盾構(gòu)施工對堤頂沉降的預(yù)測及控制研究

鄭 燁 樊建苗

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江杭州 310016)

1 概述

盾構(gòu)法隧道施工具有地面影響小、機械化程度高、進度快等優(yōu)點，逐漸成為隧道等地下結(jié)構(gòu)的首選施工工藝。然而在盾構(gòu)過程中不可避免地會對周圍土體產(chǎn)生擾動，從而引起地面沉降。盾構(gòu)施工引起的地面沉降的范圍和沉降值是國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的問題。本文依托秦山核電廠盾構(gòu)排水隧道工程，分別采用Peck經(jīng)驗公式和PLAXIS有限元對盾構(gòu)施工過程中堤頂沉降進行了預(yù)測，并提出了沉降控制措施，為海堤的保護和排水隧道工程的順利實施提供了依據(jù)。

2 工程概況

秦山核電廠擴建項目的排水隧道工程位于廠區(qū)的東北部，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，排水隧道穿越秦山一期海堤后延伸入錢塘江，工程由高位虹吸井、排水隧道、頂升管及噴口等組成。

隧道穿堤處地質(zhì)概況為:①堤身填土層，主要為粘性土、開山塊石、碎石及巖粉和巖屑組成;③-1粉土層，灰色～灰黃色，局部含少量粉砂，干強度中等，韌性中等;④淤泥質(zhì)粘土層，淺灰色～灰色，干強度高，韌性高，軟塑～流塑;⑤粉質(zhì)粘土層，褐黃色、灰黃～灰綠色，干強度高，韌性高，可塑;⑥粘土層:灰～淺灰色，干強度高，韌性高，可塑～硬塑;⑦粉質(zhì)粘土層:灰色、灰黃色～灰綠色，干強度高，韌性高，硬塑～堅硬。具體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 排水隧道穿堤處土層的物理力學(xué)指標(biāo)

3 地表沉降的預(yù)測與分析

3.1 經(jīng)驗公式法預(yù)測地表沉降

Peck［1］在大量實測地表沉降數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了地表沉降槽呈現(xiàn)正態(tài)分布曲線，沉降槽的體積等于地層損失的體積，并提出隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布的經(jīng)驗公式:

其中，S(x)為距離隧道中心線x處的地表沉降，m;Smax為隧道中心線處最大地面沉降，m;x為距隧道中心線的距離，m;i為沉降槽寬度系數(shù)，m;Vs為隧道單位長度土體損失量，m3/m。

關(guān)于隧道單位長度土體損失量，其大小不僅與工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等有關(guān)，還與施工方法、施工技術(shù)和管理水平等因素有關(guān)。目前，隧道單位長度土體損失量的計算方法主要有:1)經(jīng)驗方法:根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗，選擇一個合適的土體損失百分率Vl，則Vs=VlπR2，其中，R為隧道外半徑，對于粘性土Vl通常為0.5%～2.0%［2，3］;2)采用Lee K.M.等［4］提出的等效土體損失參數(shù)g進行計算:

其中，g為等效土體損失參數(shù)，具體參見文獻［4］。

沉降槽寬度系數(shù)i決定了盾構(gòu)施工對周圍土體的影響范圍。國外學(xué)者［5，6］通過理論分析和實測資料，對沉降槽寬度系數(shù)給出了不同的經(jīng)驗公式。國內(nèi)學(xué)者璩繼立等［7］通過對實測數(shù)據(jù)進行擬合，指出:沉降槽寬度系數(shù)與隧道軸線埋深的八次冪成線性關(guān)系;劉建航等［8］提出以下公式來計算沉降槽寬度系數(shù):

其中，z為地面至隧道軸線深度;φ為各土層有效內(nèi)摩擦角。

秦山核電廠穿堤排水隧道外半徑為4.05 m，土的內(nèi)摩擦角17.2°，隧道頂部覆土厚27.45 m，采用Peck法計算不同土體損失率下，堤頂各處沉降值，見圖1。

圖1 不同地層損失率下堤頂沉降曲線圖（Peck公式）

如圖1所示，隧道盾構(gòu)后，土層沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在隧道中心軸線處。土體損失量為0.5%～0.8%時，沉降最大值分別為:6.9 mm，8.3 mm，9.7 mm和11.1 mm。

3.2 有限元數(shù)值模擬法預(yù)測地表沉降

有限元數(shù)值模擬采用PLAXIS程序。PLAXIS程序是荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件，能夠計算巖土工程中變形、穩(wěn)定以及滲流等問題。下文對有限元模型的前處理、材料本構(gòu)模型的選擇及參數(shù)取值做簡單的介紹和討論。

3.2.1 有限元模型的建立及網(wǎng)格的劃分

穿堤排水隧道可簡化為二維平面問題:隧道及襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，土體采用三角形15節(jié)點實體單元模擬。通過試算確定對堤頂變形無明顯影響時的模型邊界取值范圍，左、右側(cè)邊界自隧道中心線起均取50 m，下側(cè)邊界自堤頂取50 m。左右邊界的約束情況為水平約束，底面邊界約束情況為固定約束，有限元模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 排水隧道有限元模型網(wǎng)格劃分圖

