福州地鐵1號(hào)線典型軟土的工程性質(zhì)

劉紀(jì)峰，李雄潤(rùn)，陳福星

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004；2.福建省順安建筑工程有限公司，福建 莆田351200）

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布的海相沉積淤泥和淤泥質(zhì)軟土對(duì)工程建設(shè)提出了很大挑戰(zhàn)［1－6］.軟土受施工擾動(dòng)后的長(zhǎng)期固結(jié)特性對(duì)城市地鐵重大工程建設(shè)的安全性、穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重影響和潛在威脅［7－8］.針對(duì)這一課題，國內(nèi)外采用的方法大致可分為兩大類：一是不考慮施工過程的預(yù)測(cè)方法，包括經(jīng)驗(yàn)法和理論解析法［9－10］；二是部分考慮施工過程的預(yù)測(cè)方法，包括各種數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)［11－13］.考慮施工圍巖擾動(dòng)等因素，復(fù)雜軟土層暗挖隧道引起的地層變形往往比實(shí)際預(yù)測(cè)的更為嚴(yán)重［14－15］，而目前對(duì)該難題尚缺乏深入系統(tǒng)研究.福州地鐵1號(hào)線縱貫福州市中心城區(qū)，線路全長(zhǎng)約29.24km，全部埋深20～30 m，隧道埋深范圍內(nèi)有10.2～15.0m層厚的流塑狀態(tài)的淤泥、多層飽和狀態(tài)的黏土或淤泥質(zhì)黏土，地下水位埋深2.10～3.60m.上部土層存在的厚度較大的高壓縮性飽和軟土，將對(duì)盾構(gòu)隧道施工環(huán)境控制構(gòu)成較大挑戰(zhàn).控制不好，極易導(dǎo)致城市生命線工程損害事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響.本文為探索解決該問題，對(duì)福州地鐵1號(hào)線典型軟土的工程特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬，分析典型軟土長(zhǎng)期固結(jié)效應(yīng)對(duì)環(huán)境影響.

1 典型軟土的物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 掃描電子顯微鏡微細(xì)觀試驗(yàn)

考慮到主要影響地鐵沉降的土層為淤泥③1，故電子顯微鏡（SEM）試驗(yàn)及X射線衍射試驗(yàn)僅針對(duì)該層.在福州地鐵1號(hào)線始發(fā)井基坑，采用薄壁取土器深取淤泥③1的典型軟土試樣，將其風(fēng)干到一定程度，并加工成5～8mm見方的小塊.將小塊放入干燥箱完全干燥后，送試驗(yàn)室檢測(cè).20件土樣品均在低真空模式原始狀態(tài)通過放大500～5 000倍觀察表面微觀形貌.測(cè)試儀器為EVO 18型高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（德國卡爾蔡公司），其主要技術(shù)參數(shù)為：3.0nm＠30kV，2.0nm＠30kV，4.5nm＠30kV的分辨率；0.2～30kV的加速電壓；5～100萬倍的放大倍數(shù)；10～400Pa的壓力范圍；X射線；8.5mm AWD；35°出射角.受篇幅限制，取成像較好具有代表性的＃6樣品，放大不同倍數(shù)，SEM測(cè)試結(jié)果，如圖1所示.

圖1 典型軟土SEM圖像Fig.1 SEM image of typical soft soil

由圖1可以看出：福州地鐵1號(hào)線典型軟土主要是由團(tuán)聚狀顆粒組成，顆粒間有較大孔隙，在飽和狀態(tài)下受盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)，孔隙中水不能短時(shí)間內(nèi)排出，產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力；伴隨著超孔隙水壓力的消散，軟土將產(chǎn)生較大的次固結(jié)變形，應(yīng)在隧道施工和地鐵運(yùn)營時(shí)充分考慮這一問題.另外，從不同放大倍數(shù)的6號(hào)樣品SEM檢測(cè)結(jié)果來看，該類軟土結(jié)構(gòu)具有一定的自相似特征，可借助分形理論研究其孔隙分形分維數(shù)和力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系［15－17］.

