粉質(zhì)黏土層大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)地層擾動(dòng)分析

周慶合

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101)

引言

隨著國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，新建京張高鐵將成為連接北京和張家口的重要交通工程，以滿足2022年冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的交通需求。該高速鐵路以地下隧道的形式通過北京繁華城區(qū)，而盾構(gòu)法隧道憑借其自身具有的優(yōu)勢(shì)成為修建地下隧道的最優(yōu)選擇。但是，在這樣復(fù)雜的城市環(huán)境下，盾構(gòu)隧道開挖掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)分析與控制尤為重要[1]，地層擾動(dòng)引起的危害不可忽視。

目前，已經(jīng)存在大量的文獻(xiàn)針對(duì)盾構(gòu)開挖引起的地層擾動(dòng)進(jìn)行分析與研究[2-9]。劉方等[10]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的方法，針對(duì)大直徑泥水平衡盾構(gòu)淺覆土始發(fā)地表沉降特性進(jìn)行了研究，特別是針對(duì)地層加固后的沉降特性進(jìn)行了總結(jié)分析。方勇等[11]運(yùn)用三維有限元數(shù)值模擬進(jìn)行平行盾構(gòu)隧道施工模擬，研究得到了新建隧道開挖過程中對(duì)既有隧道的位移、變形和內(nèi)力的變化規(guī)律。丁烈云等[12]以武漢地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，分析了始發(fā)過程中的地層擾動(dòng)規(guī)律。鞠鑫[13]采用雙孔平行隧道地表沉降計(jì)算公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)3種方法，分析研究了雙線地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降及其控制。Fang等[14]通過自主研發(fā)的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M裝置，研究了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中不同地層損失率引起的地表沉降規(guī)律。何祥凡等[15]結(jié)合深圳地鐵7號(hào)線，針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越上軟下硬地層的施工力學(xué)特性進(jìn)行了研究。戴志仁[16]基于近年來富水砂卵石地層中盾構(gòu)隧道掘進(jìn)提出了微擾動(dòng)施工關(guān)鍵控制技術(shù)。梁新權(quán)等[17]依托長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道工程，揭示了盾構(gòu)下穿流塑狀殘積粉質(zhì)黏土地層的擾動(dòng)規(guī)律。王俊等[18]采用自行研制的φ800 mm模型盾構(gòu)開展室內(nèi)掘進(jìn)試驗(yàn)，研究土壓盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)上軟下硬地層的擾動(dòng)特征，試驗(yàn)中充分考慮了盾構(gòu)動(dòng)態(tài)施工全過程的影響。

綜上，目前的研究并沒有針對(duì)泥水平衡盾構(gòu)穿越北京地區(qū)粉質(zhì)黏土復(fù)雜地層進(jìn)行土體擾動(dòng)研究。依托新建京張高鐵JZSG-1標(biāo)段清華園隧道，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及三維盾構(gòu)數(shù)值模擬，研究大直徑泥水平衡盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土層中掘進(jìn)引起的土體擾動(dòng)；并通過對(duì)掌子面釋放系數(shù)和注漿層軟化模量進(jìn)行參數(shù)分析，提出了地表沉降的有效控制方法，為今后類似盾構(gòu)隧道工程提供了工程參考依據(jù)。

1 依托工程概覽

京張高鐵一標(biāo)段位于北京海淀區(qū)，起止里程為DK12+413～DK22+900，該線路長(zhǎng)為10.487 km，其中清華園隧道為施工重點(diǎn)工程。清華園隧道全長(zhǎng)6.02 km，設(shè)有3座豎井，1號(hào)豎井為接收井，2號(hào)豎井為始發(fā)兼接收井(2-A始發(fā)井、2-B接收井)，3號(hào)豎井為始發(fā)井。

盾構(gòu)區(qū)間劃分為3號(hào)～2號(hào)豎井區(qū)間和2號(hào)～1號(hào)豎井區(qū)間。清華園隧道盾構(gòu)段采用刀盤斷面為12.64 m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行開挖掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)14 m。盾構(gòu)段管片外徑為12.2 m，幅寬為2 m，每環(huán)分9塊拼裝，即6+2+1拼裝模式，管片厚55 cm。隧道最大縱坡為30‰，最小曲線半徑為995m。

