瘦西湖超大直徑盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境影響分析

戴洪偉

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250014)

0 引言

城市地下空間的開發(fā)成為21世紀(jì)城市的發(fā)展趨勢，地下工程施工技術(shù)及施工引起的周邊建筑物與環(huán)境的變化成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。盾構(gòu)作為一種新型的地下工程施工方法，隨著其施工技術(shù)的不斷完善，在地下工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

在盾構(gòu)施工過程中，不可避免地對周邊土體造成擾動，國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方式，已經(jīng)對盾構(gòu)隧道施工造成的受力與變形問題做了大量研究。

Peck［1］在1969年通過研究提出了隧道施工中地表沉降的變化規(guī)律，并提出了沉降經(jīng)驗計算公式;楊洪杰等［2］在軟土、砂土和砂礫土層中進行盾構(gòu)模型的掘進試驗，研究了試驗?zāi)Ｐ椭車翂毫ψ兓偷侗P開口率變化對密封艙內(nèi)外土壓力的影響，提出土壓平衡盾構(gòu)土艙與開挖面間存在壓力差;張社榮等［3］通過三維數(shù)值模擬，研究軟土盾構(gòu)施工對環(huán)境的影響;黃潤秋等［4］、盧瑾［5］、張云等［6］研究了地鐵盾構(gòu)隧道施工對周邊環(huán)境的影響，提出地表沉降的主要原因是擾動和降水。

現(xiàn)場實測方面:J.Wongsaroj等［7－8］通過現(xiàn)場實測的方式，研究了倫敦地鐵施工中土體長期變形規(guī)律;R.Standing等［9］通過對倫敦軟土地區(qū)盾構(gòu)施工引起的地表變形進行現(xiàn)場實測，總結(jié)地表沉降在隧道縱向和橫斷面2個方向的變化規(guī)律;徐永福等［10］對上海外灘觀光隧道進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析了地表沉降情況和土體應(yīng)力變化狀態(tài)，并提出應(yīng)力擾動度的概念;敖日汗等［11］對盾構(gòu)區(qū)間隧道施工誘發(fā)的周圍土體孔隙水壓力重分布情況進行了研究，并進一步分析了由此誘發(fā)的固結(jié)沉降情況;袁大軍等［12］對φ14.93 m泥水盾構(gòu)施工的隧道進行現(xiàn)場監(jiān)測，研究了盾構(gòu)施工對土體的擾動機制、規(guī)律和范圍。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)施工對土體的擾動機制和規(guī)律已經(jīng)進行了大量研究，但是對于小曲率曲線盾構(gòu)隧道施工對土體的擾動和變形機制研究報道較少。本文通過采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法，研究曲線盾構(gòu)隧道施工造成的土體變形機制，對比分析隧道2層土體受力與變形的差異性。

1 工程背景

1.1 工程概況

揚州瘦西湖隧道工程下穿揚州市重要風(fēng)景區(qū)和多個文物保護建筑，該項目的建成對瘦西湖東西兩側(cè)的交通帶來便利，同時可以成為聯(lián)系西區(qū)與東部新城的東西向重要通道之一。該隧道西自維揚路與楊柳青路的交叉口，東至漕河西路與史可法路的交叉口，含瘦西湖隧道及瘦西湖東西兩側(cè)的地面接線道路配套工程，包括主體隧道工程、附屬工程、機電設(shè)備工程、匝道工程及地面接線道路工程。工程全長5 352.55 m，其中主線隧道全長約2.64 km，盾構(gòu)段全長1 275 m，單管雙層設(shè)計，設(shè)計時速為60 km/h，采用一臺直徑為14.93 m的泥水盾構(gòu)掘進施工。其中盾構(gòu)段在距湖西工作接收井約48.52 m時，進入曲線盾構(gòu)區(qū)段，圓弧曲率半徑約為700 m。瘦西湖隧道工程位置示意如圖1所示。曲線盾構(gòu)隧道平面圖如圖2所示。

隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用單管雙層方式，隧道管片內(nèi)徑為13.3 m，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)分上下2層，上層為由東向西行車路面，下層為由西向東行車路面，結(jié)構(gòu)下層采用預(yù)制箱涵π型件，上層采用立柱+縱梁+現(xiàn)澆混凝土車道板結(jié)構(gòu)，上下行車道寬度均為7 m。針對洞內(nèi)結(jié)構(gòu)特點本工法采用下層預(yù)制π型件，上層采用移動臺車現(xiàn)澆行車道板。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意圖Fig.1 Layout of Slender West Lake Crossing Tunnel

圖2 曲線盾構(gòu)隧道平面圖Fig.2 Plan of curved shield-bored tunnel

1.2 地層概況

根據(jù)區(qū)域資料，揚州瘦西湖隧道及接線工程為同一地貌單元，主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積砂土、黏性土，為本工程引道段和明挖段穿越地層。沿線第四系上更新統(tǒng)土層為本隧道工程主要穿越地層。本隧道下伏地層主要為白堊系浦口組泥質(zhì)砂巖，埋深55 m左右。隧道工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示。揚州瘦西湖隧道地層土體參數(shù)如圖4所示。

