蔣加兵,陳子龍,徐 濤
(1.中建四局第五建筑工程有限公司,廣東 深圳 518000;2.航天江南集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550009;3.澳門(mén)大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)系,澳門(mén) 999078)
盾構(gòu)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于城市,特別是城市歷史街區(qū)和建筑密集區(qū)等需要嚴(yán)格控制地面變形區(qū)域的地鐵隧道建設(shè)中。當(dāng)盾構(gòu)隧道位于高水壓、高應(yīng)力環(huán)境下的飽和砂層中時(shí),如越江、越河和跨海隧道,開(kāi)挖面的穩(wěn)定性尤其重要。開(kāi)挖面支護(hù)壓力過(guò)小可能導(dǎo)致地下水涌入壓力倉(cāng),導(dǎo)致開(kāi)挖面傾塌;支護(hù)壓力過(guò)大會(huì)造成地面擠出破壞。開(kāi)挖面支護(hù)壓力設(shè)計(jì)或控制不當(dāng)造成的安全事故時(shí)有發(fā)生,特別是隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)造成的地面結(jié)構(gòu)物破壞、路面塌陷等事故屢見(jiàn)不鮮。2018年2月7日佛山市地鐵二號(hào)線隧道透水事故,造成11人死亡;2018年1月25日廣州市軌道交通21號(hào)線突發(fā)坍塌事故,死亡3人。在這種地層條件下,壓力泥漿通常用來(lái)平衡盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面上的水土壓力,以穩(wěn)定開(kāi)挖面。壓力倉(cāng)中的壓力高于地層中的靜水壓力,泥漿會(huì)向地層中入滲。在這種情況下,部分有效支護(hù)力轉(zhuǎn)化為超孔隙水壓力,使開(kāi)挖面上有效支護(hù)壓力減小,降低開(kāi)挖面穩(wěn)定性。在一些隧道的掘進(jìn)過(guò)程中,超孔隙水壓力已被監(jiān)測(cè)到,例如荷蘭第二Heinenoord隧道、綠心隧道、阿姆斯特丹南北線隧道、上海中環(huán)穿越黃浦江隧道等[1-4]。因此,合理的壓力設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定至關(guān)重要。
N.HORN[5]首次提出了的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定的倉(cāng)筒理論,如圖1。隨后,這一極限平衡法被很多學(xué)者采用并發(fā)展[6-8]。最近,黃阜等[9]、呂璽林等[10]、P.PERAZZELLI等[11]采用極限平衡法分析了開(kāi)放式盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面滲流對(duì)支護(hù)壓力的影響,并提出了支護(hù)壓力的上限解。但是,泥水平衡或土壓力平衡盾構(gòu)隧道,掘進(jìn)產(chǎn)生的地下水流方向和掘進(jìn)方向相同,這和開(kāi)放式盾構(gòu)隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的地下水流方向相反。另外,地層條件(如均質(zhì)含水承壓層和半封閉含水承壓層)也會(huì)影響開(kāi)挖面上的水力梯度并影響滲流。另?yè)?jù)試驗(yàn)表明,在掘進(jìn)過(guò)程中,由于泥漿和開(kāi)挖土體的混合物填充盾構(gòu)機(jī)和開(kāi)挖面之間的間隙,開(kāi)挖面上沒(méi)有泥膜形成[12]。泥漿的入滲距離隨混合物中土顆粒的含量增加而增加,開(kāi)挖面上的有效支護(hù)壓力和有泥膜形成的情況有所不同。
筆者采用極限平衡法和超孔隙水壓力計(jì)算模型,并結(jié)合室內(nèi)泥漿入滲試驗(yàn)結(jié)果,分別分析土體強(qiáng)度、地層條件和泥漿入滲對(duì)開(kāi)挖面支護(hù)壓力和微觀穩(wěn)定的影響。
楔形體模型的基本框架如圖1。楔形體力學(xué)平衡示意如圖2。
圖1 楔形體模型
圖2 楔形體力學(xué)平衡
1.1.1 支護(hù)力E(θ)
支護(hù)力E(θ)按式(1)計(jì)算[13]:
(1)
式中:G為楔形土體A′B′C′D′E′F′自重,kN;Pv為楔形土體上方塊體C′D′E′F′K′L′M′N(xiāo)′自重產(chǎn)生的豎向均布荷載,kN;θ為楔形土體傾斜面與水平面的夾角,(°);φ′為開(kāi)挖面區(qū)域土體的有效內(nèi)摩擦角,(°);c為開(kāi)挖面區(qū)域土體的黏聚力,kPa;T為作用在楔形土體傾斜面上的剪切抵抗力,kN;D為隧道直徑,m。
圖3 臨界傾斜角確定
1.1.2 楔形體重力G