本文所研究盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層擾動(dòng)區(qū)間位于2號(hào)～1號(hào)豎井區(qū)間，地層地質(zhì)情況縱斷面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

針對(duì)清華園隧道的實(shí)際工程情況，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括土體地表沉降及深層土體橫向水平位移。在2號(hào)～1號(hào)豎井區(qū)間布置了DK14+250測(cè)斜試驗(yàn)斷面；同時(shí)在隧道中心地表每隔10 m布置一個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中地表沉降監(jiān)測(cè)和測(cè)斜試驗(yàn)斷面DK14+250的具體布置如圖2和圖3所示。

圖2 隧道軸線中心地表沉降監(jiān)測(cè)布置

圖3 深層土體水平位移測(cè)試布置(單位：m)

3 數(shù)值模擬

為了配合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試探究泥水平衡盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土層掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)，采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行盾構(gòu)開挖施工模擬。

圖4和圖5給出了數(shù)值模擬中建立的三維盾構(gòu)開挖模型。為了充分體現(xiàn)隧道掘進(jìn)過程對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，模型沿隧道掘進(jìn)方向取100 m，同時(shí)根據(jù)圣維南原理，為滿足既定邊界條件，整個(gè)模型的尺寸為70 m×100 m×75 m，共計(jì)346 000個(gè)單元和359 661個(gè)節(jié)點(diǎn)。土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，盾構(gòu)機(jī)、注漿層、管片襯砌均采用線彈性本構(gòu)模型，所有單元均為實(shí)體單元。位移邊界條件設(shè)定為：側(cè)面和底面約束垂直面方向的位移，頂面自由移動(dòng)。并未考慮地下水的影響。土體及材料的參數(shù)見表1。

圖4 數(shù)值計(jì)算整體模型

圖5 數(shù)值計(jì)算局部模型

數(shù)值模擬中將被開挖土體設(shè)置為空單元，同時(shí)激活盾構(gòu)機(jī)單元，來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的開挖掘進(jìn)。通過在掌子面施加泥水壓力，在盾尾處施加注漿壓力和千斤頂推力來實(shí)現(xiàn)數(shù)值模型的精細(xì)化模擬。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

模型中在地表沿隧道軸線方向每10 m設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，同時(shí)在DK14+250測(cè)試斷面隧道兩側(cè)監(jiān)測(cè)深層土體水平位移。深層土體水平位移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是在地中豎直方向每隔1 m讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)場(chǎng)及施工條件的制約，測(cè)斜孔的深度只有22 m，幾乎到達(dá)隧道軸線所在深度。

4 分析與討論

4.1 模型驗(yàn)證

將計(jì)算得到的DK14+250測(cè)試斷面地表橫向沉降槽與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。由圖6可得，兩條曲線呈現(xiàn)大體一致的沉降特性，近似Peck[20]提出的正態(tài)曲線。在隧道軸線中心地表沉降值最大，約14 mm，兩側(cè)位移逐漸降低，在兩肩處呈現(xiàn)上拱趨勢(shì)。

圖6 DK14+250測(cè)試斷面橫向沉降槽對(duì)比

圖7給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬中隧道軸線右側(cè)深層土體橫向水平位移對(duì)比。圖7中，橫向水平位移為正，意味著土體向著隧道方向移動(dòng)。橫向水平位移隨著深度不斷增大，在隧道中心深度處達(dá)到最大值。故對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面，應(yīng)在隧道兩側(cè)隧道中心埋深處進(jìn)行重點(diǎn)加固，進(jìn)而達(dá)到減小橫向水平位移的目的。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的測(cè)斜孔深度只有22 m，因此不能得到更深處土體橫向水平位移。但是，通過數(shù)值模擬可以看出，隧道軸線下方土體橫向水平位移逐漸減小，影響范圍約為1D(D為隧道開挖直徑)，并且在最下方產(chǎn)生反向位移。

圖7 DK14+250監(jiān)測(cè)斷面橫向水平位移對(duì)比

將數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算得到的土體變形規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律一致，但是數(shù)值計(jì)算值均比實(shí)測(cè)值偏大，計(jì)算結(jié)果較為安全，這都是在可以接受范圍內(nèi)的，足以說明數(shù)值模型的可靠性和有效性。本文的數(shù)值模擬能夠在一定程度上反映清華園隧道泥水平衡盾構(gòu)粉質(zhì)黏土地層土體的擾動(dòng)規(guī)律。

