砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞模型試驗(yàn)研究

宋偉濤， 張 佩， 杜修力， 林慶濤

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124； 2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 北京 102616；3.香港理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)系， 香港 999077)

砂卵石地層是一種常見(jiàn)的工程地質(zhì)體，在我國(guó)北京、成都和沈陽(yáng)等地廣泛分布. 由于砂卵石地層具有孔隙大、地層擾動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程極易引起圍巖過(guò)大變形. 同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)土壓艙內(nèi)支護(hù)壓力過(guò)小也會(huì)引起開(kāi)挖面主動(dòng)破壞甚至引發(fā)地表塌陷事故[1-2]. 因此，開(kāi)展砂卵石地層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的圍巖擾動(dòng)研究具有重要意義.

針對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列的研究. 常用的研究手段主要有：理論分析法[3-5]、經(jīng)驗(yàn)公式法[6-7]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法[8-10]、數(shù)值模擬法[11-14]和模型試驗(yàn)法[15]等. 在模型試驗(yàn)的研究中，李偉平等[16]研究淺埋砂卵石地層地表沉降槽形態(tài)，結(jié)果表明：砂卵石地層地表沉降值分布符合Peck曲線形態(tài). 然而，王俊等[17]采用直徑800 mm模型盾構(gòu)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：地表沉降槽形式呈V型分布，江英超[2]、胡雄玉等[18]得出相同的結(jié)論. 可以看出，學(xué)者們得出的砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降規(guī)律不盡相同，仍需探究.

針對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一定的模型試驗(yàn)研究. 范祚文等[19]采用刀盤(pán)原位旋轉(zhuǎn)、人工出土的方式開(kāi)展砂卵石地層的開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞模型試驗(yàn)，研究表明：由于土拱的存在，開(kāi)挖面前方土體經(jīng)歷局部破壞到整體破壞的發(fā)展過(guò)程. 李偉平等[16]通過(guò)刀盤(pán)后退的方式模擬砂卵石地層開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程，結(jié)果表明：隨開(kāi)挖面位移增大，開(kāi)挖面上方地層先沉降，而后向上發(fā)展. 由此可見(jiàn)，學(xué)者們研究砂卵石地層開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞的發(fā)展規(guī)律，但未采用刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、螺旋出土器勻速出土的方式真實(shí)模擬盾構(gòu)開(kāi)挖面破壞過(guò)程，同時(shí)對(duì)開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞在地層中發(fā)展過(guò)程的監(jiān)測(cè)分析較少. 此外，未對(duì)比分析不同開(kāi)挖面實(shí)現(xiàn)方式引起的地表塌陷的差異.

本文以清華園隧道盾構(gòu)段為工程背景，采用φ280 mm模型盾構(gòu)機(jī)開(kāi)展砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖圍巖擾動(dòng)模型試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)地表變形值分析盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降曲線特征，然后采用螺旋出土的方式實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞并分析地層破壞的發(fā)展過(guò)程，最后對(duì)比2種不同開(kāi)挖面主動(dòng)破壞實(shí)現(xiàn)方式引起地表塌陷特征的差異.

1 工程背景

新京張鐵路清華園隧道工程位于北京市海淀區(qū)，隧道入口位于學(xué)院南路北側(cè)，出口位于雙清路北側(cè)，全長(zhǎng)5 330.0 m. 隧道兩端采用明挖法施工，中段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段的長(zhǎng)度為3 766.5 m. 盾構(gòu)段采用2臺(tái)φ12.61 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，分別從3#盾構(gòu)豎井始發(fā)至2#盾構(gòu)豎井接收和從2號(hào)豎井始發(fā)至1#豎井接收. 盾構(gòu)刀盤(pán)的開(kāi)口率大于30%，刀盤(pán)開(kāi)口部分設(shè)計(jì)為便于流動(dòng)的楔形結(jié)構(gòu)，利于渣土流動(dòng). 盾構(gòu)隧道采用管片拼裝式襯砌，管片外徑12.2 m，內(nèi)徑11.1 m，管片厚0.55 m，環(huán)寬2.0 m. 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，管片與地層間的空隙采用水泥砂漿同步注漿填充.

