EPB隧道掘進(jìn)對(duì)軟巖地層地表影響分析

陳 卓

(中鐵二局工程有限公司城通分公司， 四川成都 610083)

在城市隧道修建過(guò)程中，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)以其獨(dú)有的智能化、安全、快捷等特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越得到廣泛的推廣和應(yīng)用。雖然盾構(gòu)法取得了斐然成績(jī)，但此法施工不可避免地引起地表沉降。地表沉降過(guò)大時(shí)，會(huì)影響到盾構(gòu)隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用。特別是穿越城市復(fù)雜軟巖環(huán)境的隧道工程的掘進(jìn)，易造成施工進(jìn)度緩慢，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重等問(wèn)題，其許多技術(shù)難題有待解決。

周尚榮[1]分析了砂礫石地層中盾構(gòu)開(kāi)挖面壓力的平衡原理和影響因素，總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)施工土壓力的確定方法和土壓平衡狀態(tài)的建立方法以及土壓大小和地表沉降的關(guān)系;通過(guò)對(duì)同步注漿和二次注漿的分析，結(jié)合施工工藝及施工材料的選擇分析了盾尾注漿對(duì)沉降的影響以及對(duì)地表沉降更有效的控制措施。眾多學(xué)者和專(zhuān)家利用現(xiàn)場(chǎng)地表沉降的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地表沉降的曲線擬合，然后利用大型有限元對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行了三維有限元?jiǎng)討B(tài)施工模擬，分別得出了擬合沉降曲線和計(jì)算沉降曲線[2-5]。張宏博等[6]對(duì)隧道穿越建筑物樁基過(guò)程進(jìn)行研究，從變形及力學(xué)特性方面，分析隧道施工過(guò)程對(duì)樁基及隧道結(jié)構(gòu)的影響。王旭[7]利用FLAC3D數(shù)值分析軟件建立盾構(gòu)進(jìn)、出站工程模型，研究基坑開(kāi)挖、隧道掘進(jìn)以及盾構(gòu)進(jìn)、出站期間的地表隆沉變化及地應(yīng)力演化規(guī)律。

但目前關(guān)于EPB隧道掘進(jìn)對(duì)地表影響分析仍然較少，尤其是在地質(zhì)條件復(fù)雜的軟巖地層。因此，進(jìn)行土壓平衡盾構(gòu)模式掘進(jìn)對(duì)軟巖地層地表影響的研究十分必要。一方面解決隧道建設(shè)中存在的問(wèn)題，確保盾構(gòu)隧道和地表建筑物的施工安全；另一方面進(jìn)一步完善和發(fā)展隧道設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)，為確定合理的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)，最大限度地減小盾構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。

1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

本文依托工程為城際快速軌道南京南站至祿口機(jī)場(chǎng)站1號(hào)盾構(gòu)井段。區(qū)間隧道左線設(shè)計(jì)起終點(diǎn)里程為ZDK0+671.000～ZDK2+669.910，左線長(zhǎng)度為1 998.97 m；右線設(shè)計(jì)起終點(diǎn)里程為YDK0+671.000～YDK2+670.000，右線長(zhǎng)度分別為1 999 m。隧道拱頂覆土5.6～19.4 m。該段線路縱坡設(shè)計(jì)為“W”型坡，最大縱坡 7.5 ‰，坡長(zhǎng)913 m，最小豎曲線半徑R=3000 m，隧道拱頂覆土5.6～19.4 m。

區(qū)間需穿越的祿口機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀停機(jī)坪和滑行道現(xiàn)處于使用狀態(tài)，進(jìn)出港航班較多，社會(huì)影響大；且穿越距離長(zhǎng)達(dá) 370 m，穿越段施工風(fēng)險(xiǎn)較高。盾構(gòu)區(qū)間地面位置和穿越段地面情況如圖1、圖2所示。本文通過(guò)對(duì)此區(qū)間的盾構(gòu)隧道建模，來(lái)研究土壓平衡盾構(gòu)模式掘進(jìn)對(duì)軟巖地層地表的影響。

圖1 盾構(gòu)穿越祿口機(jī)場(chǎng)概貌

圖2 祿口機(jī)場(chǎng)穿越段地面情況

2 地表變形影響因素

盾構(gòu)法隧道施工引起地表變形的影響因素可歸納為：

(1)土倉(cāng)壓力。隧道掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面很難達(dá)到理想平衡狀態(tài)，土倉(cāng)內(nèi)的土壓力可能小于或大于掌子面土壓力，掌子面前方土體會(huì)產(chǎn)生下沉或隆起。

