軟土地層中盾構(gòu)施工參數(shù)對地表沉降的影響研究

陳自海， 楊建輝， 郭小東， 管亞君

(1. 浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州　310051； 2. 浙江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州　310023)

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軟土地層中盾構(gòu)施工參數(shù)對地表沉降的影響研究

陳自海1， 楊建輝2， 郭小東2， 管亞君2

(1. 浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州310051； 2. 浙江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州310023)

摘要：為了解決軟土地層中盾構(gòu)隧道施工參數(shù)對地表沉降的影響問題，通過對杭州某地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工進(jìn)行監(jiān)測，分析軟土地層地表沉降的一般規(guī)律，結(jié)合該區(qū)間盾構(gòu)隧道施工，采用ABAQUS有限元軟件分析了注漿壓力、漿液彈性模量、土艙壓力等因素對地表沉降的影響。研究表明： 土艙壓力對地表沉降影響最大，注漿壓力次之，漿液彈性模量的影響最小。地表沉降由土體塌陷沉降和土體固結(jié)沉降2部分組成，在盾構(gòu)試掘進(jìn)階段對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，能較好地控制地表沉降。

關(guān)鍵詞：地鐵； 盾構(gòu)隧道； 地表沉降； 注漿壓力； 漿液彈性模量； 土艙壓力； 軟土地層

0引言

地表沉降問題是目前盾構(gòu)施工中存在的最基本、最重要的問題，國內(nèi)學(xué)者對這個問題做了大量的研究工作，并取得了一些成果。王國才等[1]采用三維有限元軟件分析了軟土地層中隧道地表沉降沿橫向、縱向分布隨盾構(gòu)推進(jìn)的變化規(guī)律；韓日美等[2]從土艙壓力對地表沉降的影響進(jìn)行了研究，得出當(dāng)土艙壓力處于超平衡狀態(tài)時,地表隆起值增大,地表沉降值減小,且沉降減小量遠(yuǎn)大于隆起增加量；張恒等[3]研究了注漿壓力、注漿量對地表沉降的影響，但未對漿液彈性模量進(jìn)行研究；孫闖等[4]研究了盾構(gòu)壁后注漿壓力對地表沉降的影響，指出當(dāng)注漿壓力在0．2～0.3 MPa時，地表變形量可以得到有效控制；萬戰(zhàn)勝等[5]研究了注漿長期強(qiáng)度和注漿漿液時間變化對地表沉降的影響，研究表明漿液長期強(qiáng)度對地表沉降的影響在開挖后30 d內(nèi)不如早期強(qiáng)度明顯，之后長期強(qiáng)度對后續(xù)沉降的影響逐漸顯現(xiàn)；顏波等[6]通過現(xiàn)場施工監(jiān)控和信息化施工手段，得到了盾構(gòu)區(qū)間施工的最優(yōu)施工參數(shù)，并提出了控制地表沉降的可行技術(shù)工藝；林存剛等[7]認(rèn)為適當(dāng)提高注漿壓力可降低地面總沉降量；紀(jì)梅等[8]、肖龍鴿等[9]、武凡等[10]、何國軍[11]對大斷面、大直徑盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行了研究，指出大斷面、大直徑盾構(gòu)施工會引起較明顯的地表位移；李曙光等[12]、張社榮等[13]分析了隧道埋深、地下水、土體特性等多種因素在盾構(gòu)法隧道施工中對地表沉降的影響；牟亞洲[14]、張吉宏[15]分別對砂卵石地層、古土壤地層中盾構(gòu)施工對地表沉降的影響進(jìn)行了研究；齊濤等[16]提出了一種預(yù)測盾構(gòu)掘進(jìn)引起地表沉降的方法，工程實際表明該方法實用有效。

以上各種研究手段繁多，成果也較豐富，但關(guān)于盾構(gòu)施工參數(shù)監(jiān)測和優(yōu)化方面的研究并不充分，且關(guān)于土艙壓力、注漿壓力、漿液彈性模量等因素對地表沉降的影響規(guī)律，以及這些因素對地表沉降的影響能力的研究還不夠深入。本文從這些因素出發(fā)，通過實例監(jiān)測與ABAQUS有限元軟件相結(jié)合的手段，研究施工參數(shù)對地表沉降的影響規(guī)律。

