淺覆土盾構(gòu)穿越潮汐河流地層變形規(guī)律

李興杰，路冬冬，孫海賓，胡家樂，李建立，吳雄，許江波*

(1.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司,上海 200433；2.長安大學(xué)公路學(xué)院,西安 710046)

近年來，中國交通運輸發(fā)展取得了舉世矚目的成就。除了地面交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，城市地下空間開發(fā)利用同樣大有可為[1]，截至2021年年底，中國大陸地區(qū)(不含港澳臺)共有50個城市開通城市軌道交通運營線路283條，運營線路總長度9 206.8 km。其中，地鐵運營線路7 209.7 km，占比78.3%[2]。城市地鐵建設(shè)技術(shù)日漸成熟，但面對復(fù)雜的水文地質(zhì)情況，仍有諸多工程難題亟需解決，淺覆土盾構(gòu)穿越潮汐河流就是其中較為復(fù)雜的工程問題之一。淺覆土盾構(gòu)穿越河流，需保證河底地層的安全穩(wěn)定性。若地層變形過大，勢必會產(chǎn)生裂縫，發(fā)生冒頂和河水倒灌隧道的現(xiàn)象，由此可見對河底地層的變形研究極為重要。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對盾構(gòu)法施工的下穿河流進(jìn)行了詳細(xì)研究。李振東[3]和叢恩偉[4]分別依托北京地鐵盾構(gòu)下穿昆玉河、通惠河的工程施工，研究了最優(yōu)的施工參數(shù)及注漿壓力以控制地表沉降。閆瀟等[5]依托太原地鐵下穿迎澤湖工程，提出調(diào)整渣土改良參數(shù),優(yōu)化同步注漿配比,對盾構(gòu)機(jī)尾刷改造等措施以降低施工風(fēng)險。韓磊等[6]以江陰市澄江西路公路隧道下穿閘橋河及錫澄運河為背景工程，根據(jù)隧道穿越地層的工程地質(zhì)條件和淺覆土段盾構(gòu)施工風(fēng)險，提出了相應(yīng)的河底加固及施工控制措施。李明華等[7]依托南昌地鐵1號線下穿撫河工程實際，提出了有效的施工控制措施。

張志華等[8]以武漢地鐵7號線大直徑越江隧道段為工程背景,建立了大直徑淺埋隧道盾構(gòu)掘進(jìn)室內(nèi)縮尺試驗?zāi)Ｐ停瑫r建立了同尺寸的淺埋隧道盾構(gòu)掘進(jìn)離散元模型,對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表沉降、開挖面前方土層中顆粒配位數(shù)以及黏結(jié)破裂區(qū)域進(jìn)行了分析研究，并與室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。梁孝等[9]以杭州地鐵5號線盾構(gòu)施工工程為背景，通過數(shù)值模擬為風(fēng)險評價提供沉降數(shù)據(jù)樣本。通過模糊綜合評價和反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行計算，確定風(fēng)險指標(biāo)變形值與風(fēng)險因素的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行風(fēng)險評價分析。杜遠(yuǎn)港等[10]采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析和周期性分析方法，僅基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對潮位變化引起的上海某越江盾構(gòu)隧道變形的影響規(guī)律進(jìn)行研究。胡長明等[11]以成都地鐵3號線盾構(gòu)隧道穿越沙河工程為背景，利用ABAQUS模擬不同保護(hù)措施下的土層反應(yīng)，結(jié)合實際施工數(shù)據(jù)，研究盾構(gòu)隧道臨近河流始發(fā)并穿越的有效掘進(jìn)技術(shù)。馮曉九等[12]結(jié)合常州地鐵二號線一期工程實際，運用ABSQUS對盾構(gòu)下穿河流施工沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究盾構(gòu)法在富水粉砂地層中穿越河流減小沉降的方法。李自力等[13]依托常州地鐵二號線下穿越京杭運河區(qū)段工程，通過利用MIDAS/GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了注漿壓力及注漿量對地表沉降的影響。畢景佩等[14]用MIDAS/GTS有限元軟件假定實際地層均質(zhì)水平地層，建立了數(shù)值模型對盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿小月河橋工程中橋面、蓋梁及橋樁位移變化規(guī)律特征進(jìn)行有限元分析。王金安等[15]以南京地鐵越江盾構(gòu)隧道工程為依托，假定地層均質(zhì)水平使用有限差分軟件FLAC3D對工程施工各個階段進(jìn)行了計算分析,研究了河底的沉降規(guī)律。高永濤等[16]以蘇州地鐵6號線雙線盾構(gòu)隧道下穿外城河為背景，同樣假定地層水平，借助MIDAS數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)重點討論了盾構(gòu)施工中注漿壓力和注漿材料對地表變形的影響。