1.2 X射線衍射分析試驗(yàn)

福州地鐵1號(hào)線典型軟土的部分X射線衍射分析結(jié)果，如圖2所示.由圖2可知：試樣1，2的衍射峰基本一致，衍射強(qiáng)度也基本相同，說明試樣1，2所表現(xiàn)的物質(zhì)的機(jī)構(gòu)基本相同，或者可以認(rèn)代表同一組分物質(zhì).對(duì)比SY／T 6210－1996《沉積巖中粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線衍射定量分析方法》［18］附錄A2常見礦物的X射線衍射圖譜，可知試樣1，2包含石英成分，這和SEM試驗(yàn)結(jié)果是一致的，從試樣的SEM圖像上也可以看到石英晶體.

圖2 典型軟土XRD分析Fig.2 XRD analysis of typical soft soil

1.3 工程性質(zhì)試驗(yàn)

根據(jù)GB 50307－1999《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》、GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）、JGJ 83－1991《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、JGJ 89－1992《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和GB／T 50123－1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，針對(duì)福州地鐵1號(hào)線某始發(fā)井不同土層特性，分別采用靜壓法和錘擊法取用質(zhì)量等級(jí)為I～I(xiàn)I級(jí)的原狀土樣.通過室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目和一定數(shù)量的三軸固結(jié)不排水（CU）試驗(yàn)、三軸不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)和固結(jié)回彈試驗(yàn)，得出典型軟土的工程性質(zhì)，如表1所示.表1中：γ表示重度；C表示固結(jié)快剪黏聚力；φ固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角；CU表示三軸UU黏聚力；φU／表示三軸UU內(nèi)摩擦角；CCU表示CU黏聚力；φCU三軸CU表示內(nèi)摩擦角；C′表示CU黏聚力；φ′U表示三軸CU內(nèi)摩擦角.

表2中：w為水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；γ為重度；e為孔隙比；WL為液限；WP為塑限；KV為滲透系數(shù)；KH為滲透系數(shù)；α0.1～0.2為壓縮系數(shù)；ES0.1～0.2為壓縮模量；qu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；St為靈敏度；①為固結(jié)快剪指標(biāo)；②為未標(biāo)明滲透系數(shù)；③為未測(cè)定指標(biāo).由表2可知：對(duì)比其他地區(qū)的軟土工程性質(zhì)，福州地鐵1號(hào)線③1淤泥具有較高的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、較低的重度、較大的孔隙比和液限、較小的滲透系數(shù)，黏聚力和內(nèi)摩擦角（在對(duì)比的5個(gè)地區(qū)中，上述指標(biāo)僅好于深圳軟土的），同時(shí)具有較大的壓縮系數(shù)、較小的壓縮模量和較高的靈敏度.相對(duì)而言，整體上工程性質(zhì)較差.

表1 試驗(yàn)實(shí)測(cè)典型軟土的工程性質(zhì)表Tab.1 Experimental engineering properties of typical soft soils

福州地鐵1號(hào)線典型軟土和其他地區(qū)軟土的工程性質(zhì)對(duì)比，如表2所示［3－6］.

表2 不同地區(qū)軟土工程性質(zhì)對(duì)比Tab.2 Comparison of engineering properties among soft soils in different areas

2 長(zhǎng)期固結(jié)效應(yīng)

