漿壓注要及時，對部分地層根據地面沉降情況及時進行三次或多次注漿，從而達到有效控制地面沉降的效果。

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