杭州地區(qū)某盾構(gòu)區(qū)間施工地表變形預(yù)測參數(shù)的分析與確定

趙 軍

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州公司，浙江杭州 300133)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工因具有對周邊環(huán)境影響小、施工進(jìn)度快、安全等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于城市地鐵、電力等隧道施工中。雖然盾構(gòu)施工技術(shù)日漸成熟，但由于施工技術(shù)和土體性質(zhì)的特點(diǎn)，盾構(gòu)施工難免會引起地層移動和地表變形［1］。當(dāng)?shù)乇碜冃芜^大時，會導(dǎo)致周邊建(構(gòu))筑傾斜、倒塌，因此，必須對地表變形進(jìn)行可靠的預(yù)測才能有效控制地表變形。

國內(nèi)外對盾構(gòu)施工引起的地表變形進(jìn)行了大量的分析研究。Peck［2］通過大量工程監(jiān)測資料進(jìn)行反分析，提出隧道施工引起的地表沉降槽可以用高斯分布擬合，采用地層損失率估算地表變形。這個公式在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，成為研究盾構(gòu)施工引起地表變形的經(jīng)典公式。Attewell等［3］和 Rankin［4］總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)方法，提出了新的地表沉降槽經(jīng)驗(yàn)公式，并認(rèn)為對于一個確定的工程，地表變形取決于地層損失率(Vl)和沉降槽寬度系數(shù)(K)。地層損失率以及寬度系數(shù)決定沉降的大小，寬度系數(shù)還決定沉降槽的形狀。韓煊等［5］從Peck公式是基于實(shí)測資料提出的經(jīng)驗(yàn)公式出發(fā)，通過對已有工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對Peck公式在我國的適應(yīng)性進(jìn)行研究，并得出相關(guān)地區(qū)計(jì)算參數(shù)參考取值。劉招偉等［6］、李曙光等［7］等通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)了地表變形的影響范圍和影響因素。于寧等［8］、姜忻良等［9］分別采用不同數(shù)值方法對盾構(gòu)施工的動態(tài)過程進(jìn)行模擬，并對其引起的地表變形進(jìn)行分析。朱忠隆等［10］將土體視為隨機(jī)介質(zhì)，通過隨機(jī)預(yù)測法對盾構(gòu)施工引起的土體損失進(jìn)行預(yù)測。

隨著盾構(gòu)法隧道應(yīng)用的推廣，盾構(gòu)施工引起的地表沉降的預(yù)測越來越受到重視，國內(nèi)外對地表沉降的預(yù)測研究主要是建立襯砌環(huán)－土體－盾構(gòu)相互作用的三維有限元模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從而對地表沉降的影響參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算過程中沒有考慮盾構(gòu)姿態(tài)對地表沉降的影響。

杭州地鐵2號線某盾構(gòu)區(qū)間在施工過程中出現(xiàn)盾構(gòu)上浮、地表沉降無法有效控制的狀況。本文從該盾構(gòu)區(qū)間實(shí)際施工過程出發(fā)，考慮盾構(gòu)姿態(tài)對地表沉降的影響，建立盾構(gòu)隧道上浮和盾構(gòu)隧道水平2種工況下，考慮盾構(gòu)、土體和襯砌環(huán)相互作用的有限元計(jì)算模型，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算中分別采用不同的地層損失率，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果以及Peck經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比分析，得出杭州地鐵盾構(gòu)隧道不同工況下施工引起地表變形的地層損失率這一重要參數(shù)，為今后施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

杭州地鐵2號線某盾構(gòu)區(qū)間位于杭州市蕭山區(qū)，隧道埋深10.0～16.4 m，采用2臺土壓平衡盾構(gòu)施工，穿越主要土層為③52砂質(zhì)粉土、③61砂質(zhì)粉土夾粉砂、③7砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥2淤泥質(zhì)黏土。其中，③層為粉性土和砂性土，性質(zhì)為稍密－中密，⑥層為流塑狀飽和軟黏土，這2層土各占盾構(gòu)掘進(jìn)高度范圍的一半左右。

1.2 工程設(shè)計(jì)概況

本工程圓形區(qū)間隧道外徑φ6 200 mm，內(nèi)徑φ5 500 mm，管片厚度350 mm，管片寬度1 200 mm，采用預(yù)制鋼筋混凝土管片錯縫拼裝，混凝土強(qiáng)度等級為C50，抗?jié)B等級為S10，襯砌全環(huán)由1個封頂塊、2個鄰接塊及3個標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)成。管片環(huán)與環(huán)之間用16根M30的縱向螺栓相連接，沿圓周均勻布置，每環(huán)管片塊與塊之間以12根M30的環(huán)向螺栓連接。襯砌環(huán)面設(shè)凹凸榫，單環(huán)管片縱縫間不設(shè)凹凸榫，設(shè)置定位棒。接縫防水由擋水條與EPDM彈性橡膠密封墊組成雙道防水。