2.1 數(shù)值模型概述

數(shù)值模擬軟件采用大型商業(yè)有限元軟件ABAQUS 6.11－2版本［19］.雙線隧道線間距為12.5m；隧道內(nèi)徑為6.2m；隧道埋深20m；盾構(gòu)面支護(hù)壓力為125kPa；盾尾注漿壓力為0.2MPa；土與管片的摩擦系數(shù)0.2；地下水埋深3.3m［7－12，20］.建模原則：取一半對(duì)稱雙線隧道建模，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間；三維模型考慮隧道開挖的施工過程引起地表移動(dòng)的時(shí)空效應(yīng)問題；基于福州地鐵1號(hào)線某區(qū)間隧道巖土工程勘察報(bào)告結(jié)果，土層厚度、力學(xué)參數(shù)和地下水位的選取，如表3所示；考慮地下水的影響，按照地下水位和水壓影響的水土合算計(jì)算初始地應(yīng)力；考慮盾構(gòu)施工過程的同步注漿和壁后注漿對(duì)圍巖的加固作用，管片及注漿體和圍巖共同承載，管片厚350mm，彈性模量30GPa.

模型尺寸長(zhǎng)×寬×厚為80m×40m×60m，滿足邊界條件，建模完成后共有85 034個(gè)C3D8R單元，91 078節(jié)點(diǎn).對(duì)③1～⑤1盾構(gòu)施工擾動(dòng)比較明顯的軟土層，用Cap Creep模型模擬蠕變效應(yīng)導(dǎo)致的次固結(jié)沉降.綜合考慮施工和運(yùn)營前期的軟土沉降和數(shù)值模擬運(yùn)算時(shí)間問題，模擬時(shí)間選擇2年2個(gè)月，即800d.

表3 土體的物理力學(xué)性質(zhì)Tab.3 Physical and mechanical properties of soft soil

表3中：ρ為密度，土體密度按該層土試樣測(cè)試結(jié)果較大值選取，以充分考慮自身質(zhì)量影響；PV為體積模量；PJ為剪切模量；m為層厚.

ABAQUS中的地應(yīng)力平衡通過特殊方法進(jìn)行處理.首先，進(jìn)行重力載荷作用下的變形分析，得到土體的沉降和應(yīng)力分布；其次，再將上述計(jì)算的結(jié)果作為初始狀態(tài)施加到模型上，進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析.施加重力計(jì)算，即可得到在重力作用的下的應(yīng)力分布和沉降.通過此種方法，可以很精確地得到任何土質(zhì)的初始地應(yīng)力平衡狀態(tài).初始地應(yīng)力平衡結(jié)果，如圖3所示.

基于初始地應(yīng)力平衡的狀態(tài)，模擬后續(xù)的開挖過程，開挖為20m，每掘進(jìn)1m作為一個(gè)分析步.利用變化模型功能控制管片的添加以及土體的開挖過程.在初始地應(yīng)力平衡中，將所有管片都?xì)⑺?，然后在開挖過程中激活；在開挖過程中，將土體殺死.土體與管片考慮為有限滑移，摩擦系數(shù)為0.2.利用ABAQUS中獨(dú)有的壓力穿透功能，將0.2MPa的注漿壓力施加于管片和土體上，將125kPa的支護(hù)壓力施加在支護(hù)面上.

圖3 數(shù)值模型初始應(yīng)力平衡結(jié)果Fig.3 Initial stress balance result of numerical model

2.2 分析結(jié)果

圖4為沉降歷時(shí)800d的土體沉降云圖，由圖4可以得到以下3點(diǎn)結(jié)論.

1）典型軟土地層中盾構(gòu)隧道開挖地層沉降具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，距盾構(gòu)隧道開挖面的距離越長(zhǎng)、盾構(gòu)上方土體固結(jié)時(shí)間越久，地層沉降越大.

2）受土體開挖卸荷和施工擾動(dòng)多因素影響，管片安裝完成后，隧道底部圍巖隆起，最大隆起值達(dá)24.5mm，隧道上方圍巖沉降，800d的最大沉降值達(dá)－18.6mm.

3）較近距離的雙線盾構(gòu)隧道，受沉降槽疊加影響，地表最大沉降發(fā)生在雙線隧道之間的部位，ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果與類似工程實(shí)測(cè)結(jié)果一致［9－10］.