清華園隧道盾構(gòu)段地層主要為第4系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)雜填土和第4系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl). 盾構(gòu)隧道縱斷面的地層條件從上到下依次是人工填土、粉質(zhì)黏土和卵石土等，見(jiàn)圖1. 盾構(gòu)段穿越的地質(zhì)主要為卵石土地層，其中全斷面砂卵石地層達(dá)1 800 m，砂卵石復(fù)合地層達(dá)1 200 m. 盾構(gòu)穿越的砂卵石地層厚度為0.8～16.6 m，密實(shí)度為稍密或中密，呈圓棱狀. 土體粒徑最大約為150 mm，大于60 mm的卵石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約55%，20～60 mm的卵石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約15%，余為砂充填，級(jí)配較好，巖芯呈散狀，未見(jiàn)膠結(jié)，見(jiàn)圖2. 新建隧道頂部大部分時(shí)間位于砂卵石地層中，盾構(gòu)開(kāi)挖面前方容易發(fā)生局部塌陷.

圖1 清華園隧道縱斷面圖

圖2 盾構(gòu)段卵石巖芯照片

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托清華園隧道盾構(gòu)工程，采用課題組自主設(shè)計(jì)的模型盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降及開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞規(guī)律研究.

2.1 模型試驗(yàn)平臺(tái)

為開(kāi)展砂卵石地層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖地表沉降及開(kāi)挖面主動(dòng)破壞模型試驗(yàn)研究，課題組自主設(shè)計(jì)研發(fā)了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖模型試驗(yàn)平臺(tái)[20]. 模型試驗(yàn)平臺(tái)主要包括模型箱、模型盾構(gòu)機(jī)和模型盾構(gòu)控制系統(tǒng)3個(gè)部分，見(jiàn)圖3.

圖3 模型試驗(yàn)平臺(tái)

模型箱為鋼性箱，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2.0 m×2.0 m×1.5 m，其前后箱壁開(kāi)有直徑為28.5 cm的洞口，便于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)出模型箱. 在模型箱內(nèi)沿開(kāi)挖方向1.0 m處設(shè)置中隔板卡槽，可在其中安裝中隔板將模型箱分隔為2個(gè)獨(dú)立空間，實(shí)現(xiàn)1次試驗(yàn)2個(gè)工況的目的. 模型盾構(gòu)機(jī)可實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、盾構(gòu)頂進(jìn)和螺旋出土等功能. 與真實(shí)盾構(gòu)機(jī)不同，模型盾構(gòu)機(jī)為頂管式推進(jìn)裝置，襯砌與盾殼連接在一起隨刀盤(pán)向前頂入模型箱內(nèi)部，等效于邊掘進(jìn)邊管片支護(hù). 隧道襯砌的外徑為28 cm，刀盤(pán)的開(kāi)口率為45%，類(lèi)型為輻板式，螺旋出土器的最大排出粒徑為1 cm. 由于盾構(gòu)機(jī)的直徑過(guò)小，不考慮盾構(gòu)壁后注漿.

控制系統(tǒng)可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)刀盤(pán)和螺旋出土器的旋轉(zhuǎn)以及盾構(gòu)機(jī)身的頂進(jìn). 當(dāng)控制系統(tǒng)控制頂進(jìn)電機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)的開(kāi)始、結(jié)束，并能隨時(shí)改變頂進(jìn)速度；當(dāng)控制刀盤(pán)或螺旋出土器電機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)其正向(順時(shí)針)和反向(逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)及停止，并能隨時(shí)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速. 此外，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)全過(guò)程的掘進(jìn)參數(shù)，如刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和扭矩、頂進(jìn)速度和頂進(jìn)力等.