4.2 地表沉降

圖8給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中2號(hào)～1號(hào)盾構(gòu)區(qū)間隧道軸線正上方地表沉降測(cè)點(diǎn)的最終沉降值。其中，由于距離2號(hào)始發(fā)井500 m處附近下穿重要市政道路進(jìn)行了微沉降控制，因此沉降值較小。隨著盾構(gòu)機(jī)的不斷開挖掘進(jìn)，底層適應(yīng)性越來越明顯，地表沉降控制技術(shù)得到有效實(shí)施，地表沉降值控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平均水平，約8 mm。從圖8可以看出，在地層加固階段(450 m左右)，地表沉降較小，說明了加固措施的有效性。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，應(yīng)根據(jù)沉降數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及加固方案，以期更好地控制地表沉降。

圖8 2號(hào)～1號(hào)盾構(gòu)區(qū)間隧道軸線正上方地表最終沉降

4.3 深層土體水平位移

從數(shù)值模擬結(jié)果得到深層土體橫向水平位移隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的變化曲線，如圖9所示。橫向水平位移隨著土體深度的增加明顯增大。在盾構(gòu)切口到達(dá)前，土體向隧道側(cè)緩慢移動(dòng)，埋深較淺處的土體有背向隧道側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)(埋深3 m處)。在切口到達(dá)后，土體向隧道側(cè)加速移動(dòng)。當(dāng)盾尾通過測(cè)試斷面，繼續(xù)產(chǎn)生少許移動(dòng)，然后反向回落達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，土體主要在盾構(gòu)通過測(cè)試斷面期間產(chǎn)生橫向水平位移。

圖9 數(shù)值模擬中DK14+250斷面橫向水平位移

4.4 參數(shù)分析

在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對(duì)地表沉降進(jìn)行多工況參數(shù)分析計(jì)算，主要包括掌子面釋放系數(shù)與注漿層軟化模量的影響。掌子面釋放系數(shù)指的是在隧道開挖后，土體應(yīng)力重分布會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，釋放系數(shù)為釋放掉的應(yīng)力與開挖應(yīng)力之比。在盾構(gòu)施工過程中，注漿層的硬化是有時(shí)間效應(yīng)的，由松散泥漿逐漸硬化為承受壓力的注漿層，此處注漿層軟化模量指的是在模擬中分級(jí)硬化時(shí)的第一級(jí)硬化模量。

圖10為不同釋放系數(shù)下橫向沉降槽，圖11為最大沉降值隨著釋放系數(shù)的變化規(guī)律。由圖10和圖11可以看出，在粉質(zhì)黏土地層中隨著釋放系數(shù)的不斷增大，位移呈現(xiàn)增大趨勢(shì)?；趫D11可以發(fā)現(xiàn)，隨著釋放系數(shù)的不斷變大，軸線處地表位移絕對(duì)值呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)(加速沉降)。當(dāng)釋放系數(shù)小于0.18時(shí)，隧道軸線處地表位移可控制在20 mm以內(nèi)。

圖10 不同釋放系數(shù)下地表橫向沉降槽

圖11 不同釋放系數(shù)下最大沉降值的變化曲線

圖12為掌子面釋放系數(shù)為0.10時(shí)，采用不同注漿層軟化模量的隧道軸線地表位移時(shí)程曲線。從圖12可以看出，當(dāng)注漿層軟化彈模低于1 MPa時(shí)，地表沉降極大(30 mm以上)；注漿層軟化彈模在18 MPa及以上時(shí)，地表沉降較小，約10 mm，沉降的產(chǎn)生主要在盾構(gòu)通過階段，以盾構(gòu)機(jī)本身錐度的影響為主。

圖12 釋放系數(shù)0.10時(shí)隧道軸線地表位移變化曲線

圖13是注漿層使用不同的軟化模量時(shí)，地表的最大位移。從圖13可知，隨著注漿層軟化模量的不斷提高，最終地表位移將逐漸減小，達(dá)到一定值后，影響效果將不再明顯，可以認(rèn)為提高盾構(gòu)同步注漿效果將明顯改善盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體的擾動(dòng)，從而減少地表位移。圖14是注漿層軟化模量取為18 MPa時(shí)，不同掌子面釋放系數(shù)下隧道軸線地表位移時(shí)程曲線。當(dāng)釋放系數(shù)為0.1時(shí)，地表位移已達(dá)10 mm，約為最終位移量50%以上。因此在粉質(zhì)黏土層中，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)注意有效的穩(wěn)定開挖面，盡量減小擾動(dòng)。