綜上所述，目前關(guān)于盾構(gòu)下穿河流的研究取得了豐碩的成果，就研究內(nèi)容而言涉及施工前的風(fēng)險評價分析，施工過程中的施工參數(shù)、注漿壓力、工作面壓力、渣土改良參數(shù)、同步注漿配比以及盾構(gòu)機(jī)尾刷等對地表沉降的影響以及施工后的加固效果評價；就研究方法而言，主要是單一或綜合運用模型試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)開展研究。然而數(shù)值模擬時，為降低模型建立的難度，常將實際的起伏地層簡化為水平地層，從而導(dǎo)致數(shù)值模擬效果與工程實際有一定偏差，故建立與實際相符的起伏地層對提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度意義重大；就工程地域而言，大多是依托水位不變的內(nèi)陸河流進(jìn)行分析，鮮有關(guān)于盾構(gòu)下穿水位周期性變化的潮汐河流的分析與討論，開展盾構(gòu)下穿潮汐河流的地層變化規(guī)律研究對于指導(dǎo)沿海地區(qū)地鐵建造有一定的指導(dǎo)意義。因此，依托青島地鐵淺覆土盾構(gòu)穿越潮汐河流工程，基于淺覆土盾構(gòu)穿越潮汐河流工程實際問題，重點考慮河流水位的潮汐變化，結(jié)合工程中采用的注漿壓力、工作面壓力等施工參數(shù)，建立更加貼近實際的起伏地層模型，開展數(shù)值模擬，進(jìn)而對地層變形規(guī)律開展研究。

1 數(shù)值模型建立

1.1 工程概況

依托青島地鐵四號線沙嶗區(qū)間工程實例，盾構(gòu)法隧道斜穿潮汐河流約101 m，現(xiàn)場實際穿越情況如圖1所示。河底處隧道埋深約7 m，屬于淺覆土隧道。施工前河底為自然河床，未經(jīng)硬化處理，且線路下穿河流處靠近沙子口灣，距離入海口約 500 m，海水漲潮時水深約2 m，海水會倒灌進(jìn)河道內(nèi)，進(jìn)而影響到線路周圍地下水環(huán)境；河流的地層情況如圖2所示，由上而下依次為素填土、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粗礫砂、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶。洞身范圍內(nèi)主要為粗礫砂。盾構(gòu)掘進(jìn)至河底時，可能會因為河底至隧道洞頂土層覆蓋較薄7 m，出現(xiàn)河水下滲，甚至河水從隧道突涌而出的情況，風(fēng)險等級I級。

圖2 地層分布剖面圖Fig.2 Profile of stratigraphic distribution

1.2 計算模型建立

運用Rhino軟件按照起伏地層的實際情況建立模型并劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D軟件，土體和巖層均采用Mohr-Coulomb模型，注漿層采用彈性模型。盾構(gòu)隧道直徑為6.0 m，兩隧道間水平間距為24 m，為消除邊界效應(yīng)，模型尺寸設(shè)置為長×寬×高=110 m×70 m×50 m，為方便模型建立和計算，預(yù)先在建立模型階段劃分開挖區(qū)域并分組，具體模型建立如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

1.3 材料物理力學(xué)參數(shù)

計算模型采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)實際工程的詳細(xì)勘察報告選取。開挖范圍內(nèi)土層的各物理力學(xué)參數(shù)采用加權(quán)平均值，權(quán)重為各土層厚度。具體選用的各巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameter of rock and soil

1.4 工況模擬

現(xiàn)場施工中，右線隧道先行開挖，隨后進(jìn)行左線隧道開挖。左線隧道到達(dá)河岸進(jìn)行穿河施工時，距右線開挖面290環(huán)，兩臺盾構(gòu)機(jī)前后距離435 m。