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀盤(pán)前方土壓力大小，在刀盤(pán)面板上鑲嵌土壓力盒，土壓力盒直徑為10 mm，孔的直徑為11 mm，土壓力盒與刀盤(pán)面板孔徑之間用軟膠填充. 刀盤(pán)面板上土壓力盒的布設(shè)位置如圖4所示. 監(jiān)測(cè)刀盤(pán)土壓力時(shí)，將土壓力盒引線通過(guò)刀盤(pán)中軸引至盾尾，連接上無(wú)線發(fā)射器，避免了刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)將刀盤(pán)面板上土壓力盒導(dǎo)線絞斷. 同時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)旁邊放置無(wú)線接收儀，連接計(jì)算機(jī)接收無(wú)線發(fā)射器發(fā)送的數(shù)據(jù). 無(wú)線采集系統(tǒng)見(jiàn)圖5.

圖4 刀盤(pán)上土壓力盒位置

圖5 無(wú)線采集儀裝置

2.2 相似砂卵石地層設(shè)計(jì)

由清華園隧道盾構(gòu)機(jī)直徑12.61 m及模型盾構(gòu)機(jī)直徑28 cm可知，模型試驗(yàn)中的幾何相似比為1∶45. 在配制模型試驗(yàn)中砂卵石相似地層材料時(shí)，只考慮其粒徑與清華園隧道地層粒徑的幾何相似比，不考慮地層物理力學(xué)參數(shù)的相似.

基于清華園隧道盾構(gòu)工程中砂卵石地層顆粒組成，根據(jù)模型試驗(yàn)中地層顆粒粒徑的幾何相似比1∶45，計(jì)算出模型試驗(yàn)中的土顆粒等效粒徑范圍，見(jiàn)表1. 綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)效率，模型試驗(yàn)采用粒徑范圍為0.15～0.25 mm的粉砂和粒徑范圍為2.00～3.00 mm的角礫土分別模擬工程中小于20 mm 和大于20 mm的地層組分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%和70%，見(jiàn)表2. 將2種土體按質(zhì)量比均勻混合配置模型試驗(yàn)中的砂卵石地層，對(duì)應(yīng)的卵石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%. 此外，根據(jù)清華園隧道典型斷面的埋深情況，將模型試驗(yàn)中地層埋深設(shè)計(jì)為2D，D為隧道直徑.

表1 工程中地層組分粒徑及等效相似粒徑

表2 模型試驗(yàn)中地層組分

根據(jù)清華園隧道盾構(gòu)段工程地質(zhì)勘查報(bào)告，盾構(gòu)穿越砂卵石地層的密實(shí)度為中密，故將模型試驗(yàn)中地層的密實(shí)度設(shè)計(jì)為中密. 基于室內(nèi)相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn)，測(cè)得模型試驗(yàn)地層的最大干密度和最小干密度分別為2 100、1 495 kg/m3. 試驗(yàn)中取地層相對(duì)密實(shí)度Dr為0.55，根據(jù)砂土的相對(duì)密實(shí)度公式，計(jì)算得到試驗(yàn)中地層的填土干密度為1 776 kg/m3.

此外，針對(duì)模型試驗(yàn)中的砂卵石土體還開(kāi)展了室內(nèi)含水率試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，測(cè)得土體的含水率近似為0%，內(nèi)摩擦角為44°.

2.3 監(jiān)測(cè)方案

2.3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本次試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)地中及地表變形，在模型箱內(nèi)地層中布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn).以下分析中以盾構(gòu)始發(fā)斷面和盾構(gòu)隧道中心線為x向和y向，盾構(gòu)刀盤(pán)面板中心為原點(diǎn)O，隧道中心線右側(cè)為橫坐標(biāo)x的正方向，盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)榭v坐標(biāo)y正方向.具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置布設(shè)見(jiàn)圖6、7.

圖6 地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(單位：mm)

1)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)

地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，其中，橫向監(jiān)測(cè)斷面有3條，分別為y190、y400和y470斷面；縱向監(jiān)測(cè)斷面也有3條，分別為x0、x70和x-140斷面.測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1～14和21～29.