1工程實例監(jiān)測與分析

1.1工程概況

杭州某地鐵隧道下行線樁號XDK9+439.502～XDK10+620.482，全長1 171.581 m單線延米。隧道管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，寬1.2 m，埋深9～14 m。場地淺表層為厚1～2 m的填土，其下為厚度約16 m左右的粉土和粉砂層。埋深18 m左右以下為厚度達(dá)20 m左右的高壓縮性流塑狀淤泥質(zhì)土或灰色粉質(zhì)黏土，局部夾粉砂，再下部為含礫粉砂和圓礫層。場區(qū)淺部地下水屬松散巖類孔隙潛水，主要賦存于上部填土層及粉土、砂土層中。本場區(qū)潛水靜止水位一般在深0.9～2.0 m，高程4.35～5.76 m，局部位于解放河橋臺附近的Z3-Q08-29、Z3-Q08-29、D3-Q08-33等孔，水位埋深較深(3.00～4.60 m)。潛水水位一般隨季節(jié)性變化，年水位變幅約1.0～2.0 m。

1.2監(jiān)測方法

地表橫向沉降監(jiān)測點每隔20 m布置1個監(jiān)測斷面，每個橫斷面上布置9～11個測點，測點以隧道拱頂為中心，呈對稱布置。地表縱向沉降每隔5 m布置1個監(jiān)測點，測點設(shè)在隧道拱頂相應(yīng)地表處。試掘進(jìn)段長度為100 m，橫向監(jiān)測斷面編號為DM45～DM40，縱向監(jiān)測點編號為X232～X212。正常掘進(jìn)段橫向監(jiān)測斷面編號為DM39～DM6，監(jiān)測斷面DM43對應(yīng)樁號為XDK9+481.04，中心測點編號為X224,監(jiān)測斷面DM35對應(yīng)樁號為XDK9+641.04，中心測點編號為X182,這2個斷面中心布置了土體分層沉降儀，具體監(jiān)測圖如圖1所示。

盾構(gòu)通過各監(jiān)測斷面時的施工參數(shù)如表1所示。

監(jiān)測斷面DM43的中心點為X224，監(jiān)測斷面DM35的中心點為X182，DM43中心點X224處及DM43中心點X182處布設(shè)有分層沉降儀。

圖1監(jiān)測布置圖

Fig. 1Layout of monitoring points

表1盾構(gòu)通過相應(yīng)斷面時的施工參數(shù)

Table 1Construction parameters of shield when passing corresponding monitoring cross-sections

監(jiān)測斷面注漿壓力/MPa注漿漿液土艙壓力/MPaDM440.15惰性単液漿0.15DM430.2惰性単液漿0.15DM420.2惰性単液漿0.2DM350.2惰性単液漿0.2

1.3監(jiān)測結(jié)果與分析

監(jiān)測斷面DM43中心點X224及DM35中心點X182處地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可以看出，測點X224在盾構(gòu)開挖面前方5～10 m區(qū)間時，隧道軸線上方地表發(fā)生隆起，0～5 m區(qū)間時發(fā)生明顯沉降，測點X182則表現(xiàn)為發(fā)生沉降。當(dāng)盾構(gòu)通過及離開監(jiān)測斷面時，2個監(jiān)測點的地表都發(fā)生了沉降，并在距離開挖面5～25 m時急劇沉降，此階段測點X224的沉降變化量約為9 mm，測點X182的沉降變化量約為11 mm，均達(dá)到總沉降量的50%以上。主要原因是由于管片脫離盾尾，注漿不及時、不飽滿，盾尾空隙的存在而引起地表塌陷沉降。測點距離開挖面25～40 m以上時，地表沉降趨于緩慢，此階段主要是由于土層固結(jié)沉降而引起。由此可得，盾構(gòu)施工引起的地表沉降包含土體塌陷沉降和土體固結(jié)沉降2部分，土體塌陷沉降是主要部分，土體固結(jié)沉降是次要部分。

對比試掘進(jìn)段與正常掘進(jìn)段沉降曲線可知，監(jiān)測點X182的沉降量比監(jiān)測點X224的沉降量小，原因是監(jiān)測點X182處的土艙壓力比監(jiān)測點X224處大，其對掌子面及上方土體起到支護(hù)作用，阻礙了土體沉降。這表明在試掘進(jìn)階段對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，能夠減小地表沉降。

監(jiān)測斷面DM44、DM43與DM42橫向地表沉降如圖3—5所示。

圖2　監(jiān)測點X224與X182地表沉降實測曲線

Fig. 2Curves of ground surface settlement measured at monitoring points X224 and X182

圖3　斷面DM44橫向地表沉降曲線

Fig. 3Curves of lateral ground surface settlement at monitoring cross-section DM44