3.2.2 穿堤排水隧道有限元模型材料參數(shù)

穿堤排水隧道有限元模型中包含了土體、隧道襯砌等結(jié)構(gòu)。其中土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型;隧道襯砌采用線彈性模型;土—結(jié)構(gòu)接觸面采用界面單元模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)與土體在材料性質(zhì)有較大的差異，為了滿足有限元理論位移協(xié)調(diào)原則，需要在兩種材料之間加設(shè)界面單元。通過加設(shè)界面單元的方式可以有效模擬襯砌與土體之間的相對位移。隧道襯砌與土體的接觸表面是介于完全光滑和完全粗糙之間的，其界面的粗糙程度用一個適當(dāng)?shù)囊蜃觼砗饬?，在PLAXIS中設(shè)定了界面強度折減因子Rinter。該因子將界面強度指標(biāo)和土體強度指標(biāo)相互聯(lián)系在一起。其關(guān)系式為:

其中，ci和φi分別為界面的內(nèi)聚力和摩擦角;csoil和φsoil分別為土層的內(nèi)聚力和摩擦角。

對于有限元計算參數(shù)的取值:重度、摩擦角、粘聚力等直接取用地質(zhì)勘查參數(shù)，泊松比根據(jù)土質(zhì)參照工程地質(zhì)手冊取值［9］，土層的彈性模量根據(jù)賈堤等［10］提出的計算公式計算:

本文中α取值范圍為3～5，PLAXIS中定義E為50%強度的割線模量，Es為土的壓縮模量。

土層與隧道襯砌的材料參數(shù)見表2與表3。

表2 土體有限元計算參數(shù)取值表

表3 隧道襯砌有限元計算參數(shù)取值表

3.2.3 穿堤排水隧道有限元計算結(jié)果分析

由于土體損失量的大小直接影響到堤頂沉降，本文通過PLAXIS計算不同土體損失量下的堤頂沉降值，土體損失量為0.5%～0.8%時，堤頂各處沉降的橫向分布圖如圖3所示。

如圖3所示，隧道盾構(gòu)后，土層沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在隧道中心軸線處。土體損失量為0.5%～0.8%時，沉降最大值分別為:7.1 mm，8.2 mm，9.4 mm和10.5 mm。

4 地表沉降的控制措施

盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地面沉降的因素很多［11］，主要有:隧道覆土厚度、盾構(gòu)外徑、盾尾注漿的填充率等因素。對于某一特定的隧道工程，盾尾注漿的填充率則是影響地面沉降的關(guān)鍵因素。根據(jù)工程實踐，土體的彈性模量、盾構(gòu)推進時土倉壓力以及地下水位均對地表沉降產(chǎn)生一定的影響。

圖3 不同地層損失率下堤頂沉降曲線圖（PLAXIS法）

由于排水隧道所穿海堤為臨江一線海堤，保障著秦山核電廠的安全運行，需要采取有效的措施控制堤頂沉降值，通過分析類比類似工程，提出如下堤頂沉降控制措施:

1)采用土壓平衡模式掘進，嚴(yán)格控制出土量，確保土倉壓力工作面的穩(wěn)定，控制堤頂沉降值;2)優(yōu)化同步注漿和壁后注漿的工藝和參數(shù)，及時并極大極限充填空隙;3)采取盾構(gòu)后對土體的復(fù)注漿加固，可以減小土體次固結(jié)量;4)加強堤頂沉降和隧道的變形監(jiān)測，嚴(yán)格控制同步注漿的壓力，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時調(diào)整掘進參數(shù)并采取加固措施，確保海堤和已建成隧道的安全。

5 結(jié)語

1)盾構(gòu)施工引起的堤頂沉降受多種因素的影響，主要有隧道覆土厚度、隧道外徑、開挖面壓力、地層物理力學(xué)性質(zhì)、施工條件等，其中盾尾注漿的填充率則是影響堤頂沉降的關(guān)鍵因素;2)盾構(gòu)機通過后，隧道左右土體有靠近隧道的水平移動;土層沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在隧道中心軸線處，隧道上方的地層沉降隨深度增加而增加，在接近隧道頂端位置達到最大，在隧道下方土體出現(xiàn)向上的位移，在隧道底端達到最大;3)Peck經(jīng)驗公式和PLAXIS有限元計算結(jié)果基本吻合，得出了盾構(gòu)過程中堤頂橫向沉降的基本規(guī)律:地表沉降呈對稱分布，隧道軸線正上方地表沉降最大，向左右沉降分別逐漸減小;4)盾構(gòu)施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制出土量，采取預(yù)先注漿加固隧道上方土體、同步注漿、壁后注漿和盾構(gòu)后復(fù)注等措施來控制堤頂沉降。

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