2)地中監(jiān)測(cè)點(diǎn)

地中監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示，監(jiān)測(cè)斷面由y400和y470兩條橫斷面和x0縱斷面組成，分別見(jiàn)圖7(a)(b).其中，測(cè)點(diǎn)11、12和測(cè)點(diǎn)35、36位于y400斷面上，其余測(cè)點(diǎn)均位于y470斷面上.地中位移測(cè)點(diǎn)只布設(shè)在盾構(gòu)掘進(jìn)中心線上及其一側(cè).

圖7 地中監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置(單位：mm)

同時(shí)，為觀察開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞過(guò)程中地表塌陷的范圍，在圖6中地表位移測(cè)點(diǎn)12的四周用色砂繪制網(wǎng)格線，見(jiàn)圖8.

圖8 網(wǎng)格狀色砂線

2.3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

本試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)砂卵石地層的地表位移和地中位移，其中，地表位移采用頂桿式位移計(jì)測(cè)量，地中位移采用光柵尺位移計(jì)系統(tǒng)測(cè)量.

地表位移監(jiān)測(cè)裝置見(jiàn)圖9. 在測(cè)量地表位移時(shí)，將位移計(jì)通過(guò)直角鐵片和卡扣固定在位移計(jì)支架上，調(diào)節(jié)位移計(jì)高度后固定在直角鐵片上，見(jiàn)圖9(a). 地表測(cè)點(diǎn)位置放置1個(gè)2.5 cm×2.5 cm的地表鋼片，用502膠水將位移計(jì)頂桿末端與鋼片垂直連接，防止兩者相對(duì)滑移，見(jiàn)圖9(b).

圖9 地表位移監(jiān)測(cè)裝置

地中位移的測(cè)量采用光柵尺位移計(jì)系統(tǒng)間接測(cè)量. 光柵尺位移計(jì)系統(tǒng)放置在模型箱外側(cè)，與模型箱及地層無(wú)直接接觸，通過(guò)將地中鋼絲引至光柵尺位移計(jì)上進(jìn)行測(cè)量. 地中位移測(cè)量的步驟如圖10所示. 測(cè)量時(shí)，在地中測(cè)點(diǎn)位置水平放置直徑為2.5 cm的圓形墊片，每個(gè)墊片中心固定1條直徑為0.3 mm的細(xì)鋼絲，見(jiàn)圖10(a). 為消除鋼絲與土體的摩擦，在鋼絲周?chē)咨蟽?nèi)徑為1 mm有機(jī)玻璃管，然后埋設(shè)地中墊片和有機(jī)玻璃管，見(jiàn)圖10(b). 最后，鋼絲垂直向上延展經(jīng)滑輪改變?yōu)樗椒较?，連接上光柵尺位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖10(c). 地中墊片發(fā)生豎向位移，帶動(dòng)鋼絲運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在光柵尺位移計(jì)系統(tǒng)上顯示位移量. 光柵尺位移計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度為1 μm，光柵尺位移計(jì)見(jiàn)圖10(d).

圖10 地中位移測(cè)量的步驟

2.4 填土方案

本次試驗(yàn)在模型箱的前半箱中開(kāi)展，底面積為2.0 m×1.0 m. 填土采用密度控制法，即每層填筑相同質(zhì)量的土體. 每層填土的控制標(biāo)高為10 cm，根據(jù)模型箱底面積和填土密度，計(jì)算得到每層(10 cm)填土的質(zhì)量為355 kg. 試驗(yàn)中填土的壓實(shí)方式為人工夯實(shí).

具體填土的步驟(見(jiàn)圖11)為：

1)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作. 在模型箱內(nèi)壁粘貼光滑的塑料卷材，減小土體與箱壁間的摩擦；為精確控制填土高度，在箱壁四周粘貼金屬黏性尺，沿高度方向用鉛筆每間隔10 cm在塑料卷材上劃水平線；同時(shí)在箱壁四周繪制各監(jiān)測(cè)斷面的豎直線.