圖4　斷面DM43橫向地表沉降曲線

Fig. 4Curves of lateral ground surface settlement at monitoring cross-section DM43

圖5　斷面DM42橫向地表沉降曲線

Fig. 5Curves of lateral ground surface settlement at monitoring cross-section DM42

從圖3可以看出，當(dāng)開挖面離開監(jiān)測斷面的距離由5 m變?yōu)?0 m時，沉降差值較大，這與測點X224、X182沉降大致相符。由圖4和圖5可以看出： 當(dāng)盾構(gòu)接近監(jiān)測橫斷面時，地表微隆起，該階段曲線與傳統(tǒng)Peck曲線有所差異；當(dāng)盾構(gòu)通過或離開監(jiān)測斷面時，地表發(fā)生沉降，且沉降曲線大致符合Peck沉降曲線；距隧道軸線水平距離約13 m范圍內(nèi)的地表沉降較為明顯，形成清晰的沉降槽，此范圍約等于隧道埋深。

因在試掘進(jìn)階段盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面前后一段時間內(nèi)各施工參數(shù)保持相對穩(wěn)定，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，DM44、DM43、DM42的最大沉降量分別為22.28、18.84、17.76 mm。對比DM43、DM43與DM42 3個橫斷面的沉降曲線可知，DM44橫斷面沉降變化量最大，這與盾構(gòu)通過該斷面時的施工參數(shù)密切相關(guān)。

根據(jù)分層沉降儀監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制點X224處地表及地下各土層沉降曲線，如圖6所示。由圖6可知： 當(dāng)盾構(gòu)開挖面接近監(jiān)測點時，監(jiān)測點地下各土層發(fā)生隆起，且深度越大，隆起越大；當(dāng)開挖面通過測點時，各土層沉降量變化不大；當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測點時，各土層沉降較大，且深度越大，沉降曲線傾斜度越大。這表明離隧道越近，土層受擾動越大，其沉降也越大，同時，這一沉降規(guī)律也表明了土體材料是非理想彈性材料。

圖6　X224處相應(yīng)地層沉降曲線

2ABAQUS有限元數(shù)值模擬

2.1有限元模型的建立

將土體模型取為半對稱結(jié)構(gòu)，模型長(沿隧道縱向)42 m，寬30 m，高42 m，土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，單元類型為三維實體8節(jié)點單元(c3d8r)，單元數(shù)目為17 045個。本文對土壓力采用水土合算處理，各土層參數(shù)見表2。土體模型以水平向右為x軸(u1方向)正方向，沿隧道軸線開挖方向為y軸(u2方向)負(fù)方向，垂直土體表面向下的方向為z軸(u3方向)正方向。模型的邊界條件為： 正面背面u2=0，左右邊界u1=0，底部邊界固定。隧道埋深12 m，盾構(gòu)開挖直徑6.34 m，無超挖。

為了研究注漿壓力、漿液彈性模量、土艙壓力對地表沉降的影響，設(shè)計工況如表3所示。工況A2是基準(zhǔn)工況，即采用工程實例中施工參數(shù)的折算值。表3中，工況A1、A2、A3、A4組合是將等效注漿壓力作為變量，工況B1、A2、B2、B3組合是將漿液彈性模量作為變量，工況C1、A2、C2、C3組合是將土艙壓力作為變量，來分別研究其對地表沉降的影響。

表2　各土層參數(shù)表

表3　模擬工況設(shè)計

地應(yīng)力平衡后的三維模型如圖7所示。為了盡可能減小邊界條件的影響，在各種工況中只把距離始發(fā)端20 m的斷面作為研究斷面來模擬DM35。

圖7　地應(yīng)力平衡后土體應(yīng)力云圖

盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面DM35前后一段時間內(nèi)的施工參數(shù)與工況A2相同，故提取工況A2條件下距離始發(fā)端20 m處斷面沉降數(shù)據(jù)及曲線。有限元模型為半對稱結(jié)構(gòu)，采用全對稱結(jié)構(gòu)的模擬值與監(jiān)測斷面DM35實測值進(jìn)行對比，如圖8所示。由圖8可知，實測曲線與模擬曲線重合度較好，兩者基本符合，模擬最大沉降值為14.65 mm，略小于實測值16.32 mm。

圖8　DM35實測曲線與模擬曲線圖

Fig. 8Comparison and contrast between measured settlement and simulated settlement