為分析盾構(gòu)開挖和潮汐河流對地層變形的影響，數(shù)值模擬選取潮汐作用時河道水位變化的代表性深度0、0.5、1.0、1.5、2.0 m共計五種工況進(jìn)行。在施工前已對河道進(jìn)行防滲處理，因此可不考慮滲流作用，將河道水位隨潮汐的漲落以不同的均布荷載施加于河道底面后進(jìn)行模擬。每步開挖長度為1.5 m，與實際施工保持一致。模擬過程記錄沿隧道軸線和垂直于隧道軸線方向上的共計200余個監(jiān)測點數(shù)據(jù)并開展分析。

2 模型計算分析

五種工況下，右線隧道開挖20環(huán)時，垂直于右線隧道軸線方向的地層豎向位移如圖4所示，不同工況下盾構(gòu)開挖均會引起隧道上部地層發(fā)生沉降，沉降最大點都出現(xiàn)在洞頂位置，地層的變形規(guī)律類似。五種工況的不同之處在于，拱頂?shù)某两盗侩S水深的增加而增加，水深為0時，拱頂沉降為16.47 mm，當(dāng)水深增加到2.0 m時，拱頂沉降達(dá)到17.65 mm。不同水深下盾構(gòu)施工所引起的地表沉降范圍有所區(qū)別，沉降槽的形狀及地表沉降量均有差異。

圖4 開挖20環(huán)垂直于隧道軸線地層豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram of stratum perpendicular to tunnel axis when excavating 20 rings

開挖進(jìn)尺為20環(huán)時，選取距洞口30 m的橫截面為監(jiān)測面，對監(jiān)測面上地表各點的沉降進(jìn)行對比，如圖5所示。水深為0時，橫截面上沉降曲線呈拋物線并沿隧道中心線成軸對稱。水深0.5、1.0、1.5、2.0 m時，沉降曲線形狀仍接近于拋物線，但并不對稱。沉降槽寬度均為6D(D為隧道直徑)左右。隧道開挖對隧道右側(cè)15 m(即2.5D)范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動，且擾動范圍受水深的影響不大。在隧道右側(cè)6 m(即1D)時，水深對周圍土體沉降的影響開始出現(xiàn)差異化，并且差異隨著距離的增加愈加明顯。同一水深下，40 m以后的沉降基本一致，沉降隨水深的增加而增大，建立40 m處的沉降值與水深的關(guān)系，如圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)地層沉降與水深呈明顯的正比例關(guān)系，即y=3.08x。

圖5 不同工況下第20環(huán)橫截面地層豎向位移圖Fig.5 Vertical displacement map of the 20th ring cross section under different working conditions

圖6 第20環(huán)時40 m處的沉降值與水深的關(guān)系Fig.6 Relationship between settlement at 40 m and water depth at 20th ring

右線隧道穿河工程掘進(jìn)共計73環(huán)，109.5 m。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，不同開挖進(jìn)尺對應(yīng)的監(jiān)測面上地表各點的橫向沉降曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，水深為0時，隨著開挖的進(jìn)行，沉降曲線由水平線逐漸下凹轉(zhuǎn)化為拋物線，在水深0.5、1.0、1.5、2.0 m時，沉降曲線由“Z”形曲線下凹轉(zhuǎn)化為“√”形，曲線頂點位移隧道中心線上，左側(cè)拐點距隧道中心線9 m(1.5D)。開挖到第12環(huán)左右時，截面開始受到擾動，產(chǎn)生因開挖引起的沉降，到第30環(huán)左右，沉降基本穩(wěn)定。水深從0～2 m，最大沉降量依次為23.695、24.161、24.735、25.384、26.160 mm。

圖7 不同進(jìn)尺下距洞口30 m橫向沉降曲線Fig.7 The lateral settlement curve of 30 meters away from the hole under different footages

