砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工超挖土對地表沉降影響研究

張延杰

（云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650204）

0 引 言

關(guān)于盾構(gòu)隧道超挖土方引起地表沉降現(xiàn)象頻繁發(fā)生，其造成的后果也極為嚴重。對于超挖土的研究，張揚等[1]從實施階段責任認定和招投標階段合同條款約定兩個方面提出超挖超填問題的處理和預(yù)防措施，為超挖超填結(jié)算問題提供參考。孫浩等[2]基于軟弱圍巖開挖施工得出了控制爆破超欠挖及爆破振動的重要措施。張海濤[3]針對青島地鐵隧道，得出“大小眼”方式成對布置周邊眼的鉆孔方法，可有效控制爆破施工對超欠挖的影響。阮松等[4]運用層次分析法，建立了風險評估體系，得出了地鐵盾構(gòu)隧道超限暗挖改造中各種風險因素的影響權(quán)重。佟艷清等[5]指出造成引水隧洞地質(zhì)超挖主要原因是施工管理、復(fù)雜地質(zhì)條件、炸藥爆破技術(shù)參數(shù)（方法）及現(xiàn)場管理等。陳穩(wěn)干[6]提出影響隧道超欠挖的因素主要有測量放線、鉆孔精度、爆破技術(shù)、地質(zhì)圍巖條件和施工管理。方俊波等[7]通過對比鑿巖臺車在初期支護緊跟掌子面及不緊跟掌子面等不同施工工況下長短孔配套施工產(chǎn)生的超挖量，并采用長短孔配套鉆孔爆破技術(shù)，可有效控制鑿巖臺車鉆爆時隧道的超挖量。梁超等[8]通過計算器簡單編程，結(jié)合全站儀三維坐標快速反算出待測點超欠挖情況，從而指導(dǎo)下部工序。綜上所述，現(xiàn)有隧道超挖土的研究成果主要集中在隧道爆破開挖技術(shù)[9-10]，而針對措施方面主要有超挖區(qū)域加強支護，欠挖部分進行鑿除的施工經(jīng)驗。然而針對成都地鐵盾構(gòu)隧道開挖施工，由于砂卵石土層存在滯后沉降現(xiàn)象[11-12]，出土量參數(shù)控制不當，造成盾構(gòu)超挖土，目前缺少行之有效的理論支撐和數(shù)值模擬手段，以對盾構(gòu)隧道超挖土進行有效指導(dǎo)。因此采取數(shù)值模擬進行超挖土影響的理論判定顯得尤為重要。

1 數(shù)值算例

計算選取成都地鐵3號線駟馬橋北站—駟馬橋站區(qū)間，其土層分布相對均勻，周圍無建（構(gòu)）筑物和地下管線的影響，并且監(jiān)測點收集數(shù)據(jù)相對完整，因此以該施工段為背景建立計算模型。共進行10環(huán)管片長度的隧道模型模擬計算，隧道中線埋深11.6 m，盾構(gòu)穿越全斷面砂卵石層，開挖隧道直徑為6 m，襯砌壁厚為300 mm；Abaqus三維有限元網(wǎng)絡(luò)模型的尺寸為：寬60 m、高59 m、縱深15 m，計算模型圖見圖1所示。具體土層物理力學(xué)參數(shù)見表 1，其中砂卵石土的抗剪強度參數(shù)采用直剪試驗數(shù)據(jù)，土體采用Druker-Prager本構(gòu)模型。邊界條件上表面為自由面，4個側(cè)面約束法向位移，底面為固定支座，共建立39 840個單元，43 638個節(jié)點。計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)擬合較好，模型建立的正確性驗證參見相關(guān)文獻[13-15]。

圖1 模型正面圖Fig. 1 Model diagram

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

按照圖2所示的方法，取盾構(gòu)中間某一開挖環(huán)，采用擴大該環(huán)開挖半徑的方式來模擬盾構(gòu)超挖施工。模擬范圍是基于成都富水砂卵石地層隧道開挖時出現(xiàn)的滯后沉降現(xiàn)象，開挖在一段時間后對應(yīng)地表形成空洞塌方，其塌方面積基本在1倍盾構(gòu)直徑的范圍，或小于1倍隧道洞徑范圍，如圖2（a）所示，以擴大模型的中間環(huán)邊緣上半部分作為盾構(gòu)施工超挖土狀況的模擬對象，分析超挖土造成的地表沉降影響。通過圖3演示盾構(gòu)超挖引起的空洞往地表延伸的施工模擬過程，進而掌握距地表不同距離下的空洞對地表沉降的影響。

圖2 局部擴大開挖環(huán)處半徑的盾構(gòu)超挖施工模擬Fig. 2 Simulation of over-excavation construction of shield tunnel with partially enlarged excavation ring radius

圖3 空洞往地表延伸的施工模擬Fig. 3 Construction simulation of the cavity extending to the surface

由圖4可知，盾構(gòu)超挖掘進對地表沉降的影響大于正常掘進下的地表沉降，其沉降量增加了1倍左右，兩者的總體沉降均在10 mm以內(nèi)。觀察不同的空洞與地表間距下地表沉降，其沉降變化雖有差異，但規(guī)律不夠明顯。因此需要改變模型參數(shù)，繼續(xù)分析超挖土對地表沉降的影響。

