天津軟土地層重疊盾構(gòu)隧道施工地表變形規(guī)律研究

楊鑫康,漆偉強(qiáng),江玉生,何 擎

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

引言

我國擁有全世界擴(kuò)展最快的地鐵網(wǎng)絡(luò)，隨著大城市的不斷發(fā)展，地下空間的范圍也隨之?dāng)U張。修建地鐵是地下空間發(fā)展過程中的重要組成部分，地鐵隧道開挖過程中必須注意對(duì)周圍環(huán)境的影響，特別是對(duì)地表的擾動(dòng)[1]。在一些地面建筑密集、地下空間狹窄區(qū)域，為充分利用空間及實(shí)現(xiàn)便捷換乘，地鐵隧道出現(xiàn)了重疊隧道的形式。重疊隧道的沉降值往往不是單線隧道沉降的簡單相加[2]，因此，很有必要研究重疊隧道的地表沉降規(guī)律和變形特征，更好地預(yù)測(cè)和控制地表沉降并確保周圍環(huán)境安全。

在隧道開挖過程中，地表沉降是不可避免的。對(duì)此，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測(cè)施工對(duì)地表的影響。PECK[3]假定沉降槽體積同地層損失體積一樣，推導(dǎo)出用于預(yù)測(cè)地表沉降規(guī)律的公式；ATTEWELL[4]認(rèn)為Peck公式的寬度系數(shù)在一些情況不適用，因此，建立了新的公式來計(jì)算寬度系數(shù)；LOGANATHAN[5]闡述了經(jīng)驗(yàn)方法的局限性，如在不同地層性質(zhì)、隧道幾何參數(shù)和修建方法下的適用性；TANG等[6]通過改進(jìn)Peck公式，將低滲透性軟土地層中雙線隧道地表沉降預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性提高了30%～50%。ZHANG等[7]將時(shí)間因素和埋深對(duì)地表沉降的影響引進(jìn)Peck公式，得出了不同時(shí)間的地表沉降；FANG等[8]通過改進(jìn)Peck公式更好地預(yù)測(cè)了重疊隧道地表沉降規(guī)律。

隨著計(jì)算水平的進(jìn)步，數(shù)值模擬作為模擬計(jì)算技術(shù)引入到了隧道工程中。一些學(xué)者使用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對(duì)重疊隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行研究。謝雄耀[9]、汪敏[10]等對(duì)軟土地層重疊盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)；YANG[11]，桂志敬[12]等通過研究發(fā)現(xiàn)“先下后上”和“先上后下”的施工先后順次在地表沉降槽的形狀和寬度上沒有顯著區(qū)別，但“先下后上”的最大地表沉降更??；臺(tái)啟民[13]、劉清文[14]等通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出深孔注漿能夠減小后建隧道修建過程中先修隧道的地表沉降；孫鈞[15]、劉秋霞等[16-17]通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出上行隧道掘進(jìn)前期地表沉降增幅最快，下部隧道的地層損失率大于上部隧道；劉維[18]、唐曉武[19]、劉鵬[20]等研究富水地層中的重疊隧道施工后發(fā)現(xiàn)，滲流作用使下部隧道的地表沉降槽寬度增大，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)拱頂沉降小于地表沉降的現(xiàn)象。

當(dāng)前研究大多集中于使用數(shù)值模擬對(duì)重疊盾構(gòu)隧道地表變形規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析較少，工程實(shí)際土壓取值與地表沉降之間關(guān)系的研究也較少。依托天津地鐵5號(hào)線賓館西路—環(huán)湖西路區(qū)間(以下簡稱“5號(hào)線”)和6號(hào)線環(huán)湖西路—賓館西路區(qū)間(以下簡稱“6號(hào)線”)，通過對(duì)地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)合實(shí)際工程土壓取值，給出了本工程中重疊隧道上部隧道和下部隧道推進(jìn)土壓力和靜止土壓力的合理比值范圍，得出Peck公式中的沉降參數(shù)k值分布規(guī)律，通過對(duì)典型斷面的數(shù)值模擬，分析了不同開挖順序下的地表沉降特征，為后續(xù)重疊隧道施工土壓力控制、地表沉降分析提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