2 三維模型的建立

2.1 模型邊界的確定

三維建模通過地層應(yīng)力釋放系數(shù)來控制地層損失率，采用六面體單元對土體進(jìn)行劃分，采用Midas GTS建立三維有限元模型進(jìn)行模擬。隧道頂部埋深16 m，模型尺寸為長50 m，寬24 m，高37.5 m，隧道沿推進(jìn)方向分為20環(huán)。土體的側(cè)面都約束了水平位移，底面約束了豎向位移，千斤頂?shù)耐屏σ约泻奢d的形式施加于襯砌環(huán)節(jié)點(diǎn)上，每個節(jié)點(diǎn)數(shù)值相同，節(jié)點(diǎn)為22個，千斤頂集中荷載之和等于掘進(jìn)過程中設(shè)定的土壓力與盾構(gòu)刀盤面積乘積。

模擬分為2組，第1組研究隧道水平掘進(jìn)時的地表沉降規(guī)律，選取盾構(gòu)區(qū)間上行線160～180環(huán);第2組研究隧道掘進(jìn)過程中逐漸上浮時的地表沉降規(guī)律，選取盾構(gòu)區(qū)間上行線398～418環(huán)。其中，第2組計(jì)算過程中，結(jié)束位置比開始位置上抬了0.2 m，即每環(huán)隧道上升0.01 m。2組總體模型和隧道模型見圖1和圖2。

圖2 第2組模型網(wǎng)格圖(上浮姿態(tài))Fig.2 Finite element model 2:Floating-upward posture

2.2 模型參數(shù)選取

模型中地層從上到下分為7層，摩爾－庫侖模型參數(shù)見表1。其中，隧道位于砂質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)黏土土層中，上硬下軟。

2.3 施加荷載

1)施工模擬中只考慮了掘進(jìn)面推力、注漿壓力、千斤頂推力等主要荷載，對于刀盤的切削力、盾殼與土體之間的摩擦力等次要的力沒有考慮。掘進(jìn)面推力取230 kPa，注漿壓力取0.3 MPa，硬化后注漿層彈性模量取30 MPa。

表1 土層力學(xué)性能參數(shù)表Table 1 Parameters of soil strata

2)模型中土體用的是摩爾－庫侖模型，該模型回彈模量等于彈性模量。

3)模型沒有考慮地面荷載的影響，故計(jì)算結(jié)果比實(shí)測結(jié)果偏小。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果修正

3.1 工況1:盾尾地層損失率為1%，正常姿態(tài)

3.1.1 橫向沉降計(jì)算結(jié)果

當(dāng)?shù)貙訐p失率為1%時，隧道開挖完成后模型總體豎向位移如圖3所示，地表豎向位移如圖4所示。

圖3 模型總體豎向位移圖(工況1)(單位:m)Fig.3 Overall vertical displacement(Case 1)(m)

取隧道推進(jìn)初始位置處橫向沉降數(shù)據(jù)，繪制隨隧道推進(jìn)過程沉降的變化圖，如圖5所示。從圖4和圖5可以看出，沿隧道軸線位置處地層沉降最大，其中，最大值位于初始掘進(jìn)位置處，約為6.9 mm。

圖5中橫坐標(biāo)為距離隧道軸線的水平距離，即0點(diǎn)處為隧道軸線上方地表的位置，25 m處為模型右邊界處地表的位置，單位為m;豎坐標(biāo)為地表沉降量，單位為mm。

從計(jì)算結(jié)果看，地表邊緣出現(xiàn)了隆起，不符合實(shí)際情況。這是因?yàn)橛?jì)算所采用的摩爾－庫侖模型不能反映土的硬化性質(zhì)，即摩爾－庫侖模型中土的回彈模量與彈性模量取值相同。隧道開挖卸載會引起下臥土層的回彈，但模型計(jì)算得出的隆起值因?yàn)椴捎脧椥阅Ａ坑?jì)算，會比實(shí)際工程中的隆起值略大。

圖4 地表豎向位移圖(工況1)(單位:m)Fig.4 Vertical ground surface settlement(Case 1)(m)

圖5 隧道推進(jìn)初始位置橫向地表沉降圖(工況1)Fig.5 Lateral ground surface settlement at starting position(Case 1)

