盾構(gòu)施工引起砂卵石地層變形規(guī)律

陳威 朱威 吳爽

（1、華北科技學(xué)院，北京101601 2、江蘇縱橫工程顧問有限公司，江蘇 宿遷223800）

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高，城市建設(shè)也在迅猛發(fā)展，城市用地規(guī)模和人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是一二線城市城市人口規(guī)模急劇增長，機(jī)動(dòng)車數(shù)量迅速增長，而城市道路基礎(chǔ)設(shè)施明顯滿足不了需求。充分利用地下空間是解決城市地面交通擁堵問題，推動(dòng)城市較好較快發(fā)展以及保護(hù)環(huán)境的最佳方式。

砂卵石地層廣泛分布在我國華北以及西南部地區(qū)[1-2]。砂卵石地層具有粘聚力幾乎為零，卵石分布具有隨機(jī)性，強(qiáng)度高以及高靈敏度等特點(diǎn)。在砂卵石地層中采用盾構(gòu)法施工時(shí)，地層受到擾動(dòng)超挖等影響會(huì)造成地層損失，細(xì)顆粒砂大量流失，卵石接觸形成孔洞，容易發(fā)生沉降或塌陷，對(duì)地面建筑造成不可逆轉(zhuǎn)的影響[3-4]，因此有必要對(duì)砂卵石地層隧道盾構(gòu)施工引起的地層變形以及地面沉降進(jìn)行分析，以期對(duì)類似工程提供參考和幫助。

1 工程概況及地層特性

北京地鐵16 號(hào)線萬壽寺站- 國家圖書館站區(qū)間隧道全長1489.947m?？v斷面上，萬壽寺站- 國家圖書館站區(qū)間為倒“V”字坡，埋深范圍16～22m。盾構(gòu)施工從國家圖書館站始發(fā)，區(qū)間分別下穿南長河、紫竹院內(nèi)湖、廣源大廈停車場(chǎng)，側(cè)穿紫竹橋橋樁，鄰近人濟(jì)山莊大樓等建筑。盾構(gòu)管片厚0.3m，內(nèi)徑5.8m，外徑6m，環(huán)寬1.2m，采用錯(cuò)縫拼接方式拼裝。

區(qū)間地質(zhì)情況：雜填土層，厚度為1～7m，分布不均；粉土層，厚度約為2m，埋深約為3～8m；粉質(zhì)粘土層，厚度為2～4m，共有三層，埋深約為4m，10m，12m；砂卵石地層，厚度較大，埋深范圍約為10～25m，包含卵石和粉細(xì)砂，夾雜少量的粉質(zhì)粘土。盾構(gòu)隧道主要穿越砂卵石地層，隧道覆土厚度為16～22m，盾構(gòu)從國家圖書館站向中間風(fēng)井掘進(jìn)，地層壓力逐漸增大。

2 大粒徑卵石

本段區(qū)間隧道范圍內(nèi)，分布的卵石層（主要為卵石⑤層、卵石⑦層、卵石⑨層和卵石1○層）中不均勻分布有大粒徑的漂石，其分布規(guī)律在空間上具有隨機(jī)性，無明顯的成層規(guī)律。根據(jù)附近人工探井資料和本次鉆探結(jié)果，本區(qū)間附近地表下10.0～25.00m 之間普遍分布卵石，粒徑＞20mm 的卵石約含64.07%，局部分布有大漂石，漂石的分布隨機(jī)性較強(qiáng)，其中在地面下20.0～25.00m 范圍內(nèi)，漂石含量較多，最大粒徑不小于300mm。大粒徑卵石會(huì)對(duì)隧道開挖和注漿加固產(chǎn)生較大影響，處理不妥會(huì)對(duì)地表環(huán)境造成很大影響。

3 砂卵石地層盾構(gòu)引起的地層變形機(jī)理

砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散，顆粒粒徑大小不均，顆粒間無膠結(jié)力，粘聚力幾乎為零。卵石分布隨機(jī)，無規(guī)律，卵石間空隙大，被砂礫填充。地層受力主要以卵石點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸進(jìn)行傳力，屬于壓應(yīng)力傳遞，卵石之間的細(xì)小顆粒以及水分使得顆粒之間存在嚙合摩擦力[5-6]。

由于砂卵石地層具有松散的特性，所以在外界擾動(dòng)作用下卵石之間的嚙合摩擦力很容易發(fā)生改變，因此砂卵石地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定地層。此外在無水情況下，地層受力靠顆粒骨架傳力，地層具有較高的靈敏度，受力敏感。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)時(shí)必然會(huì)造成圍巖擾動(dòng)，如果掌子面壓力不足或者排土量大于削土量，那么位于掌子面上方便會(huì)產(chǎn)生較大空洞區(qū)。由于卵石地層的骨架效應(yīng)較好，在空洞區(qū)會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)土拱，在一定時(shí)間內(nèi)具有自穩(wěn)性，地層中的細(xì)沙會(huì)從卵石顆粒間下落，當(dāng)這個(gè)臨時(shí)拱再受到擾動(dòng)時(shí)又會(huì)被破壞，拱上方土體塌落又會(huì)形成新的臨時(shí)拱。如此反復(fù)，由于隧道開挖引起的地層損失將傳至上一土層最終傳至地面形成沉降或塌陷。