天津地鐵5號(hào)線以左線在下、右線在上出賓館西路站，左右線交叉漸變呈麻花狀，以左線在上、右線在下進(jìn)入環(huán)湖西路站；6號(hào)線以左線在下、右線在上出環(huán)湖西路站，并保持左線在上右線在下的重疊關(guān)系延伸至賓館西路站。工程施工順序?yàn)椋?號(hào)線左線→5號(hào)線右線→5號(hào)線左線→6號(hào)線右線。5號(hào)線區(qū)間長1 149.7 m，重疊段長449.7 m，隧道拱頂埋深10.05～20.01 m；6號(hào)線區(qū)間長1 091.9 m，重疊段長1 091.9 m，隧道拱頂埋深8.45～11.30 m。5、6號(hào)線的水平凈距為5.75～21.18 m。區(qū)間示意如圖1所示。隧道主要開挖地層為⑥4粉質(zhì)黏土、⑦1黏質(zhì)粉土、⑧1粉質(zhì)黏土和⑨1粉質(zhì)黏土層。隧道穿越地層地下水為孔隙性潛水，存在于④、⑥地層中，靜止水位埋深0.9～4.8 m，水位年變幅0.5～1.0 m。承壓含水層分布于⑨2粉土中，隔水層為粉質(zhì)黏土層，其中，距離隧道最薄的隔水層為7.2 m。區(qū)間地質(zhì)縱斷如圖2所示。

圖1 區(qū)間示意

圖2 區(qū)間地質(zhì)縱斷面

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，始發(fā)和接收洞門50 m范圍內(nèi)每4環(huán)(6 m)布設(shè)1個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每8環(huán)(12 m)布設(shè)1個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，其他部分每8環(huán)(12 m)布設(shè)1個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每40環(huán)(60 m)布設(shè)1個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置8～11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)斷面布置如圖3所示。監(jiān)測(cè)頻率：開挖面距離監(jiān)測(cè)斷面0～2D時(shí)1～2次/d，2D～3D時(shí)1次/d，3D～5D時(shí)1次/周，大于5D時(shí)1次/月(D為開挖直徑)。每處監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)盾構(gòu)通過后的地表變形情況及沉降隨時(shí)間的發(fā)展曲線。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型和邊界條件

使用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)圖1中的斷面建立模型。6號(hào)線右線埋深11.3 m，6號(hào)線左右線凈距3.9 m；5號(hào)線左線埋深11.2 m，5號(hào)線左右線凈距2.6 m；5、6號(hào)線水平凈距10.1 m。模型長60 m，寬68 m，高46 m，模型沿長度方向截面不變。具體模型如圖4所示。土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，數(shù)值模型四個(gè)側(cè)表面采用法向約束，下表面采用固定約束，上表面自由。地層參數(shù)如表1所示。為對(duì)比不同開挖順序下的地表沉降特征，建立了2種開挖順序。開挖順序1：6號(hào)線左線→5號(hào)線左線→6號(hào)線右線→5號(hào)線右線，開挖順序2：6號(hào)線左線→6號(hào)線右線→5號(hào)線左線→5號(hào)線右線。

圖4 數(shù)值模擬模型(單位：m)

表1 地層參數(shù)

2.2 盾構(gòu)施工模擬方法

模擬的隧道直徑采用實(shí)際工程盾構(gòu)開挖直徑6.43 m，其中，管片外徑6.2 m，管片厚0.35 m。在實(shí)際工程中管片外壁與開挖外徑之間的間隙采用同步注漿填充，采用等效層來模擬同步注漿，等效層厚度230 mm。數(shù)值模擬開挖步驟如下。

(1)進(jìn)行初始化，主要包括模型建立、參數(shù)賦值及平衡地應(yīng)力。

(2)每一步開挖將掌子面前方長1.2 m，φ5.5 m的圓柱形土體設(shè)為空單元，模擬實(shí)際開挖過程中土體的開挖。同時(shí)，掌子面后方管片襯砌單元被激活，模擬管片拼裝。

(3)為模擬實(shí)際工程中同步注漿的凝固過程。在開挖第1環(huán)時(shí)，將實(shí)際注漿壓力設(shè)置在第1環(huán)等效層外以模擬同步注漿壓力，此時(shí)等效層強(qiáng)度為最終強(qiáng)度的1/3。每開挖2環(huán)，同步注漿壓力減小1/2，等效層強(qiáng)度增加1/3。第5環(huán)開挖后等效層達(dá)到最終強(qiáng)度，注漿壓力歸零，如圖5所示。開挖掌子面的土壓力和注漿壓力根據(jù)工程實(shí)際取值，具體如表2所示。