這里考慮對地表沉降進(jìn)行修正，即認(rèn)為地表隆起是由于土體過量的回彈引起的，將得出的沉降值全部減去推進(jìn)結(jié)束時地表的最大隆起值2.1 mm進(jìn)行修正，修正后地表邊緣不會出現(xiàn)隆起。修正后的隧道推進(jìn)初始位置地表橫斷面沉降如圖6所示。

圖6 修正后隧道推進(jìn)初始位置橫向地表沉降圖(工況1)Fig.6 Revised lateral ground surface settlement at starting position(Case 1)

3.1.2 縱向沉降計(jì)算結(jié)果

取隧道軸線位置處地表沉降數(shù)據(jù)，繪制隨隧道推進(jìn)過程沉降的變化圖，如圖7所示。

圖7 隧道軸線位置縱向地表沉降圖(工況1)Fig.7 Longitudinal ground surface settlement along the tunnel axis(Case 1)

圖7 中橫坐標(biāo)為距離隧道起始位置的水平距離，即0點(diǎn)處為隧道起始位置，24 m處為隧道結(jié)束位置，單位為m;豎坐標(biāo)為地表沉降量，單位為mm。修正后地表縱向沉降如圖8所示。

圖8 修正后隧道軸線位置縱向地表沉降圖(工況1)Fig.8 Revised longitudinal ground surface settlement along the tunnel axis(Case 1)

從圖8可以看出，初始開挖時，開挖處地表產(chǎn)生明顯的沉降，掘進(jìn)面前方的土體卻產(chǎn)生相對隆起，這可能是因?yàn)榫蜻M(jìn)面推力較大，引起前方土體的擠壓造成的。另外一部分隆起可能是地層卸載引起的回彈。

施工剛結(jié)束時，結(jié)束位置的地表沉降小于起始位置的地表沉降，這是由于地層損失引起的沉降被之前的掘進(jìn)面推力引起的隆起抵消了一部分，并且由于只模擬了20步開挖過程，第20環(huán)注漿層硬化之后整個施工過程模擬就結(jié)束了;因此，隧道開挖結(jié)束位置的土體位移及應(yīng)力可能還沒有完全釋放。

3.2 工況2:盾尾地層損失率為3%，正常姿態(tài)

3.2.1 橫向沉降計(jì)算結(jié)果

修正后地表橫向沉降如圖9所示，修正方法同上，修正數(shù)值為每次計(jì)算由土體過量回彈引起的數(shù)值。

圖9 修正后隧道推進(jìn)初始位置橫向地表沉降圖(工況2)Fig.9 Revised lateral ground surface settlement at starting position(Case 2)

從圖9和圖6可以看出，當(dāng)?shù)貙訐p失率為3%時，修正后的地表最大沉降量達(dá)到21.2 mm。與第1種工況結(jié)構(gòu)對比可以看出，地表的沉降量與地層損失率近似成線性關(guān)系。這可能是因?yàn)樗淼郎细餐镣列暂^好，且隧道埋深較深，形成了土拱效應(yīng)，減小了地面沉降量。

3.2.2 縱向沉降計(jì)算結(jié)果

修正后地表縱向沉降如圖10所示，修正方法同上。

圖10 修正后隧道軸線位置縱向地表沉降圖(工況2)Fig.10 Revised longitudinal ground surface settlement along the tunnel axis(Case 2)

對比圖10與圖8可以看出，隧道軸線處地表縱向沉降曲線與地層損失率為1%時基本相似。不同的是，在隧道開挖后期，結(jié)束位置的地表沉降量也比較大，但比起始位置略小。這是因?yàn)樵诘貙訐p失率較大的情況下，掘進(jìn)面推力引起的地層隆起量不足以補(bǔ)償?shù)貙訐p失引起的沉降量。

3.3 工況3:盾尾地層損失率為1%，盾構(gòu)上浮

3.3.1 橫向沉降計(jì)算結(jié)果

修正后地表橫向沉降如圖11所示，修正方法同上。對比圖11和圖6可以看出，隧道起始位置軸線處地表沉降量增加了0.4 mm。這是因?yàn)樗淼乐饾u上浮，與地表的距離逐漸縮小，引起的地面沉降就會逐漸增大;但是，由于本次分析設(shè)置的隧道上浮量不大，在20環(huán)的范圍內(nèi)僅上升0.2 m，故對隧道推進(jìn)初始位置的地面影響不是非常明顯。

圖11 修正后隧道推進(jìn)初始位置橫向地表沉降圖(工況3)Fig.11 Revised lateral ground surface settlement at starting position(Case 3)