2 現(xiàn)場監(jiān)控量測

2.1 測點布設(shè)

在盾構(gòu)掘進時于隧道沿線布設(shè)監(jiān)測點，進行現(xiàn)場監(jiān)測。對土體的觀測項目主要有地表沉降、土體分層沉降、土體水平位移等。測點斷面圖如圖5所示。監(jiān)測平面圖(3#—6#斷面)如圖6所示。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 地表沉降

隨著盾構(gòu)掘進，隧道上方地表發(fā)生沉降位移，地表沉降變形曲線如圖7所示。

由3#斷面可以看出，隧道上方中線點DB3－0測點沉降量最大，達到－14.25 mm，而兩側(cè)的測點沉降量則小很多。但幾乎所有測點都表現(xiàn)出了一種變化規(guī)律:在4月10日之前，沉降量都比較小，約為1 mm，10—13日沉降量增大，但速率較小，屬于第1階段，此階段主要進行盾構(gòu)掘進開挖;在13—16日，掘進開挖后方，沉降量突然增大，而且沉降速率也增大，屬于第2階段;在4月19日進行了二次補漿，在此之后曲線基本上呈現(xiàn)平緩的變化，地表沉降量趨于穩(wěn)定，屬于第3階段。

圖3 揚州瘦西湖隧道底層剖面圖Fig.3 Profile showing geological conditions of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

圖4 揚州瘦西湖隧道地層土體參數(shù)Fig.4 Parameters of ground of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

圖53#橫斷面測點布設(shè)圖(單位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points of No.3 cross-section(cm)

圖6 監(jiān)測平面圖Fig.6 Plan of mornitoring points

圖7 地表沉降歷程曲線Fig.7 Curves of time-dependent ground surface settlement

從各階段的劃分可以看出，在隧道開挖盾構(gòu)切口到達時，地表呈現(xiàn)緩慢隆沉，變形量較小，變形緩慢，這是因正面土體受擠壓而向上隆起以及孔隙水壓力增加引起的，此時總應(yīng)力和孔隙水壓力增加。隨著盾構(gòu)推進，盾構(gòu)通過的過程中，地表開始快速沉降，沉降速率較大，沉降量也較大。盾構(gòu)通過時的沉降，是由于土體擾動和盾構(gòu)與土體之間的剪切帶動引起的，為土體應(yīng)力釋放的過程。在盾尾脫出時，地表會繼續(xù)發(fā)生沉降，沉降速率減小，沉降量減小，此時為盾尾空隙沉降，是土體脫離盾構(gòu)支撐后應(yīng)力釋放引起的。

選取3個橫斷面地表沉降穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行處理，繪出地表沉降槽曲線圖，如圖8所示。從圖8可以看出，盾構(gòu)施工引起的地表沉降影響范圍約為2倍隧道埋深，隧道中線位置附近沉降最大，最大沉降量略小于0.5%倍的隧道埋深。

2.2.2 土體分層沉降

盾構(gòu)掘進時，隧道周邊土體會因擾動產(chǎn)生沉降，就土體本身而言，每一層土體呈現(xiàn)不同的沉降規(guī)律。土體分層沉降如圖9所示。

從圖9可以看出，隧道周邊土體呈現(xiàn)沉降和回彈2種不同的變形規(guī)律。在橫斷面上，越靠近隧道，土體分層沉降值越大，距隧道越遠，分層沉降越小。產(chǎn)生分層沉降的主要原因是盾構(gòu)在施工中，對土體產(chǎn)生擾動，盾構(gòu)刀盤直徑大于盾構(gòu)機殼直徑，掘進過程中刀盤后方產(chǎn)生土體損失造成的沉降。分層沉降最大值出現(xiàn)在距隧道最近的觀測點的地表層，最大沉降約為0.03%倍隧道埋深。

圖8 不同橫斷面地表沉降槽對比Fig.8 Comparison and contrast among ground surface settlement troughs at different cross-sections

圖9 分層沉降曲線Fig.9 Curves of layered settlement

2.2.3 土體水平位移

2.2.3.1 縱向水平位移

為獲取盾構(gòu)頂進過程中盾構(gòu)刀盤前方土體沿隧道方向變形的規(guī)律，選取3#斷面，布設(shè)土體深層水平位移測點，盾構(gòu)過程中獲得數(shù)據(jù)如圖10所示。

從圖10可以看出，在盾構(gòu)施工過程中，隧道前方土體隨著盾構(gòu)推進會沿著隧道方向產(chǎn)生向前的水平位移。其中，盾構(gòu)刀盤位置水平位移較大，向地表逐漸減小。但由于盾構(gòu)隧道埋深較淺，地表土體均會產(chǎn)生向前移動的位移。在同一橫斷面上，越靠近隧道中線，縱向水平位移越大。