(2)同步注漿效果。由于盾殼有一定厚度和刀盤(pán)存在超挖的影響，管片在脫離盾尾時(shí)，圍巖與管片外側(cè)之間會(huì)存在一環(huán)形間隙，若沒(méi)及時(shí)跟上注漿或注漿效果不佳，圍巖將向這一間隙發(fā)生位移，而引起地表沉降

(3)出碴量管理。若出碴量大于實(shí)際開(kāi)挖量(乘以松散系數(shù)后)，或出碴成分包含有盾構(gòu)機(jī)上方地層的特性時(shí)，證明已經(jīng)出現(xiàn)超挖，很可能引起地表坍塌；反之，出碴量小于實(shí)際開(kāi)挖量，則可能引起掌子面前方地表出現(xiàn)隆起。

在施工時(shí)，上述影響因素中，土倉(cāng)壓力、出碴量可以人為控制，而盾尾間隙、土體向盾尾間隙的自然填充及注漿后漿體的分布情況對(duì)地表位移影響較大又難以確定。因此，本文采取三維有限元模擬計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)平衡壓力引起的盾構(gòu)上方的地表變形值，引入不同地層損失率來(lái)模擬盾構(gòu)注漿效果好壞和出碴量多少引起的地表變形值。

3 數(shù)值模擬分析

本文采用FLAC 3D顯式有限差分軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，模型范圍為橫向取80 m；縱向取370 m；上邊界取至地表，下邊界取至隧道底部以下30 m。除上邊界以外各邊界施加該面法線方向約束，上邊界為自由面。初始地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。管片視為彈性勻質(zhì)圓環(huán)，為體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響，引入剛度折減系數(shù)η(η<1)。模型采用殼單元模擬管片；地層視為服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性材料，；注漿層考慮為彈性材料，地層和注漿層均采用實(shí)體單元模擬。最終的計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 三維模型

各土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。在數(shù)值模擬中，土體是典型的彈塑性材料，眾多的本構(gòu)關(guān)系能表征其彈塑性，但其側(cè)重點(diǎn)皆不相同，其中Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則不僅能反映土體的抗剪、抗壓強(qiáng)度，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。準(zhǔn)則中所需土體參數(shù)φ和c通過(guò)簡(jiǎn)單試驗(yàn)即測(cè)得，因此，本文土體選用此本構(gòu)關(guān)系，表達(dá)式為：

τn=σntanφ+c

同時(shí)，通過(guò)庫(kù)侖摩擦理論在盾構(gòu)機(jī)身和周?chē)馏w上設(shè)置摩擦接觸面，來(lái)考慮盾構(gòu)盾殼與地層的相互作用，在接觸面切向設(shè)為摩擦接觸。土壓平衡盾構(gòu)工作面的穩(wěn)定主要靠土倉(cāng)壓力的支撐，土倉(cāng)壓力的大小對(duì)工作面前方土體的影響顯著，是盾構(gòu)掘進(jìn)中控制的重點(diǎn)。理論上土倉(cāng)壓力大小應(yīng)等于土體的初始側(cè)向應(yīng)力，因此，在盾構(gòu)施工中，土倉(cāng)壓力視為梯形分布荷載。

表1 各土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表

4 結(jié)果分析

4.1 土倉(cāng)壓力對(duì)地層沉降的影響分析

土倉(cāng)壓力是盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響的主要因素之一。本節(jié)僅考慮土倉(cāng)壓力對(duì)軟弱圍巖段的地表沉降影響，具體土倉(cāng)壓力值分別取 0 MPa、0.01 MPa、0.03 MPa、0.05 MPa、0.10 Mpa、0.12 MPa 等6種工況計(jì)算。圖4中為不同土倉(cāng)壓力時(shí)的地表縱向沉降曲線。

圖4 不同土倉(cāng)壓力時(shí)的縱向地表沉降曲線

由圖4可知，空倉(cāng)掘進(jìn)，即土倉(cāng)壓力為0 MPa時(shí)，在工作面前方15 m處就出現(xiàn)約為5 mm地表沉降，在工作面后方20 m以外，地表沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值約為42 mm。當(dāng)土倉(cāng)壓力為0.03 MPa時(shí)，工作面對(duì)地表沉降的影響主要集中在工作面前方10 m和后方15 m，沉降值從3 mm增加到18 mm。當(dāng)土倉(cāng)壓力為0.1 MPa時(shí)，最大地表沉降可控制在5 mm以內(nèi)，且未見(jiàn)地表隆起。當(dāng)土倉(cāng)壓力大于0.1 MPa后，地表沉降已有向上隆起趨勢(shì)。