圖5 數(shù)值模擬步驟(3)示意

表2 土壓、注漿壓力工程取值

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 開挖順序1

當(dāng)采用開挖順序1時(shí)，提取圖4中監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)得到圖6。圖6圓圈中的數(shù)字代表開挖先后順序，5號(hào)線左線盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，其余盾?gòu)推進(jìn)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲狻Ｓ蓤D6可知，6號(hào)線左線地表沉降槽寬度約為40 m，地表最大沉降為10.9 mm；5號(hào)線左線開挖完后地表沉降槽寬度達(dá)到55 m，地表最大沉降為13 mm。6號(hào)線右線開挖完成，地表最大沉降進(jìn)一步增大到13.5 mm；5號(hào)線左線開挖完成后地表最大沉降為13.8 mm，最終地表沉降曲線寬度約55 m，呈雙峰狀。

圖6 開挖順序1數(shù)值模擬計(jì)算

2.3.2 開挖順序2

當(dāng)采用開挖順序2時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。6號(hào)線左線地表最大沉降及地表沉降槽寬度同開挖順序1；當(dāng)右線開挖完成后，地表沉降槽寬度沒有變化，地表最大沉降值由10.9 mm增大至12.5 mm。5號(hào)線左線開挖完成后，地表沉降曲線寬度增加至55 m，地表最大沉降增大到14 mm；右線開挖完成后，地表沉降曲線呈雙峰狀，寬度為55 m，最大沉降值為14.6 mm。

圖7 開挖順序2數(shù)值模擬計(jì)算

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)開挖順序1、2的數(shù)值模擬可得到表3，從表3及數(shù)值模擬結(jié)果中可以得到以下結(jié)論。

(1)開挖順序2對(duì)比開挖順序1，最終地表沉降曲線形狀無變化，都是雙峰狀，地表最大沉降增加0.8 mm，地表影響區(qū)域無變化，均為55 m。

(2)由開挖順序2可知，對(duì)于重疊開挖的6號(hào)線，在先下后上的開挖順序下，地表沉降槽寬度主要受下部隧道影響，上部隧道修建不會(huì)影響最終的沉降槽寬度。

表3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3 地表變形實(shí)測(cè)分析

3.1 Peck公式中沉降參數(shù)分析

PECK[3]假定沉降槽的體積與地層損失的體積相等(實(shí)際工程中盾構(gòu)開挖后隧道管片外徑小于開挖直徑)，得出了Peck公式。

(1)

(2)

式中，Sx為離隧道中線x處的地表沉降，mm；Smax為隧道正上方的地表沉降，m；x為測(cè)點(diǎn)離隧道中線的距離，m；Vs為開挖1 m造成的地層損失量，m3/m；i為沉降槽的寬度系數(shù)，m。

ATTEWELL[4]對(duì)沉降槽的寬度系數(shù)i進(jìn)行了修正，推導(dǎo)出

(3)

式中，R為開挖半徑，m；z為隧道中心與地表的距離，m；k、n為與地層性質(zhì)及施工因素有關(guān)的常數(shù)。黏土k=0.5～1，n=1；沙土k=0.25～0.5，n=0.36～0.97。

本文開挖地層主要為粉質(zhì)黏土，故n取1，k的取值需進(jìn)一步研究。

3.2 監(jiān)測(cè)斷面分析

根據(jù)圖3布置的地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，選取第15監(jiān)測(cè)斷面(代表始發(fā)和接收段)和第9監(jiān)測(cè)斷面(代表非始發(fā)和接收段)進(jìn)行分析。

3.2.1 第15監(jiān)測(cè)斷面

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出如圖8所示的第15斷面沉降曲線，圖中標(biāo)識(shí)含義同圖6。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于最先開挖的6號(hào)線左線，地表沉降在開挖軸線附近達(dá)到最大值12 mm，地表沉降槽寬度約50 m；相比之下6號(hào)線右線的最大沉降為9 mm，地表沉降槽寬度也為50 m。5號(hào)線左線開挖過程中的地表最大沉降為3 mm，地表隆起在距離軸線10 m處達(dá)到最大值2 mm；5號(hào)線右線開挖過程中地表表現(xiàn)為隆起，最大隆起達(dá)到4 mm。該斷面為數(shù)值模擬處斷面，6號(hào)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬開挖順序1較好地?cái)M合，實(shí)際工程中5號(hào)線為控制沉降增大注漿率從而導(dǎo)致隆起，故實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬略有偏差。