3.3.2 縱向沉降計(jì)算結(jié)果

修正后地表縱向沉降如圖12所示，修正方法同上。

圖12 修正后隧道軸線位置縱向地表沉降圖(工況3)Fig.12 Revised longitudinal ground surface settlement along the tunnel axis(Case 3)

對比圖12和圖8可以看出，隧道軸線處地表縱向沉降曲線與地層損失率為1%時基本相似。不同的是，在隧道開挖后期，結(jié)束位置的地表沉降量也比較大，但比起始位置略小。這是因?yàn)樵诙軜?gòu)隧道上浮的情況下，土拱效應(yīng)減弱，地表沉降變化速率更大。

3.4 工況4:盾尾地層損失率為3%，盾構(gòu)上浮

3.4.1 橫向沉降計(jì)算結(jié)果

修正后地表橫向沉降如圖13所示，修正方法同上。對比圖13和圖11可以看出，當(dāng)?shù)貙訐p失率為3%時，修正后的地表最大沉降量達(dá)到22.7 mm，地表的沉降量隨地層損失率的增大而增大，但并不是理想的線性關(guān)系。這可能是因?yàn)樗淼郎细餐镣列暂^好，且隧道埋深較深，形成了土拱效應(yīng)，減小了地面沉降量。

圖13 修正后隧道推進(jìn)初始位置橫向地表沉降圖(工況4)Fig.13 Revised lateral ground surface settlement at starting position(Case 4)

3.4.2 縱向沉降計(jì)算結(jié)果

修正后地表縱向沉降如圖14所示，修正方法同上。

圖14 修正后隧道軸線位置縱向地表沉降圖(工況4)Fig.14 Revised longitudinal ground surface settlement along the tunnel axis(Case 4)

從圖14可以看出，隧道軸線處地表縱向沉降曲線與地層損失率為1%時相似，規(guī)律同上。在施工結(jié)束時，隧道推進(jìn)結(jié)束位置軸線處地表沉降為22.7 mm，直線工況該位置沉降為21.2 mm，相差1.5 mm?？梢钥闯?，在隧道結(jié)束位置處，隧道上浮推進(jìn)工況的地表沉降明顯大于隧道水平推進(jìn)工況。這是因?yàn)樵撎幩淼赖穆裆钭顪\，其上覆土土拱效應(yīng)最弱，從而引起的地表沉降也最大。

對比圖14和圖10、圖13和圖9可以看出，隧道推進(jìn)結(jié)束位置軸線處地表沉降為22.7 mm，直線工況該位置沉降為21.2 mm，相差1.5 mm。工況3和工況1地層損失率為1%，沉降差為0.4 mm，相對盾構(gòu)隧道上浮而言，地層損失率對地表沉降影響較大。

4 數(shù)值模擬結(jié)果、實(shí)測結(jié)果與Peck經(jīng)驗(yàn)公式對比分析

4.1 第1組模型Peck公式計(jì)算結(jié)果

DM9(監(jiān)測點(diǎn)S39)斷面隧道埋深約16 m，隧道主要穿越③61粉砂夾砂質(zhì)粉土、③7黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和⑥2淤泥質(zhì)黏土層，根據(jù)Peck公式計(jì)算可得:

當(dāng)?shù)貙訐p失率為1%時，

當(dāng)?shù)貙訐p失率為3%時，

式中:x為計(jì)算點(diǎn)距離隧道中心線的水平距離，m;S(x)為對應(yīng)x處地表沉降，mm。

4.2 第1組模型橫向地表沉降分析

在數(shù)值模擬計(jì)算中，地層損失率分別取1%、3%，將GTS模擬結(jié)果、現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)以及Peck公式計(jì)算結(jié)果共同繪制于圖15中。

圖15 DM9(監(jiān)測點(diǎn)S39)斷面最終沉降Fig.15 Final ground surface settlement at DM9 cross-section(at monitoring point S39)

對比以上數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測和Peck公式的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):

1)隧道水平時地表沉降控制較好，最大地表沉降為13 mm左右，滿足施工要求;

2)盾構(gòu)水平掘進(jìn)施工引起的橫向地表沉降主要發(fā)生在以隧道中心線為中心兩側(cè)3倍隧道直徑的范圍內(nèi);

3)實(shí)測地表沉降與地層損失率為1%時的Peck沉降曲線較吻合。

4.3 第2組模型Peck公式計(jì)算結(jié)果

第2組計(jì)算模型和第1組計(jì)算模型的埋深、土層參數(shù)等大致相同，Peck公式計(jì)算結(jié)果與3.1相同。計(jì)算中分別取V1=1%、V1=1.9%、V1=3.0%，其中，當(dāng)V1=1.9%時，S(x)=23.78exp(－0.0046x2)