2)分層填土. 根據(jù)每層填土的質(zhì)量355 kg，用塑料桶從模型箱一側(cè)向模型箱內(nèi)分區(qū)域倒入土體，達(dá)到該層填土質(zhì)量后，用平砂耙將虛土扒平，見(jiàn)圖11(a)(b).

3)分層夯實(shí). 采用夯錘人工夯實(shí)至10 cm，從模型箱一個(gè)角開(kāi)始蛇形前進(jìn)夯實(shí)，一夯壓半夯，直至壓實(shí)至標(biāo)高，見(jiàn)圖11(c).

4)檢驗(yàn)標(biāo)高及平整度. 用紅外線掃描儀檢驗(yàn)每層填土是否達(dá)到標(biāo)高和平整，見(jiàn)圖11(d). 若未達(dá)到標(biāo)高，則繼續(xù)夯實(shí)至標(biāo)高；若超過(guò)標(biāo)高，則將該層砂土耙松后重新夯實(shí).

圖11 填土的步驟

5)循環(huán)往復(fù). 分層填土，直至達(dá)到地表標(biāo)度.

在分層填土的同時(shí)，需要在地中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置埋設(shè)地中位移計(jì)的墊片. 埋設(shè)時(shí)先將填土高度超過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋深，然后挖槽放入位移計(jì)墊片，埋好之后輕輕補(bǔ)夯并重新整平.

2.5 試驗(yàn)開(kāi)挖方案

基于試驗(yàn)?zāi)康闹贫Ｐ驮囼?yàn)開(kāi)挖方案，盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程可分為3個(gè)階段(見(jiàn)圖12).

圖12 模型試驗(yàn)各階段(單位：mm)

第1階段：掘進(jìn)段(刀盤(pán)面板y=30～400 mm)，目的是研究盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降規(guī)律. 啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)電機(jī)、螺旋出土電機(jī)和頂進(jìn)電機(jī)，使刀盤(pán)正向旋轉(zhuǎn)、螺旋出土并開(kāi)始頂進(jìn)，從起始位置開(kāi)挖至y400位置停止；設(shè)置頂進(jìn)速度為5.0 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.0 r/min，初始螺旋出土器轉(zhuǎn)速為5.0 r/min. 在掘進(jìn)過(guò)程中，保持刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度不變，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋出土器的轉(zhuǎn)速使土倉(cāng)內(nèi)的進(jìn)土量和出土量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡. 盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)段的掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

第2階段：出土破壞段(刀盤(pán)面板y=400 mm)，目的是研究盾構(gòu)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞發(fā)展過(guò)程. 盾構(gòu)機(jī)停止在y400位置，采用刀盤(pán)空轉(zhuǎn)、螺旋出土的方式實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程. 設(shè)置模型盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速為0.2 r/min，出土速度為1.0 r/min. 每15 s稱(chēng)一次出土質(zhì)量，直至30 min時(shí)關(guān)閉盾構(gòu)機(jī)電機(jī)，該階段結(jié)束.

第3階段：后退破壞段(刀盤(pán)面板y=680～660 mm)，目的是分析不同開(kāi)挖面主動(dòng)破壞方式引起的地表塌陷坑特征的差異. 盾構(gòu)機(jī)從y400掘進(jìn)至y680后，關(guān)閉盾構(gòu)機(jī)所有電機(jī)，靜置一段時(shí)間. 然后，采用刀盤(pán)反向旋轉(zhuǎn)、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)及機(jī)身整體勻速后退的方式實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程. 設(shè)置后退速度為1.0 mm/min，刀盤(pán)反轉(zhuǎn)的速度為0.2 r/min，后退距離為20.0 mm.