4.2 同步注漿效果對(duì)地層沉降的影響分析

盾構(gòu)施工過(guò)程中為防止圍巖的收縮變形卡住機(jī)身或土體與機(jī)身的摩擦增大，減慢盾構(gòu)推進(jìn)速度，刀盤(pán)切削輪廓一般大于管片襯砌外輪廓，這種擴(kuò)大部分稱為超挖。超挖部分一般通過(guò)盾尾同步注漿及二次注漿來(lái)填充。一般填充難以達(dá)到理想的填充量等于超挖量，超挖與填充存在差值，稱為施工中的土體損失量。圍巖與管片之間的間隙將引起圍巖向管片收縮，最終影響傳至地表，以地表沉降的形式反應(yīng)出來(lái)。

為研究同步注漿效果對(duì)地表沉降的影響，選取注漿率分別為0 %、20 %、40 %、60 %、80 %、90 %等6種工況進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)盾構(gòu)在軟弱圍巖中掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，6種工況下的掌子面前后地表沉降規(guī)律及單洞橫向沉降槽分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同注漿率下的縱向地表沉降曲線

圖6 不同注漿率下的單洞橫向沉降槽

由圖5可知，盾構(gòu)施工引起的地表沉降范圍集中在掌子面前方10 m、后方15 m范圍之內(nèi)，且隨注漿率的增加，影響范圍減小，沉降量值減小。

具體的各個(gè)注漿率下的計(jì)算沉降值詳見(jiàn)圖6的橫向沉降槽分布。圖中顯示所有沉降槽均呈正態(tài)分布。顯然，注漿率越大(注漿效果越好)，地表沉降越小。

不同注漿率下的最大地表沉降值見(jiàn)表2。從表2中看出，在不進(jìn)行同步注漿的情況(注漿率為0)下，最大地表沉降121 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地鐵施工地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；而在注漿率超過(guò)80 %以后，最大地表沉降在14.6 mm以內(nèi)，施工風(fēng)險(xiǎn)處于可控狀態(tài)。

表2 不同注漿率下的最大地表沉降值 m

4.3 出碴量對(duì)地層沉降的影響分析

盾構(gòu)機(jī)出碴量過(guò)大或過(guò)小造成的地表變形值，難于用基于連續(xù)體假設(shè)的有限元來(lái)模擬計(jì)算。出碴量小于理論開(kāi)挖量，即進(jìn)入土倉(cāng)的碴土多于輸出量，則必然使土倉(cāng)土壓增加；出碴量大于理論開(kāi)挖量，要么土倉(cāng)壓力出現(xiàn)下降，要么盾構(gòu)前上方的土層進(jìn)入土倉(cāng)，即碴土成分包含有非盾構(gòu)機(jī)所在土層的其他成分。對(duì)于后者也可以理解為出現(xiàn)了大的地層損失，很容易引起地表塌方。

盡管出碴量對(duì)地層沉降的影響難以用數(shù)值計(jì)算模擬分析，但是對(duì)該因素的控制目標(biāo)是很明確的，盡量使出碴量等于理論開(kāi)挖量，且該因素的現(xiàn)場(chǎng)控制一直以來(lái)都是一個(gè)重難點(diǎn)。為使出碴量控制的更為合理有效，從測(cè)量管控單位長(zhǎng)度上進(jìn)行改進(jìn)：以往一般以一環(huán)管片(約1.5 m)的出渣量進(jìn)行測(cè)量核對(duì)控制，本工程中要求體積測(cè)量按每掘進(jìn)10 cm的出碴體積(填滿碴車(chē)程度)控制，基本可以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，地表沉降影響范圍在工作面前15 m，后方20 m范圍內(nèi)，隨著土倉(cāng)壓力的增加，地表沉降減小，同時(shí)掘進(jìn)對(duì)地表沉降影響范圍減小。對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)而言，當(dāng)土倉(cāng)壓力等于或略高于掌子面土壓力時(shí)，地表的變形值很小。當(dāng)土倉(cāng)壓力大于掌子面土壓力時(shí)，地表隆起值增大；反之，當(dāng)土倉(cāng)壓力小于掌子面土壓力時(shí)地表沉降值增大。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，減小地表變形的主要有效方法之一就是控制好平衡土壓。

(2)盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地表沉降范圍集中在掌子面前方10 m、后方15 m范圍之內(nèi)，且隨注漿率的增加，影響范圍減小，沉降量值減小。

(3)在出碴量方面，本工程中要求體積測(cè)量按每掘進(jìn)10 cm的出碴體積控制，基本可以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的效果。