埋深對(duì)盾構(gòu)超挖地表沉降影響的模型試驗(yàn)

黃趙美 ，曹廣勇 ，李秉坤 ，馬海軍

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230601；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引言

盾構(gòu)施工作為目前城市軌道交通建設(shè)最主要的一種施工方法，有工期短和交通影響小的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，其弊端是盾構(gòu)機(jī)超挖導(dǎo)致土體損失，引發(fā)地表沉降，且地表沉降值[3]是盾構(gòu)法施工的安全控制指標(biāo)之一。為探究盾構(gòu)超挖對(duì)地表沉降的變化規(guī)律[4-8]，首先采用石英砂模擬盾構(gòu)超挖對(duì)地表沉降規(guī)律的研究，主要因?yàn)樯巴镰h(huán)境中盾構(gòu)隧道施工的理論和模型試驗(yàn)有較多的資料查閱。魏綱[9]通過假設(shè)兩圓相切的土體損失模型，通過設(shè)立移動(dòng)焦點(diǎn)參數(shù)和坐標(biāo)系，建立了包括了park模型和Loganathan模型在內(nèi)的統(tǒng)一土體移動(dòng)模型，鄭剛[10-11]基于室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)分別研究了砂土超和補(bǔ)償?shù)牡穆〕燎€變化規(guī)律；針對(duì)黃土和軟土等特殊土質(zhì)的盾構(gòu)超挖引起地表沉降方面有較多的工程項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[12-13]，盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用較為成熟。但是在盾構(gòu)室內(nèi)模型試驗(yàn)方面的研究相對(duì)較少，從模型試驗(yàn)方面探究盾構(gòu)施工隧道埋深位置、土體超挖量與地表沉降之間的關(guān)系，對(duì)改善盾構(gòu)施工方法有理論意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過控制隧道管和橡膠模間的水量，可以獲得不同埋深位置和不同土體損失率情況下隧道中心點(diǎn)地表沉降值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要有砂土實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)，二維模型隧道，激光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和注排水系統(tǒng)。

1.1 砂土實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)

砂箱實(shí)物如圖1所示，砂箱尺寸為1.5 m×0.8 m×0.7 m，用砂量約為0.72 m3，砂箱尺寸是根據(jù)peck公式對(duì)砂土地表沉降槽形狀預(yù)測(cè)范圍制定的，使砂土地表沉降在激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)范圍內(nèi)。砂箱兩面為有刻度的透明玻璃，便于觀察砂土平面高度。

1.2 二維模型隧道和注排水系統(tǒng)

二維模型隧道如圖2和圖3所示，由聚氯乙烯材料制成硬質(zhì)空心管(長(zhǎng)350 mm，直徑100 mm)，模型隧道直徑依據(jù)盾構(gòu)機(jī)按1:60比例設(shè)計(jì)。表面刻寬3 mm、高3 mm的v形螺旋刻槽和平行于隧道方向?qū)? mm、高3 mm的直角u型的刻槽，主要作用起到注水和排水的暢通性，保證實(shí)驗(yàn)在較大埋深的情況下能夠順利模擬實(shí)驗(yàn)；兩端則各有一注排水孔。通過控制一端注排水的體積模擬盾構(gòu)施工過程中注漿補(bǔ)償量和超挖土體量。

1.3 激光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用型號(hào)HG-C1000微型激光位移傳感器，其量程范圍在100 mm±35 mm內(nèi)，重復(fù)精度在70 μm。激光位移器位置如圖4所示。

圖1 砂箱實(shí)物圖

圖2 隧道模型示意圖(單位mm)

圖3 隧道模型實(shí)物圖

圖4 砂土試驗(yàn)箱及激光位移器布置示意圖(單位mm)

2 實(shí)驗(yàn)概述

模型實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行三次，隧道模型埋深位置分別為1D(D表示隧道模型的直徑，D=100 mm)、2D和3D。

2.1 砂土、隧道鋪設(shè)及激光位置設(shè)置

砂箱填鋪，將砂在10 cm高度均勻填入箱內(nèi)，每填筑10 cm，平整一次砂平面；填筑至隧道平面，將隧道放到設(shè)計(jì)位置，再填入砂土直至設(shè)計(jì)高度。激光位移計(jì)采用對(duì)稱布置，共計(jì)17個(gè)。隧道中心到左右20 cm范圍每間隔5 cm設(shè)置一個(gè)激光位移計(jì)，緊接向外每隔10 cm設(shè)置一個(gè)激光位移計(jì)，砂平面監(jiān)測(cè)范圍為120 cm。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

將隧道管與膜之間注入12%隧道模型體積的水，靜置24 h，再次整平砂平面，進(jìn)行超挖數(shù)據(jù)采集。一次排出2%的隧道體積的水(47.1 ml)表示本次模擬實(shí)際超挖土體2%的隧道模型體積，亦是后面所提到的土體損失率，排水5分鐘后，記錄砂平面的數(shù)據(jù)，累計(jì)六次排水和六次記錄砂平面數(shù)據(jù)依次進(jìn)行，可以獲得土體超挖分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%的六組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。三次試驗(yàn)共計(jì)可以獲得18組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 地表中心沉降規(guī)律分析