3 掘進(jìn)過(guò)程地表沉降規(guī)律

模型盾構(gòu)機(jī)從y30掘進(jìn)至y400過(guò)程中，監(jiān)測(cè)y190斷面各測(cè)點(diǎn)的地表沉降值，分析橫向地表沉降槽形態(tài)和地表沉降時(shí)程變化規(guī)律.

3.1 橫斷面地表沉降槽

試驗(yàn)過(guò)程中，模型盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)至不同位置處時(shí)y190斷面地表沉降曲線如圖13所示.

圖13 y190橫斷面地表沉降曲線

圖13表明，y190斷面橫向地表沉降曲線關(guān)于隧道中心線非對(duì)稱(chēng)分布.隧道中心線正上方的地表沉降值最大，其他測(cè)點(diǎn)的地表沉降值隨著與隧道中心線距離的增大而減小.由于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)的影響，隧道中心線兩側(cè)的地表沉降值關(guān)于隧道中心線呈非對(duì)稱(chēng)分布，中心線左側(cè)的沉降量大于右側(cè).隨著掘進(jìn)距離的增加，地層損失越大，非對(duì)稱(chēng)分布越顯著.同時(shí)，隧道中心線左側(cè)擾動(dòng)影響寬度約為1.5D，右側(cè)約為1.25D.由此說(shuō)明，刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)砂卵石地層隧道中心線兩側(cè)的地表沉降量和影響寬度均有影響，兩者均呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)分布特征.

3.2 地表沉降隨掘進(jìn)距離變化

盾構(gòu)正常掘進(jìn)過(guò)程中，y190監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的沉降值隨掘進(jìn)距離的變化曲線如圖14所示，可以看出，位于隧道中心線正上方及兩側(cè)的x=0 cm、x=7 cm、x=-14 cm和x=21 cm測(cè)點(diǎn)的地表沉降明顯，隧道中心線上方x=0 cm測(cè)點(diǎn)的沉降量最大.隨著掘進(jìn)距離的增大，該4個(gè)測(cè)點(diǎn)的地表沉降逐漸增大，由于掘進(jìn)距離有限，地表沉降值在圖中并未達(dá)到穩(wěn)定.此外，由于其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)距離盾構(gòu)掘進(jìn)中線較遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)的地表沉降值幾乎無(wú)變化.可以看出，隧道掘進(jìn)對(duì)中心線左側(cè)土體的影響邊界為1D～1.5D，右側(cè)土體的影響邊界為0.75D～1.25D.同時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)x=-28 cm測(cè)點(diǎn)的地表沉降量大于x=21 cm測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明地表沉降值并非關(guān)于隧道中心線對(duì)稱(chēng)，這是刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)對(duì)地層的擾動(dòng)作用造成的.

圖14 地表測(cè)點(diǎn)沉降隨掘進(jìn)距離變化曲線

4 開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞發(fā)展規(guī)律

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至400 mm后，關(guān)閉盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)、螺旋出土器和頂進(jìn)電機(jī)，放置一段時(shí)間，通過(guò)刀盤(pán)空轉(zhuǎn)、螺旋出土的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程.

4.1 出土量的變化

盾構(gòu)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程中，每隔15 s稱(chēng)取一次出土的質(zhì)量并記錄，出土質(zhì)量隨時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖15.

圖15 出土量隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖15中可以看出，每15 s的出土質(zhì)量大小為15～35 g，呈波浪式上下浮動(dòng). 累計(jì)出土量隨時(shí)間變化曲線近似為一條直線，說(shuō)明盾構(gòu)螺旋出土器能夠穩(wěn)定出土，從而保證開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞發(fā)展的連續(xù)性.