(2)
式中:γ2,av隧道開(kāi)挖面土體平均重度,kN/m3。
1.1.3 楔形體上方土塊豎向荷載Pv
(3)
式中:σv, crown隧道頂部總豎向應(yīng)力,kPa。
1)當(dāng)隧道頂部深度tcrown≤ 2D時(shí)[13]
σv(z)=γ1,av·z
(4)
式中:γ1,av隧道底部土體的平均重度,kN/m3;z為深度,m。
2)當(dāng)tcrown>2D時(shí)[13]
(5)
式中:A為倉(cāng)筒C′D′E′F′K′L′M′N(xiāo)′橫截面積,m2;U為倉(cāng)筒橫截面邊長(zhǎng),m;K1為倉(cāng)筒橫截面積范圍內(nèi)的側(cè)向土壓力系數(shù)。
1.1.4 楔形體A′B′C′D′E′F′三角平面上的抵抗力T[13]
(6)
(7)
式中:K0為楔形土體上方塊體頂部的側(cè)向土壓力系數(shù);Ka為朗肯側(cè)向土壓力系數(shù)。
以一個(gè)直徑D=10 m,上覆土層C=20 m,支護(hù)壓力E=50 kPa,水位線位于地下3 m,有效重度γ′=11 kN/m3,干重度γd=17 kN/m3,飽和重度γs=21 kN/m3,黏聚力c=0 kPa,有效內(nèi)摩擦角φ′=36°的現(xiàn)場(chǎng)為例,根據(jù)圖4開(kāi)挖面E、θcr和φ′的相關(guān)關(guān)系可知:模型預(yù)測(cè)的支護(hù)壓力E隨土體有效內(nèi)摩擦角φ′的增大而變小;臨界傾斜角θcr隨內(nèi)摩擦角φ′的增大而增大。表明:對(duì)于無(wú)黏性土而言,土體強(qiáng)度越高,所需支護(hù)壓力越小;開(kāi)挖面臨界傾斜角越大,作用在開(kāi)挖面上的土壓力也越小,所需支護(hù)壓力也會(huì)減小。
圖4 開(kāi)挖面E、θcr和φ′的關(guān)系
一般認(rèn)為泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中,會(huì)在開(kāi)挖面上形成不透水的泥膜,泥漿壓力完全轉(zhuǎn)換為作用在土體骨架上的有效支護(hù)壓力。但室內(nèi)試驗(yàn)證明,當(dāng)開(kāi)挖的土體和泥漿混合物填充盾構(gòu)機(jī)和開(kāi)挖面之間的間隙時(shí),將沒(méi)有泥膜形成[12]。這種情況可能出現(xiàn)在掘進(jìn)速度大于泥漿入滲速度的掘進(jìn)過(guò)程中。另外,從荷蘭第二Heinenoord隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)看,壓力倉(cāng)內(nèi)的泥漿實(shí)為開(kāi)挖土體和泥漿的混合物的密度在1 260~1 470 kg/m3[14]。在這種情況下,泥漿入滲后土體的滲透系數(shù)為:
(8)
式中:ks為土體的滲透系數(shù),m/s;t為入滲時(shí)間,s。
式(8)計(jì)算所得滲透系數(shù)值和細(xì)砂中的泥漿入滲試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)值的對(duì)比結(jié)果如圖5。由圖5可知,計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合。開(kāi)挖面土體的滲透系數(shù)在初期下降迅速,然后趨于緩慢。開(kāi)挖面滲透系數(shù)可以很短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足開(kāi)挖要求。需要注意的是,被泥漿入滲的土體滲透性會(huì)迅速降低。由于不同土體中泥漿的入滲距離和入滲速度不同,可能導(dǎo)致距開(kāi)挖面不同距離土體滲透性隨時(shí)間的變化也會(huì)不同。文獻(xiàn)[15]的泥漿入滲距離如式(9):
圖5 泥漿入滲土體的滲透系數(shù)變化
(9)
式中:emax為泥漿入滲的最大距離,m;α為影響因子(2 ≤α≤ 4);Δp為壓力倉(cāng)內(nèi)壓力和地層靜水壓力的壓力差,Pa;τy為泥漿的屈服強(qiáng)度,Pa;d10為過(guò)篩重量占10%的粒徑,m。
泥漿的入滲速度如式(10):
(10)
式中:e為任意時(shí)間點(diǎn)的入滲距離,m;a為入滲距離達(dá)到最大入滲距離一半時(shí)的時(shí)間,s;t為時(shí)間,s。
公式(9)對(duì)t求導(dǎo)可得泥漿入滲速度如式(11):
(11)
從式(8)、(9)可以看出,泥漿入滲距離和速度與壓力倉(cāng)內(nèi)壓力、地層靜水壓力、泥漿屈服強(qiáng)度和土體d10值有關(guān)。因此,設(shè)定一個(gè)固定的支護(hù)壓力對(duì)不同工程而言過(guò)于簡(jiǎn)單。