地表中心點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)如表1所示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬合，擬合的二次曲線方程及相關(guān)度如公式(1)所示。

從表1、公式(1)和圖5可以得到一下結(jié)論:

(1)相同土體損失率，中心點(diǎn)沉降值隨著埋深位置的增大而減??；在最大土體損失率為12%情況下，隨著隧道管埋深位置從1D至3D，隧道正上方地表中心點(diǎn)沉降值從5.86 mm降低至3.55 mm；

(2)Δ1-2(表示同一土體損失率下埋深1D的地表中心點(diǎn)沉降絕對(duì)值與埋深2D的地表中心點(diǎn)沉降絕對(duì)值的差值)大于Δ2-3(表示同一土體損失率下埋深2D的地表中心點(diǎn)沉降絕對(duì)值與埋深3D的地表中心點(diǎn)沉降絕對(duì)值的差值)；從土體損失率2%到12%，Δ1-2值在0.77 mm-1.79 mm范圍內(nèi)；從土體損失率2%到12%，，Δ2-3在-0.04 mm-0.76 mm并逐漸增加，且Δ2-3在土體損失率4%以內(nèi)很小。

(3)隧道管同一埋深情況下，地表中心點(diǎn)沉降絕對(duì)值隨著土體損失率的增加而增加，其數(shù)值增大的趨勢(shì)逐步變緩表示同一埋深位置，x+2%的中心點(diǎn)沉降值與x的中心點(diǎn)沉降值的差值，x取值為2%、4%、6%、8%和10%；在1D埋深位置下的值在1.33 mm-0.54 mm范圍內(nèi)，基本滿足逐漸減小的趨勢(shì)；在2D埋深位置下，的值從0.88 mm減小至0.26 mm；在3D埋深位置下的值在1 mm-0.03 mm范圍內(nèi)，基本呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；

(4)1D、2D和3D埋深中心點(diǎn)沉降值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的二次曲線擬合方程和相關(guān)度如公式(1)所示，可以表述出砂土損失率和地表中心點(diǎn)沉降值的關(guān)系，且三個(gè)擬合方程的相對(duì)應(yīng)位置的系數(shù)在數(shù)值和符號(hào)具有較高相似性；

針對(duì)上面的結(jié)論分析，埋深與中心點(diǎn)沉降值的反向關(guān)系，主要是因?yàn)橥馏w損失相同情況下，埋深較淺的沉降槽寬度系數(shù)小，導(dǎo)致中心點(diǎn)沉降值反而大；中心點(diǎn)沉降值隨土體損失率的增加而增大且趨勢(shì)變緩，主要是因?yàn)槌两挡蹖挾扔烧儗?，?duì)沉降槽的豎向的影響效果減弱。

表1 不同埋深地表中心點(diǎn)沉降值

y表示沉降值，R表示二次曲線擬合的相關(guān)度，下標(biāo)1、2、3表示隧道模型的埋深位置。

圖5 土體損失率和地表中心點(diǎn)沉降值得擬合曲線

3.2 地表沉降范圍規(guī)律分析

圖6是隧道管埋深分別為1D、2D和3D的不同土體損失率的地表沉降值的Gauss曲線擬合。

圖6 埋深1D、2D和3D地表沉降曲線圖

從圖6Guass擬合擬合曲線可以直接看出，隨著埋深1D增加至3D地表沉降曲線的沉降槽寬度系數(shù)逐漸增大，模型隧道超挖的影響范圍主要集中在隧道中心2D-4D位置范圍內(nèi)，沉降槽寬度系數(shù)大約從20 cm增加到40 cm；隨著土體損失率的增加，沉降槽寬度系數(shù)有窄變寬并趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象的原因主要是砂土層擾動(dòng)和砂土損失自下向上傳遞過程的作用造成。

4 結(jié)論與建議

本文通過砂土室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)探究不同埋深情況下盾構(gòu)超挖對(duì)地表沉降的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論和建議。

(1)本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別擬合得到1D、2D和3D位置的地表中心點(diǎn)沉降值與土體損失率的二次關(guān)系曲線，可以表述出土體損失率和地表中心點(diǎn)沉降值的關(guān)系；

(2)隨著埋深的增加地表中心點(diǎn)沉降值變小，地表中心點(diǎn)沉降值減小的速率變?。浑S著埋深和土體損失率的增加，沉降曲線的沉降槽寬度系數(shù)變大并趨于穩(wěn)定；

(3)本實(shí)驗(yàn)僅做了盾構(gòu)隧道的超挖一方面，應(yīng)完善注漿補(bǔ)償室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，以方便將超挖和注漿補(bǔ)償進(jìn)行對(duì)比，得到更為直接全面的認(rèn)識(shí)；

(4)本實(shí)驗(yàn)僅做了砂土的模型試驗(yàn)，并沒有結(jié)合工程進(jìn)行相似理論計(jì)算，應(yīng)進(jìn)一步完善室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)指導(dǎo)盾構(gòu)施工更具有借鑒價(jià)值。