4.4 第2組模型橫向地表沉降分析

數(shù)值模擬計(jì)算中，地層損失率分別取1%、3%，將GTS模擬結(jié)果、現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)以及Peck公式計(jì)算結(jié)果共同繪制于圖16中。

圖16 DM20(監(jiān)測點(diǎn)S92)斷面最終沉降Fig.16 Final ground surface settlement at DM20 cross-section(at monitoring point S92)

對比以上數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測和理論公式的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):

1)當(dāng)隧道上浮掘進(jìn)時，地表沉降較大，最大地表沉降為23 mm左右，已接近警戒值(25 mm)，在施工中需要引起注意，控制地層變形;

2)盾構(gòu)隧道上浮掘進(jìn)施工引起的橫向地表沉降仍主要發(fā)生在3倍左右隧道直徑的范圍內(nèi);

3)該工況下的地層損失率大于1%，與地層損失率為1.9%時的Peck沉降曲線較為吻合。

4.5 第1組模型縱向沉降

縱向沉降觀測點(diǎn)取上行線軸線沉降觀測點(diǎn)S39～S44，監(jiān)測點(diǎn)每5 m一個，監(jiān)測點(diǎn)S39位于監(jiān)測斷面DM9處，將實(shí)測結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果共同繪制于圖17中。

圖17 S39～S44測點(diǎn)處最終縱向地表沉降Fig.17 Final longitudinal ground surface settlement from monitoring point S39 to monitoring point S44

對比有限元模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隧道軸線上方地表經(jīng)歷了一個先隆起后沉降的過程，最大地表沉降約為13 mm，在直線掘進(jìn)的工況下，地層損失率接近1%。

4.6 第2組模型縱向沉降

縱向沉降觀測點(diǎn)取上行線軸線沉降觀測點(diǎn)S92～S97，監(jiān)測點(diǎn)每5 m一個，監(jiān)測點(diǎn)S92位于監(jiān)測斷面DM20處，將實(shí)測結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果共同繪制圖18中。

圖18 S92～S97測點(diǎn)處最終縱向地表沉降Fig.18 Final longitudinal ground surface settlement from monitoring point S92 to monitoring point S97

與第1組工況相同，當(dāng)隧道上浮掘進(jìn)時，隧道軸線上方地表也是先隆起后沉降;但是，最大地表沉降約為20 mm，接近直線掘進(jìn)工況的2倍，地層損失率大于1%，為1% ～3%，計(jì)算結(jié)果與橫向地表沉降計(jì)算的地層損失率(V1=1.9%)相符。

5 結(jié)論與討論

通過建立不同工況下的盾構(gòu)隧道模型，對盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表變形進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中取不同的地層損失率，并將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值以及Peck公式相對比，得出如下結(jié)論。

1)杭州地區(qū)某盾構(gòu)區(qū)間實(shí)測數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算數(shù)據(jù)都可以較好地采用高斯分布擬合。盾構(gòu)法隧道施工引起的地表橫向沉降主要發(fā)生在以盾構(gòu)隧道軸線為中心兩側(cè)各3倍直徑范圍內(nèi)，一般先隆起后沉降。

2)地表沉降隨著地層損失率增大而增大，但不呈線性關(guān)系，主要是由于土拱效應(yīng)的影響。

3)盾構(gòu)上浮段地表沉降明顯增大，施工過程中需嚴(yán)格控制盾構(gòu)上浮量和盾構(gòu)姿態(tài)，主要控制措施包括:調(diào)節(jié)千斤頂?shù)姆謪^(qū)油壓進(jìn)而改變千斤頂?shù)耐屏Ψ植?，增加或減少管片超前量，改善渣土土性等。

4)參照杭州地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起地表變形的實(shí)測參數(shù)，得出了正常工況下該盾構(gòu)區(qū)間地表沉降預(yù)測的地層損失率為1% ～3%，盾構(gòu)水平時，V1=1%;盾構(gòu)上浮時，V1=1.9%。其他地區(qū)在實(shí)測資料較完整的情況下，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，可以利用本文的研究方法對地表沉降進(jìn)行預(yù)測。

5)盾構(gòu)施工引起地表沉降的影響因素較多，本文中尚未考慮土艙壓力、同步注漿流量、同步注漿壓力和漿液硬化時間對地表沉降的影響，這些有待于今后進(jìn)一步研究和討論。

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