隧道開挖20m后，沉降歷時(shí)800d的管片應(yīng)力，如圖5所示，由圖5可知：隧道開挖完成后，上下左右4個(gè)方位的管片受力較大，上下左右45°方位的管片受力較小，這與類似工程實(shí)測(cè)結(jié)果吻合［21］.

圖4 隧道開挖800d后地層沉降云圖Fig.4 Ground settlement counter of 800dafter tunnel excavation

圖5 隧道開挖800d后隧道管片應(yīng)力圖Fig.5 Tunnel segments stress counter of 800dafter tunnel excavation

盾構(gòu)隧道開挖20m后，沉降歷時(shí)800d的隧道頂部和雙線隧道中間地表兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線，如圖6所示.圖6中：1為隧道頂部地表沉降曲線；2為雙線隧道中間地表沉降曲線.由圖6可知：隧道頂部地表沉降達(dá)－15.3mm，雙線隧道中間地表沉降達(dá)－18.6mm，歷時(shí)800d，但兩測(cè)點(diǎn)的沉降并沒有完全收斂，說明該類軟土受施工擾動(dòng)后，將存在較長(zhǎng)時(shí)期的次固結(jié)沉降，次固結(jié)沉降值較大且不均勻，容易在地鐵隧道投入運(yùn)行之后，造成周邊建（構(gòu)）筑物沉降開裂、隧道自身開裂滲水.與福州地鐵1號(hào)線工程地質(zhì)條件類似的上海地鐵，已經(jīng)遇到了類似問題.因此，在隧道施工和投入運(yùn)營之后，要充分考慮該類軟土的工程特性及其可能造成的破壞，采取針對(duì)性的措施加以預(yù)防.

圖6 不同測(cè)點(diǎn)在隧道開挖800d后的沉降曲線Fig.6 Surveying points settlement curves after 800dtunnel excavation

3 結(jié)論

分別采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射分析、室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)和ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析方法，從不同方面研究了福州地鐵1號(hào)線埋深范圍內(nèi)存在的較厚層典型軟土的工程性質(zhì)及其施工擾動(dòng)后對(duì)地層環(huán)境的影響.通過研究，可以得出如下3點(diǎn)結(jié)論.

1）福州地鐵1號(hào)線埋深范圍內(nèi)存在的較厚的③1淤泥，由含有較大孔隙的微團(tuán)聚顆粒組成，試樣包含石英成分，試樣的不同放大倍數(shù)圖像具有一定的自相似特征.對(duì)比其他地區(qū)軟土，③1淤泥水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、孔隙比、液限、壓縮系數(shù)和靈敏度較高，重度、滲透系數(shù)、壓縮模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角較小，工程性質(zhì)較差，如不采取加固措施，施工和運(yùn)營階段對(duì)該層的擾動(dòng)將造成其長(zhǎng)期次固結(jié)沉降，危及工程安全.

2）盾構(gòu)隧道開挖具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，管片安裝完成后，隧道底部圍巖最大隆起值達(dá)24.5mm，隧道上方圍巖最大沉降值達(dá)－18.6mm，地表最大沉降發(fā)生在雙線隧道中間部位；上下左右4個(gè)方位的管片受力較大，上下左右45°方位的管片受力較小，數(shù)值模擬結(jié)果符合工程實(shí)際.

3）沉降歷時(shí)超過26個(gè)月，但相關(guān)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降并沒有完全收斂，說明該類軟土受施工擾動(dòng)后，將存在較長(zhǎng)時(shí)期數(shù)值較大且不均勻的次固結(jié)沉降，容易引起周邊建（構(gòu)）筑物損害和隧道管片自身開裂滲水之類的工程問題.因此，應(yīng)在盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營各環(huán)節(jié)采取針對(duì)性的措施加以預(yù)防，確保工程安全.

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