2.2注漿壓力的影響

沉降曲線出現(xiàn)半沉降槽形，與Peck沉降槽基本相符。地表沉降與注漿壓力的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，4種工況下，隨著注漿壓力的增大(A1～A4注漿壓力依次增大)，地表沉降減小，最大地表沉降由16.19 mm減小為11.15 mm，變化量為5.04 mm。

圖9　地表沉降與注漿壓力關(guān)系圖

Fig. 9Correlation between ground surface settlement and grouting pressure

圖10為工況A2(等效注漿壓力p=0.035 MPa)和工況A4(等效注漿壓力p=0.055 MPa)模擬斷面DM35處土體位移云圖。由圖10可以看出，注漿壓力越大，地表沉降越小，沉降區(qū)域也越小。

2.3漿液彈性模量的影響

地表沉降與漿液彈性模量的關(guān)系如圖11所示。由圖11可知，隨著漿液彈性模量的增大，地表沉降減小，4種工況下，最大沉降值由15.53 mm減小為12.16 mm，變化量為3.37 mm。

與圖9對比可知，當(dāng)注漿壓力變化時，沉降變化量較大，而當(dāng)漿液彈性模量變化時，沉降變化量則較小，說明注漿壓力對地表沉降影響更明顯。

圖10　不同注漿壓力下土層位移云圖

Fig. 10Contour of ground displacement under different grouting pressures

圖11　地表沉降與漿液彈性模量關(guān)系圖

Fig. 11Correlation between ground surface settlement and grout elastic modulus

2.4土艙壓力的影響

地表沉降與土艙壓力的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知，隨著土艙壓力的增大，地表沉降減小，且在工況C3(土艙壓力為0.3 MPa)時，地表已經(jīng)隆起，軸線處最大隆起量為4.10 mm，4種工況下的最大沉降量為19.64 mm，沉降變化量為23.74 mm，遠(yuǎn)大于之前2種因素引起的變化量。

對比圖9、圖11和圖12可知，土艙壓力變化時，沉降曲線波動振幅最大，范圍最廣，說明土艙壓力對地表沉降的影響最大，注漿壓力次之，漿液彈性模量的影響最小。

圖12　地表沉降與土艙壓力關(guān)系圖

Fig. 12Correlation between ground surface settlement and excavation chamber pressure

3結(jié)論與討論

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)施工中的地表沉降由土體塌陷沉降和土體固結(jié)沉降2部分組成，其中土體塌陷沉降為主要部分，土體固結(jié)沉降為次要部分。建議在管片脫離盾尾前后一段時間內(nèi)加強(qiáng)對注漿量及注漿壓力的動態(tài)控制，以便有效控制地表沉降。

2)在試掘進(jìn)階段對盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，能較好地控制地表沉降。

3)隨著注漿壓力、漿液彈性模量、土艙壓力的增大，地表沉降均減小，土艙壓力對地表沉降的影響最大，注漿壓力次之，漿液彈性模量的影響最小。

本文在數(shù)值模擬過程中對注漿壓力進(jìn)行了等效化處理，等效注漿壓力的計算及其能否準(zhǔn)確反映實際注漿壓力效果值得進(jìn)一步研究。

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Study on Influence of Soft Ground Shield Tunneling Parameters on

Ground Surface Settlement

CHEN Zihai1, YANG Jianhui2, GUO Xiaodong2, GUAN Yajun2

(1.ZhejiangProvincialInstituteofTransportationEngineeringConstructionGroup,Hangzhou310051,Zhejiang,

China; 2.ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou310023,Zhejiang,China)

Abstract:The rule of ground surface settlement caused by shield tunneling in soft strata is analyzed, with a shield-bored running tunnel of Hangzhou Metro as example. The influence of grouting pressure, grout elastic modulus and excavation chamber pressure on the ground surface settlement is analyzed by ABAQUS. The results show that the excavation chamber pressure has the largest influence on the ground surface settlement, the grouting pressure comes the second, and the grout elastic modulus comes the third. The ground surface settlement consists of settlement induced by ground collapse and that induced by ground consolidation. The ground surface settlement can be effectively controlled if the tunneling parameters can be adjusted and optimized in the trial boring stage.

Keywords:Metro; shield tunneling; ground surface settlement; grouting pressure; elasticity modulus of grout; excavation chamber pressure; weak strata

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1281-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.008

作者簡介：第一 陳自海(1987—)，男，湖南吉首人，2013年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事隧道工程、橋梁等相關(guān)領(lǐng)域的施工與研究工作。

收稿日期：2014-10-08; 修回日期: 2015-07-30