2.2.3.2 橫向水平位移

見圖11。

圖10 土體縱向水平位移Fig.10 Curves of horizontal displacement of ground in longitudinal direction

圖11 橫向水平位移Fig.11 Curves of horizontal displacement of ground in transverse direction

從圖11可以看出，在盾構(gòu)工作期間盾構(gòu)外側(cè)土體受擠壓效應(yīng)較為明顯，離盾構(gòu)越近的測點橫向水平位移越大，擠壓范圍越集中，且集中在盾構(gòu)附近區(qū)域。如測點CX04(離盾構(gòu)外邊緣1 m)土體受擠壓區(qū)域位于深度－10～－28 m處。最大水平位移位于深度－18 m處，其值約為0.05%倍隧道埋深。測點CX05(離盾構(gòu)外邊緣約6 m)與CX06(離盾構(gòu)外邊緣約11 m)監(jiān)測深度范圍內(nèi)土體均處于受擠壓狀態(tài)，最大水平位移分別位于深度－17 m和－18 m處，其值均小于0.01%。由此可知，隨著離盾構(gòu)越來越遠，擠壓范圍在擴散，擠壓效應(yīng)在減弱。

3 有限元分析

現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)受埋設(shè)方法和現(xiàn)場工況的限制可能出現(xiàn)一定的誤差，為更好地從理論上論證盾構(gòu)施工引起的土體變形，利用三維有限元軟件FLAC 3D，采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，對施工過程土體變形進行模擬分析。

3.1 模型建立

隧道采用泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道開挖直徑為14.93 m，盾構(gòu)機頭長10 m，盾構(gòu)刀盤外徑比盾構(gòu)機殼外徑大2 cm，管片寬2 m，厚60 cm。地基土自上而下依次為雜填土(0 ～1.8m)、粉質(zhì)黏土(1 ～2.1 m)、黏土(6 m以下)。隧道埋深15 m，分析區(qū)域豎向深50 m，寬200 m，沿隧道縱向長350 m，共77 487個單元，14 415個節(jié)點。曲線盾構(gòu)隧道模型如圖12所示。地層參數(shù)如表1所示。

圖12 曲線盾構(gòu)隧道模型Fig.12 Model of curved shield-bored tunnel

表1 模型中采用的地層參數(shù)表Table 1 Ground parameters used in the model

3.2計算結(jié)果分析

通過模擬提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到地表沉降和土體深層水平位移計算結(jié)果，繪制變形數(shù)據(jù)曲線，如圖13和圖14所示。

圖13 地表沉降模擬結(jié)果與實測對比Fig.13 Comparison and contrast between simulated ground surface settlement and measured ground surface settlement

3.2.1 地表沉降

選取地表沉降穩(wěn)定之后的數(shù)據(jù)，從圖13可以看出，在隧道中線兩側(cè)，與實測數(shù)據(jù)相比，沉降槽左右不對稱性比實測數(shù)據(jù)更加明顯，但變形規(guī)律相似。

圖14 土體水平位移模擬結(jié)果與實測對比Fig.14 Comparison and contrast between simulated ground horizontal settlement and measured ground horizontal settlement

3.2.2 深層水平位移

圖14對比分析了隧道兩側(cè)土體在隧道掘進過程中的水平位移，模擬結(jié)果呈現(xiàn)與實測相似的變形規(guī)律，最大位移發(fā)生在地表以下－17 m左右的位置，模擬最大測斜稍小于實測值。

4 結(jié)論與建議

1)隧道正上方的地表沉降最大，隨著隧道掘進，地表沉降在盾構(gòu)的切口到達時緩慢隆沉、盾構(gòu)通過時快速沉降、盾尾脫出時趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)推進時，土體產(chǎn)生縱向和橫向2個方向的水平位移，沿隧道方向，土體產(chǎn)生向掘進方向的位移。橫斷面上，土體水平位移在隧道掘進方向曲線內(nèi)側(cè)變形量小于外側(cè)變形量。

2)在已發(fā)表的研究文獻中，研究對象多為直線盾構(gòu)隧道，本文對曲線盾構(gòu)隧道的研究成果對相關(guān)工程具有一定指導(dǎo)作用。

3)研究過程中獲得了大量實測數(shù)據(jù)，但對其他工程能起直接指導(dǎo)作用的參數(shù)間經(jīng)驗公式模型，尚未建立。下階段將對曲線盾構(gòu)施工造成的周邊土體變形進行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建進行研究。

4)針對曲線盾構(gòu)施工造成的周邊土體變形在隧道兩側(cè)的差異性，在工程中應(yīng)采取不同的措施，以防對周邊土體或構(gòu)筑物造成損害。

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