4.2 開(kāi)挖面土壓力變化

開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程中，刀盤(pán)面板上土壓力增量隨時(shí)間的變化曲線如圖16所示. 可以看出，刀盤(pán)面板上土壓力增量高頻率上下跳躍變化，這主要是由于刀盤(pán)勻速旋轉(zhuǎn)切削土體時(shí)，與刀盤(pán)面板上土壓力盒接觸的土顆粒不斷更替，兩者之間滑動(dòng)摩擦及分離導(dǎo)致土壓力盒與土顆粒間接觸壓力不穩(wěn)定. 總體來(lái)看，刀盤(pán)面板上土壓力從15 min開(kāi)始逐漸減小，說(shuō)明隨著開(kāi)挖面失穩(wěn)的發(fā)展，刀盤(pán)前方土體與刀盤(pán)面板之間的擠壓力先減小后趨于穩(wěn)定.

圖16 刀盤(pán)土壓力增量變化曲線

4.3 地表及地中沉降變化

采用出土方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞的過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)部土體被螺旋出土器排出的同時(shí)，刀盤(pán)前方的土體經(jīng)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi). 在此過(guò)程中，刀盤(pán)上方土層必然會(huì)發(fā)生沉降，進(jìn)而影響到地表. 開(kāi)挖面主動(dòng)破壞過(guò)程中地表及地中測(cè)點(diǎn)沉降的時(shí)程曲線見(jiàn)圖17.

圖17 地表及地中測(cè)點(diǎn)的沉降時(shí)程曲線

從圖17可以看出，螺旋出土的前15 min之內(nèi)，地表及地中z420層各測(cè)點(diǎn)的沉降量幾乎沒(méi)變化；20 min時(shí)，地中z420層刀盤(pán)中心對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)36的沉降量開(kāi)始明顯增大；出土25 min時(shí)，地表刀盤(pán)中心對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)12的沉降量開(kāi)始明顯增大. 在此過(guò)程中，其他測(cè)點(diǎn)除地表測(cè)點(diǎn)10和測(cè)點(diǎn)11有少量沉降外，剩余測(cè)點(diǎn)均無(wú)明顯變化.

從豎向發(fā)展來(lái)看，對(duì)比測(cè)點(diǎn)12和36的沉降時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)36發(fā)生明顯沉降的時(shí)間為出土20 min時(shí)，而測(cè)點(diǎn)12發(fā)生明顯沉降的時(shí)間為出土25 min時(shí). 由此說(shuō)明，地中沉降發(fā)展至地表存在滯后性. 從水平向發(fā)展來(lái)看，以z420地層為例，對(duì)比測(cè)點(diǎn)34～37可以看出，沉降最先發(fā)生及最明顯的測(cè)點(diǎn)為刀盤(pán)中心正上方的測(cè)點(diǎn)36，其他測(cè)點(diǎn)變形量極小，說(shuō)明地層變形的范圍集中于刀盤(pán)中心對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)周?chē)鶧/4之內(nèi). 同時(shí)，觀察地表測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線發(fā)現(xiàn)，除測(cè)點(diǎn)10和測(cè)點(diǎn)11有少量沉降外，其他測(cè)點(diǎn)幾乎沒(méi)沉降量，說(shuō)明地表沉降范圍約為在刀盤(pán)中心正上方測(cè)點(diǎn)的D/2范圍內(nèi).

4.4 開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞發(fā)展過(guò)程

開(kāi)挖面主動(dòng)破壞的過(guò)程中，隨著出土量的不斷增加，開(kāi)挖面前方土體破壞經(jīng)歷了從刀盤(pán)前方及上方向地中和地表發(fā)展的過(guò)程. 開(kāi)挖面主動(dòng)破壞在地層中的發(fā)展過(guò)程如圖18所示，圖中各點(diǎn)為地層初始出現(xiàn)明顯沉降的埋深值.

圖18 主動(dòng)破壞發(fā)展過(guò)程

開(kāi)挖面開(kāi)始出土的時(shí)刻為0 min；出土至15 min時(shí)，刀盤(pán)上土壓力開(kāi)始發(fā)生明顯變化，說(shuō)明此位置(z=70 cm)的土體發(fā)生顯著變形；當(dāng)出土20 min時(shí)，刀盤(pán)中心正上方地中測(cè)點(diǎn)(z=42 cm)沉降量快速增大，說(shuō)明開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞的影響發(fā)展至此埋深位置；當(dāng)出土25 min后，地表測(cè)點(diǎn)(z=0 cm)出現(xiàn)明顯沉降，說(shuō)明開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞發(fā)展至地表.