圖8 第15斷面沉降曲線

由于Peck公式假設(shè)為不排水情況，且不考慮固結(jié)沉降[3]，因此，圖8中4條隧道的地表橫向沉降槽曲線并不是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布。換言之，為得到上文推導(dǎo)中的i和k值需對(duì)曲線進(jìn)行擬合。擬合并計(jì)算可得到表4(5號(hào)線左線和右線無法擬合，故表中沒有數(shù)據(jù))。

表4 第15斷面i、k值

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理得到如圖9所示的監(jiān)測(cè)斷面15四條隧道軸線正上方測(cè)點(diǎn)的沉降時(shí)間曲線。由圖9可知，在盾構(gòu)通過前6號(hào)線左線地表表現(xiàn)為輕微隆起，隆起值為0.4 mm；5號(hào)線左線地表在盾構(gòu)通過前基本沒有沉降和隆起；在盾構(gòu)通過前，5號(hào)線右線地表表現(xiàn)為隆起，隆起值為1.7 mm；6號(hào)線右線在盾構(gòu)通過前地表隆起0.8 mm(曲線上的圓圈表示盾構(gòu)當(dāng)天通過)。

圖9 第15斷面沉降-時(shí)間曲線

進(jìn)一步研究推進(jìn)土壓力與地表沉降的關(guān)系，獲取了4條隧道盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面15處的推進(jìn)土壓力，并與通過朗肯土壓力理論計(jì)算得到的靜止土壓力、主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力進(jìn)行對(duì)比，見表5。由表5進(jìn)一步分析可知，6號(hào)線右線、5號(hào)線右線的推進(jìn)土壓力約為2倍靜止土壓力，當(dāng)盾構(gòu)通過前地表均表現(xiàn)為隆起；6號(hào)線左線、5號(hào)線左線的推進(jìn)土壓力約為靜止土壓力的1.35倍，當(dāng)盾構(gòu)通過前6號(hào)線左線地表隆起0.4 mm，5號(hào)線左線地表未變形。

表5 第15斷面土壓力情況 MPa

3.2.2 第9監(jiān)測(cè)斷面

根據(jù)第9監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出如圖10所示的第9斷面沉降曲線，標(biāo)識(shí)含義同圖6。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最早開挖的6號(hào)線左線最大地表沉降量為12 mm，地表沉降槽寬度為60 m；6號(hào)線右線地表最大沉降量為12.2 mm，地表沉降槽寬度也為60 m；5號(hào)線左線最大地表沉降為10 mm，5號(hào)線右線最大地表沉降為11 mm。

圖10 第9斷面沉降曲線

對(duì)圖10中4條隧道的沉降曲線擬合并得到表6。

表6 第9斷面i、k值

根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可得到如圖11所示的監(jiān)測(cè)斷面9軸線正上方測(cè)點(diǎn)的沉降時(shí)間曲線。由圖11可知，6號(hào)線左線軸線正上方測(cè)點(diǎn)盾構(gòu)通過前地表幾乎無沉降，盾構(gòu)通過后沉降快速發(fā)展至13 mm，而6號(hào)線右線盾構(gòu)通過前地表隆起1.8 mm，盾構(gòu)通過后地表變形發(fā)展成沉降；5號(hào)線左線正上方測(cè)點(diǎn)盾構(gòu)通過前地表沉降達(dá)到4 mm，5號(hào)線右線盾構(gòu)通過前地表沉降約0.3 mm，盾構(gòu)通過后最終沉降達(dá)到12 mm。

圖11 第9斷面沉降-時(shí)間曲線

同監(jiān)測(cè)斷面15，計(jì)算靜止土壓力、主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力并結(jié)合實(shí)際推進(jìn)土壓力得到表7。由表7進(jìn)一步分析可得，6號(hào)線左線推進(jìn)土壓力和靜止土壓力十分接近，盾構(gòu)通過前地表無變形；6號(hào)線右線推進(jìn)土壓力近似等于靜止土壓力的2倍，盾構(gòu)通過前地表隆起值為1.8 mm；5號(hào)線左線的推進(jìn)土壓為靜止土壓力的1.2倍，因6號(hào)線的掘進(jìn)地層已受到兩次擾動(dòng)，故5號(hào)線左線盾構(gòu)通過前地表沉降達(dá)到4 mm；5號(hào)線右線推進(jìn)土壓力為靜止土壓力的1.6倍，盾構(gòu)通過前地表沉降0.3 mm。