圖13 不同軟化注漿層模量時(shí)的最大位移

圖14 注漿層軟化模量為18 MPa時(shí)不同釋放系數(shù)下位移時(shí)程曲線

通過對(duì)掌子面釋放系數(shù)和注漿層軟化模量進(jìn)行參數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)清華園隧道盾構(gòu)機(jī)在粉質(zhì)黏土層掘進(jìn)產(chǎn)生的應(yīng)力釋放系數(shù)約為0.14。對(duì)于應(yīng)力釋放系數(shù)在掘進(jìn)過程的調(diào)整取決于管片的拼裝時(shí)間，在隧道施工過程中，在條件允許情況下適當(dāng)?shù)靥嵩邕M(jìn)行管片的拼裝及注漿壓力的施作，有利于降低應(yīng)力釋放率，達(dá)到控制地表沉降的目的。另一個(gè)有效控制地表沉降的方法是控制注漿層軟化模量，由參數(shù)分析可得軟化模量越大，對(duì)地表沉降的控制越明顯，因此盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)可以適當(dāng)加快注漿層的硬化速度。

4.5 討論與分析

根據(jù)圖9～圖14可以發(fā)現(xiàn)，清華園隧道粉質(zhì)黏土層大直徑泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層產(chǎn)生了一定擾動(dòng)。針對(duì)圖9可以總結(jié)為：盾構(gòu)掘進(jìn)過程根據(jù)擾動(dòng)情況可分為4個(gè)階段：第一階段，盾構(gòu)切口到達(dá)前，距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)-10～-5 m；第二階段，盾構(gòu)通過時(shí)，距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)為-5～13 m；第三階段，盾尾通過階段，距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)13～18 m，主要考慮由于同步注漿控制地表沉降引起的地表沉降變化；第四階段，盾構(gòu)遠(yuǎn)離斷面時(shí)，約為距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)18 m以后。通過對(duì)注漿壓力的合理控制，可以有效改善地表沉降，起到地層擾動(dòng)防控的作用。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層應(yīng)力釋放系數(shù)適當(dāng)調(diào)整地層加固方案和同步注漿實(shí)施方案。

盾構(gòu)掘進(jìn)在橫向上引起的擾動(dòng)約在距隧道軸線20 m(約1.5D)的范圍內(nèi)，故需對(duì)橫向1.5D范圍內(nèi)地表及建(構(gòu))筑物進(jìn)行地層加固、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)安全穩(wěn)定掘進(jìn)，減小盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)。

5 結(jié)論

以清華園隧道2號(hào)～1號(hào)盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式，針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)穿越粉質(zhì)黏土地層所引起的周圍地層擾動(dòng)進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)本文所采用的數(shù)值模型能夠有效地模擬大直徑泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工行為，數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)基本一致，該數(shù)值模擬計(jì)算方法具有工程實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

(2)得到了泥水盾構(gòu)穿越北京粉質(zhì)黏土層的擾動(dòng)規(guī)律。地表沉降槽呈正態(tài)曲線形式，在粉質(zhì)黏土層盾構(gòu)開挖后的掌子面釋放系數(shù)約為0.14。土體橫向水平位移規(guī)律：切口到達(dá)前，土體向隧道側(cè)緩慢移動(dòng)，在切口到達(dá)后，土體快速擠向隧道。盾尾到達(dá)，繼續(xù)產(chǎn)生少許移動(dòng)，然后反向回落至不再產(chǎn)生變化。

(3)通過數(shù)值模擬多工況參數(shù)分析計(jì)算，得到了關(guān)于掌子面釋放系數(shù)與注漿層軟化模量對(duì)地層擾動(dòng)的影響。隨著釋放系數(shù)的不斷變大，最大位移呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。隨著注漿層軟化模量的不斷提高，最終地表位移將逐漸減小，達(dá)到一定值后，影響效果將不再明顯。在條件允許情況下適當(dāng)提早管片的拼裝及適當(dāng)加快注漿層的硬化速度，可有效控制地表沉降。