可以看出，出土開(kāi)始時(shí)刻、地中有明顯沉降及地表有明顯沉降時(shí)刻存在明顯的時(shí)間差，開(kāi)挖面前方的土體損失引起的沉降滯后影響至上方測(cè)點(diǎn)，這是由于砂卵石地層土拱效應(yīng)造成的.

5 地表塌陷特征分析

為探究不同開(kāi)挖面破壞實(shí)現(xiàn)方式對(duì)主動(dòng)破壞引起的地表塌陷特征的影響，試驗(yàn)中除設(shè)置盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)在y400位置采用刀盤(pán)正轉(zhuǎn)和螺旋出土方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞的出土破壞段之外，同時(shí)設(shè)置盾構(gòu)機(jī)在y680位置通過(guò)盾構(gòu)后退、刀盤(pán)反轉(zhuǎn)和停止出土的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞.

試驗(yàn)結(jié)束后，采用不同顏色的砂土描繪地表塌陷坑的輪廓. 采用出土方式和刀盤(pán)后退方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面主動(dòng)破壞引起的地表塌陷坑見(jiàn)圖19.

圖19 地表塌陷坑(單位：mm)

觀察圖19中塌陷坑的位置可以發(fā)現(xiàn)，2種開(kāi)挖面主動(dòng)破壞的方式引起地表塌陷坑均為沙漏狀，塌陷坑的中心均不位于隧道中心線上. 出土破壞方式引起的地表塌陷坑中心位于沿掘進(jìn)方向隧道中心線的左側(cè)，而采用后退方式得到的地表塌陷坑中心位于隧道中心線的右側(cè). 這說(shuō)明，刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)導(dǎo)致地表塌陷坑中心有一定的左右偏移，并且旋轉(zhuǎn)方向決定了地表塌陷坑中心位置的偏移方向. 可以看出，沉降槽中心的位置位于刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)切線方向垂直向上時(shí)的一側(cè). 同時(shí)，2種方式引起地表塌陷坑的輪廓近似為橢圓形，長(zhǎng)軸為掘進(jìn)方向的垂直向，短軸為掘進(jìn)方向.

6 結(jié)論

依托清華園隧道盾構(gòu)工程，采用盾構(gòu)開(kāi)挖模型試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)圍巖擾動(dòng)模型試驗(yàn)，探究了掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降規(guī)律及開(kāi)挖面主動(dòng)破壞發(fā)展規(guī)律. 主要取得以下結(jié)論：

1)砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沉降值和兩側(cè)的影響寬度關(guān)于隧道中心線非對(duì)稱(chēng)分布，這是由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)對(duì)地層的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)作用造成的.

2)由于土拱效應(yīng)的存在，盾構(gòu)開(kāi)挖面上方地層及地表沉降存在明顯的滯后性；砂卵石地層中開(kāi)挖面主動(dòng)破壞的影響集中在隧道中心線正上方D/2范圍內(nèi).

3)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向?qū)Φ乇硭葜行牡奈恢糜绊戯@著，當(dāng)?shù)侗P(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，塌陷坑中心位于隧道中心線的左側(cè)，刀盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)位于右側(cè)，即：塌陷坑的中心位于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的切線垂直向上時(shí)的一側(cè).

4)黏土地層與砂卵石地層中地表沉降及開(kāi)挖面主動(dòng)破壞發(fā)展規(guī)律差異較大. 砂卵石地層中橫斷面地表沉降槽窄而深；而在黏土地層中為高斯曲線，寬而淺. 砂卵石地層易發(fā)生地層塌陷破壞，破壞模式為煙囪狀；而在黏土地層不易發(fā)生地層塌陷破壞，破壞模式為盆狀.