地層條件會(huì)影響到盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的地下水流(超孔隙水壓力)和開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。兩種不同的地層條件如圖6[16]:圖6(a)盾構(gòu)隧道位于是均質(zhì)含水承壓層中,圖6(b)盾構(gòu)隧道位于半封閉含水承壓層中。均質(zhì)含水承壓層中,地下水流會(huì)向四周流動(dòng)的球形水流;但對(duì)于半封閉含水承壓層而言,在水平面內(nèi)地下水流可以看成是一個(gè)一維水流,超孔隙水壓力不隨深度變化。
對(duì)于均質(zhì)含水承壓層,盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面上的水頭可以近似計(jì)算[17],如式(12):
(12)
將式(12)對(duì)x求導(dǎo)得:
(13)
在開(kāi)挖面上(x=0)有:
(14)
對(duì)于半封閉含水承壓層,開(kāi)挖面上的水頭如式(15)[18]:
(15)
式(15)對(duì)x求導(dǎo)得:
(16)
在開(kāi)挖面上(x=0)有:
(17)
為維持開(kāi)挖面的微觀穩(wěn)定,即穩(wěn)定開(kāi)挖面上的單個(gè)無(wú)黏土顆粒,必須維持一個(gè)由恒定水力梯度(i≥2)提供的拖曳力[19]。對(duì)于均質(zhì)含水承壓層中一個(gè)直徑為5 m或者更小的隧道而言,支護(hù)壓力50 kPa(開(kāi)挖面上的水頭為5 m)可以滿(mǎn)足穩(wěn)定開(kāi)挖面微觀穩(wěn)定的最小水力梯度的要求。但是對(duì)于直徑大或等于10 m的隧道,同樣條件下水力梯度為i≤1。這個(gè)水力梯度難以保證開(kāi)挖面上單個(gè)土顆粒的穩(wěn)定。同樣的,對(duì)于半封閉含水承壓層中一個(gè)直徑大于等于10 m的隧道,假設(shè)滲漏因子為100 m,50 kPa的支護(hù)壓力可以實(shí)現(xiàn)水力梯度i=0.05,不能滿(mǎn)足開(kāi)挖面微觀穩(wěn)定的最小水力梯度的要求。總體而言,在沒(méi)有泥漿支護(hù)的情況下,開(kāi)挖面上的水力梯度很難維持開(kāi)挖面穩(wěn)定,因此建議壓力泥漿用于飽和砂層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)。
除了微觀穩(wěn)定外,地層分層還在其他方面影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定。A.BEZUIJEN 等[20]研究表明盾構(gòu)掘進(jìn)在半封閉含水承壓層時(shí),會(huì)在盾構(gòu)隧道周?chē)a(chǎn)生更高的超孔隙水壓力。從而降低開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。相較均質(zhì)含水水承壓層而言,需要更大的開(kāi)挖面支護(hù)壓力。同時(shí),當(dāng)掘進(jìn)在半封閉含水承壓層時(shí),超孔隙水壓力會(huì)的影響范圍更廣,這將可能導(dǎo)致地面擠出破壞。另外,在半封閉含水承壓層中泥漿的入滲速度更慢。更大的孔隙水壓力范圍和更低的入滲速度將降低開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。
水力梯度也會(huì)影響土體的受力狀態(tài),這里不做具體展開(kāi)。
考慮泥漿入滲和超孔隙水壓力的分析,微觀穩(wěn)定泥水平衡盾構(gòu)隧道被檢視用宏微觀模型?;诜治龊驮囼?yàn)結(jié)果分析,得出以下結(jié)論:
1)在設(shè)計(jì)支護(hù)壓力時(shí)必須考慮泥漿入滲和超孔隙水壓力的影響,附加額外壓力以彌補(bǔ)泥漿入滲過(guò)程中有效支護(hù)壓力損失。
2)開(kāi)挖面的滲透性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,而且不同土體中泥漿的入滲距離和入滲速度不同,可能導(dǎo)致距開(kāi)挖面不同距離的土體的滲透性隨時(shí)間的變化也會(huì)不同。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和停止(維養(yǎng)和管片安裝)兩個(gè)階段的入滲狀態(tài)也不同。因此簡(jiǎn)單的設(shè)定一個(gè)固定的支護(hù)壓力對(duì)不同工程并不適用。
3)相較均質(zhì)承壓含水層而言,盾構(gòu)隧道在半封閉承壓含水層中掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面更加穩(wěn)定。在沒(méi)有泥漿支護(hù)的情況下,開(kāi)挖面上的水力梯度很難維持開(kāi)挖面穩(wěn)定,因此建議壓力泥漿用于飽和砂層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)。