表7 第9斷面土壓力情況 MPa

3.3 15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面對(duì)比分析

3.3.1 地表沉降

按照第15監(jiān)測(cè)斷面和第9監(jiān)測(cè)斷面的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)另外13個(gè)斷面也做類似處理，考慮到埋深影響，為進(jìn)一步對(duì)比數(shù)據(jù)并總結(jié)相關(guān)規(guī)律，取α=推進(jìn)土壓力/靜止土壓力，整理15個(gè)斷面數(shù)據(jù)得到圖12。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于埋深不變的6號(hào)線左線而言，α取值在1.2～1.6之間，盾構(gòu)通過前地表變形表現(xiàn)為沉降或者隆起，最大沉降為3 mm，最大隆起為1 mm。此時(shí)隧道拱頂埋深大于3倍隧道直徑且開挖地層主要是粉質(zhì)黏土，故地表沉降較好控制，此時(shí)α取1.2～1.6能夠控制地表沉降。6號(hào)線右線相較于6號(hào)線左線埋深較淺，在實(shí)際工程中為更好的控制地表沉降，α取1.8～2.4，此時(shí)盾構(gòu)通過前地表主要表現(xiàn)為隆起，最大隆起約5 mm。對(duì)于埋深隨著開挖變化較大的5號(hào)線左、右線而言，α取值的變化范圍較大。5號(hào)線右線α取值主要為0.8～1.2，隨著埋深的變化少數(shù)α取值在2.0附近。除去由于盾構(gòu)停機(jī)期間土壓設(shè)置較低的監(jiān)測(cè)斷面11沉降達(dá)到8 mm外，其余斷面測(cè)點(diǎn)盾構(gòu)通過前的最大沉降為5 mm，最大隆起也為5 mm。5號(hào)線左線α取值主要為1.2～1.8，當(dāng)α=2.6時(shí)，盾構(gòu)通過前地表隆起可達(dá)7 mm，其余測(cè)點(diǎn)盾構(gòu)通過前地表沉降最大約5 mm，最大隆起5 mm。綜上所述，對(duì)于重疊隧道的下部隧道，α取1.2～1.6，盾構(gòu)通過前地表沉降最大為3 mm，最大隆起為1 mm，可滿足沉降要求；對(duì)于重疊隧道的上部隧道，α取2.0～2.4，盾構(gòu)通過前地表主要以隆起為主，最大隆起5 mm也可以滿足沉降要求。

圖12 不同斷面α值對(duì)比

3.3.2 沉降參數(shù)k

將15個(gè)斷面的沉降曲線全部進(jìn)行擬合，得到的k值按照數(shù)值和出現(xiàn)的頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到圖13。

圖13 k值頻次曲線

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，k的分布近似服從正態(tài)分布，正態(tài)分布的極大似然估計(jì)量可以用式(4)、式(5)計(jì)算。

(4)

(5)

4 結(jié)論

依托天津地鐵5號(hào)線、6號(hào)線四線重疊盾構(gòu)隧道工程，分析了15個(gè)地表測(cè)點(diǎn)的沉降曲線，并通過數(shù)值模擬對(duì)比分析了不同開挖順序下的地表沉降特征，得出以下結(jié)論。

(1)采用朗肯土壓力理論計(jì)算并對(duì)比實(shí)際工程取值發(fā)現(xiàn)，在與本工程類似的地層條件下，對(duì)于重疊隧道的下部隧道推進(jìn)土壓力和靜止土壓力的比值α取1.2～1.6時(shí)，盾構(gòu)通過前地表最大沉降為3 mm，最大隆起為1 mm；對(duì)于上部隧道α取2.0～2.4時(shí)，盾構(gòu)通過前地表變形為隆起，最大隆起約5 mm，均可滿足地表沉降要求。

(2)利用15個(gè)地表監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)到的沉降數(shù)據(jù)，擬合并計(jì)算出Peck公式的沉降參數(shù)k，使用極大似然法推導(dǎo)出本工程中沉降參數(shù)k服從N～(0.981，0.230)分布。

(3)在不同開挖順序下對(duì)典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)開挖順序2相較于開挖順序1，最終地表沉降曲線形狀無變化，均為雙峰狀，地表最大沉降增加0.8 mm，地表橫向影響區(qū)域無變化，均為55 m。

(4)由數(shù)值模擬的開挖順序2可知，對(duì)于重疊開挖的6號(hào)線，在先下后上的開挖順序下，地表沉降槽寬度主要受下部隧道影響，上部隧道修建不會(huì)影響最終的沉降槽寬度。