圖4 盾構(gòu)隧道軸線縱向地表沉降值Fig. 4 Longitudinal surface settlement value of the shield tunnel axis

改變盾構(gòu)開挖模型的土層參數(shù)，其砂卵石土的抗剪強度參數(shù)采用三軸試驗數(shù)據(jù)，并按照圖2（b）的展示，以擴大模型的中間環(huán)邊緣的1/4作為盾構(gòu)施工超挖土狀況的模擬對象；通過圖5演示盾構(gòu)超挖引起的空洞不斷往地表方向延伸的施工過程，分工況進行模擬，進而掌握距地表不同距離下的空洞對地表沉降的影響。具體土層物理力學(xué)參數(shù)見表2[14]，土體采用Druker-Prager本構(gòu)模型。共進行10環(huán)管片長度的隧道模型模擬計算。隧道中線埋深11.6 m，地下水位埋深-8 m，盾構(gòu)穿越全斷面砂卵石層，其地表以下分布的土層依次為雜填土、黏土、細砂、稍密卵石、中密卵石、密實卵石、強風化泥巖和中風化泥巖。共建立35 040個單元，38 493個節(jié)點。

圖5 空洞往地表延伸的施工模擬Fig. 5 Construction simulation of the cavity extending to the surface

觀察圖6可知，盾構(gòu)超挖掘進對地表沉降的影響大于正常掘進下的地表沉降，其沉降量增加了1倍左右，并且超挖掘進的地表總體沉降均超過10 mm。最大沉降發(fā)生在第6開挖環(huán)處，即發(fā)生在超挖所在開挖環(huán)位置。觀察不同的空洞與地表間距下地表沉降，其沉降差異較為明顯，除空洞距地表3.5 m工況的沉降曲線顯示地表軸線處最大沉降發(fā)生在第6開挖環(huán)的附近，其余工況的最大沉降均發(fā)生在第6開挖環(huán)處，并且沉降曲線的變化趨勢相同?？斩磁c地表間距對地表軸線位置沉降的影響中，最大沉降曲線發(fā)生在距地表5 m的工況，而非空洞距地表最近的1 m工況位置，表明當空洞發(fā)生在偏離隧道軸線的位置時，其空洞與地表間距對地表軸線位置沉降的影響規(guī)律不與間距的大小成正比例關(guān)系。

圖6 盾構(gòu)隧道軸線縱向地表沉降值Fig. 6 Longitudinal surface settlement value of shield tunnel axis

觀察圖7可知，盾構(gòu)超挖掘進對開挖斷面的地表沉降的影響大于正常掘進下的地表沉降，其沉降值和沉降影響范圍均有所增加，并且沉降變化較大位置集中在距隧道軸線0～4 m范圍內(nèi)，即發(fā)生在空洞所在的空間位置。觀察不同的空洞與地表間距下地表沉降，其沉降差異距隧道軸線0～4 m范圍內(nèi)較為明顯，其空洞距地表1 m工況的沉降曲線發(fā)生明顯變化，距隧道軸線0～4 m范圍處的地表沉降發(fā)生突變，該處地表坍塌，突變位置處的空洞埋深與隧道頂部埋深的比值為11.3%。模擬結(jié)果表明空洞埋深小于隧道頂部埋深的11.3%，地表會發(fā)生瞬間塌落。

圖7 盾構(gòu)掘進第6環(huán)橫向地表沉降值Fig. 7 Lateral surface settlement value from the shield tunneling to the 6th ring

在盾構(gòu)掘進過程中，如發(fā)現(xiàn)開挖環(huán)土方超挖，按照盾構(gòu)機刀盤開挖處與同步注漿位置相隔4～6環(huán)的距離，可以借助砂卵石地層中盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地表滯后沉降特點，須在盾尾注漿孔鄰近至超挖環(huán)時，加大同步注漿量，并隨后進行二次注漿彌補。如開挖環(huán)處土方超挖，隨即地表發(fā)生明顯沉降的情況，須及時進行地面打孔注漿；地面注漿不允許的情況下須通過土倉對掌子面注入高濃度泥漿等彌補措施。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of soil layers

2 結(jié) 論

借助數(shù)值模擬方法，通過對擴大某一開挖環(huán)半徑的方式來模擬盾構(gòu)超挖施工，通過挖除不同埋深的土體單元，用來演示盾構(gòu)超挖引起的空洞往地表延伸的施工模擬過程，模擬分析得到了超挖土和滯后沉降工況對地表沉降的影響規(guī)律。

數(shù)值計算得出當空洞發(fā)生在偏離隧道軸線的位置時，其空洞與地表間距對地表軸線位置沉降的影響規(guī)律不與間距的大小成正比例關(guān)系。提出砂卵石地層EPB盾構(gòu)施工空洞埋深小于隧道頂部埋深的11.3%，地表會發(fā)生瞬間塌落，其空洞埋深與隧道頂部埋深的位置比，為隧道超挖土形成空洞對地表沉降影響的機理研究提供參數(shù)線索。

在盾構(gòu)掘進過程中，如發(fā)現(xiàn)掘進超挖，須在盾尾注漿孔鄰近至超挖環(huán)時，加大同步注漿量和二次注漿彌補。如開挖環(huán)處土方超挖隨地表發(fā)生明顯沉降的情況，進行地面打孔注漿或通過土倉對掌子面注入高濃度泥漿等彌補措施。