4 盾構(gòu)施工地層變形表現(xiàn)形式

盾構(gòu)法施工引起的地層變形按照時(shí)間效應(yīng)主要可以分為五個(gè)階段：由于盾構(gòu)機(jī)擾動(dòng)或掌子面壓力過大引起的開挖面之前位置的沉降或隆起，稱為先行沉降；受到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)影響導(dǎo)致的地層損失所引起的沉降或隆起，稱為到達(dá)時(shí)沉降；盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)檢測(cè)斷面，到整個(gè)盾構(gòu)機(jī)通過是產(chǎn)生的沉降，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中盾殼與土體之間產(chǎn)生滑動(dòng)剪切，導(dǎo)致土體產(chǎn)生側(cè)向滑移，由此產(chǎn)生的地層變形稱為通過時(shí)沉降；盾構(gòu)機(jī)的盾殼直徑要略大于管片直徑，因此會(huì)產(chǎn)生空隙導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放，產(chǎn)生彈塑性變形，由此產(chǎn)生的地層變形稱為盾尾空隙沉降；施工結(jié)束后土體應(yīng)力重分布，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，受到擾動(dòng)的土體也會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，產(chǎn)生次固結(jié)沉降，稱為長期固結(jié)沉降。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)地層信息選取合適區(qū)段進(jìn)行研究，利用Midas 軟件建立了一個(gè)（長×寬×高）70m×24m×50m 的模型，如圖所示。根據(jù)文獻(xiàn)巖土體視為半空間無限體，隧道對(duì)于大于其3～5 倍范圍的土體影響較小，模型以外變形不予考慮。模型前后、左右和底面分別設(shè)置y 方向、x 方向和z 方向的約束，頂面為自由面。模型施加自重應(yīng)力，采用摩爾- 庫倫模型模擬巖土材料，采用彈塑性單元模擬管片，管片厚度為300mm，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比0.2。模擬施工采用開挖- 盾殼支護(hù)- 管片支護(hù)的流程，共24 步。

6 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析

隧道縱向地表沉降歷時(shí)曲線與上文提到的變形曲線趨勢(shì)一致，也大致可分為五個(gè)階段，但由于數(shù)值模擬無法真實(shí)模擬出土拱效應(yīng)，所以模擬數(shù)據(jù)與下文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有所差別，但整體走勢(shì)一致。隧道開挖對(duì)橫向地層影響較小，反彎點(diǎn)距開挖軸線較近，所表現(xiàn)出的凹陷很明顯。盾殼上部收到的壓力為負(fù)，盾殼兩邊所受壓力較大。這是由于土拱效應(yīng)形成盾殼上部出現(xiàn)空洞，土拱的拱腳作用于盾殼兩邊，導(dǎo)致盾殼兩邊所受壓力較大。

7 盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

萬壽寺站～國家圖書館站區(qū)間盾構(gòu)隧道每10～20 環(huán)在地表設(shè)置一個(gè)橫向檢測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置8～12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。3 個(gè)隧道軸線正上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。三個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降歷時(shí)曲線基本一致，都可以分為上文述的五個(gè)階段，現(xiàn)取DB24-08 測(cè)點(diǎn)進(jìn)一步分析。

第Ⅰ階段的沉降量較小，在開挖面前方約有0.25mm 的隆起現(xiàn)象，這是由于掌子面的壓力稍大引起的，而在距刀盤前較遠(yuǎn)處已產(chǎn)生地層變形說明砂卵石地層具有敏感性，隨后由于盾構(gòu)開挖的擾動(dòng)在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)之前已有一部分的先行沉降，這部分的沉降量較小。

隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置，切削土體導(dǎo)致地層損失，地表沉降速率變大，沉降量迅速增長，約為6mm。

在盾構(gòu)機(jī)在通過時(shí)由于前一階段土體已有地層損失，在此階段由于卵石的特殊屬性，地層產(chǎn)生了臨時(shí)性的平衡土拱，抵抗了地層的進(jìn)一步變形。

在盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)由于存在盾尾空隙以及臨時(shí)拱的破壞導(dǎo)致地層變形進(jìn)一步的增加，而且增加速率較大，其中在第Ⅳ階段可以看出有一小段的平臺(tái)段，根據(jù)上文介紹這是由于臨時(shí)拱在破壞后，地層進(jìn)一步變形，而地層損失又會(huì)導(dǎo)致此臨時(shí)土拱之上又產(chǎn)生新的臨時(shí)土拱，從而阻礙了地層的進(jìn)一步變形。

在第Ⅴ階段，由于盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離了檢測(cè)面，盾構(gòu)機(jī)對(duì)此位置的土體影響很小，土體應(yīng)力重分布，產(chǎn)生固結(jié)沉降，同時(shí)也伴隨著蠕變現(xiàn)象，最終地層趨于穩(wěn)定。

圖1 實(shí)測(cè)點(diǎn)沉降量歷時(shí)曲線

圖2 測(cè)點(diǎn)DB24-08 沉降量隨開挖面變化關(guān)系曲線

8 結(jié)論

以北京地鐵16 號(hào)線萬壽寺站～國家圖書館站區(qū)間隧道土壓平衡式盾構(gòu)法掘進(jìn)為研究對(duì)象，結(jié)合土拱效應(yīng)理論以及砂卵石的特殊性質(zhì)對(duì)砂卵石地層隧道開挖引起的地表沉降進(jìn)行分析及規(guī)律總結(jié)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）由于砂卵石地層的特殊性質(zhì)，砂卵石地層對(duì)于擾動(dòng)具有敏感性，盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)引起的地表沉降具有明顯的滯后性，盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)沉降曲線有一段平臺(tái)，地表沉降不明顯。（2）砂卵石地層地表橫斷面沉降槽較窄，反彎點(diǎn)距隧道中心較近，表現(xiàn)出明顯的凹陷型。（3）在盾構(gòu)機(jī)脫出后沉降速率迅速變大，但由于土拱效應(yīng)存在，沉降曲線不連續(xù)。這一階段的沉降累計(jì)值較大，沉降速率大，具有較大的危害性。