對右線隧道軸線上距洞口30 m(第20環(huán))處的地表沉降進(jìn)行單獨分析，繪制沉降時序圖如圖8所示，盾構(gòu)掘進(jìn)到第12環(huán)時，此處地層開始產(chǎn)生較小變形，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，變形量逐漸增大，在盾構(gòu)掘進(jìn)到第20環(huán)，即到達(dá)該點時變形速率明顯加快，具體表現(xiàn)為圖中曲線斜率的增大，該變形速率保持不變直至盾構(gòu)通過10環(huán)后減小。在盾構(gòu)掘進(jìn)至45 m(30環(huán))時，30 m(20環(huán))處的地層變形基本穩(wěn)定。不同水深下的曲線整體形態(tài)一致，僅在最終沉降上有細(xì)微差異，此處差異較小的原因分析有二，其一為盾構(gòu)施工對地層的擾動，隨著距拱頂?shù)木嚯x的增大而逐漸減弱。在地表處，盾構(gòu)施工擾動造成的影響最小，故不同水位引起的地表沉降差異較小；其二為30 m處距離岸邊較近，故河流水位對此位置的影響相較于河道中央較小。

圖8 右線隧道30 m處上方地表沉降時序圖Fig.8 Time series diagram of surface settlement above 30 m right tunnel

在五種工況下，右線隧道開挖至60環(huán)時，沿右線隧道軸線方向的地層豎向位移如圖9所示，不同水深下的盾構(gòu)開挖會造成隧道頂部地層沉降，底部地層隆起，且隆起區(qū)域主要在開挖面至其后40 m范圍內(nèi)。最大沉降出現(xiàn)在洞口區(qū)域，最大隆起出現(xiàn)盾構(gòu)工作面后20 m附近，最大隆起量隨河道水位深度的增加而減小。由圖9可見，水深為0時，開挖面前的沉降區(qū)僅存在于開挖面前方10 m范圍內(nèi)的土體，隨著水深增加，沉降區(qū)的范圍逐漸增大。

圖9 開挖60環(huán)時隧道軸線地層豎向位移云圖Fig.9 Vertical displacement nephogram of tunnel axis stratum during excavation of 60 rings

取五種工況下，右線隧道開挖至60環(huán)時，沿右線隧道軸線方向地表的豎向位移如圖10所示。不同水深對應(yīng)的曲線整體形態(tài)一致，而沉降量有所差別。水深2.0 m的最終沉降量比水深為0最終沉降量多50%。隧道掘進(jìn)在時間效應(yīng)上的地表沉降分為4個階段：先期未擾動階段、初期沉降階段、中期盾構(gòu)開挖及加固階段、末期固結(jié)沉降階段。對于本工況而言，70 m前為先期未擾動階段，不發(fā)生沉降；70～60 m為初期沉降階段，沉降量和變化速率??；60～50 m為中期盾構(gòu)開挖及加固階段，沉降量大，變化速率快；50 m以后為末期固結(jié)沉降階段，沉降量變小，變化速率變慢。地層的沉降變化量與水深的不同而不同，關(guān)系如圖11所示。

圖10 開挖60環(huán)右線地層豎向位移圖Fig.10 Vertical displacement map of excavation 60 ring right line

圖11 地層沉降變化量與水深關(guān)系圖Fig.11 The relationship chart between the variation of stratum settlement and water depth

3 討論

盾構(gòu)開挖引起隧道底部隆起呈圓弧狀隆起。通常來說，造成隧道底部隆起的原因有：巖層的礦物成分、巖體結(jié)構(gòu)特征以及工程偏應(yīng)力。本研究中的隧道穿越土層為粉質(zhì)黏土層和砂土層。粉質(zhì)黏土中含有高嶺石、伊利石、蒙脫石等遇水膨脹的礦物成分，但其位于隧道上半部分，即使其遇水膨脹，也并不會引起隧道底部隆起，而隧道底部所在地層為砂巖，不含膨脹型礦物成分。隧道所在的兩地層均不含斷層、節(jié)理等巖體結(jié)構(gòu)，故排除前兩種引起隧道底部隆起的原因。本工程中隧道底部隆起的絕大部分原因是隧道開挖導(dǎo)致的工程偏應(yīng)力，其引起砂土層應(yīng)力釋放，砂土層擴(kuò)容膨脹，最終表現(xiàn)為隧道底部隆起。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道上部地層沉降原因之一是地層受擾動。盾構(gòu)掘進(jìn)必然會對土體產(chǎn)生擾動，打破土層原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，土體的初始應(yīng)力釋放，應(yīng)力重新分布。土體發(fā)生變形進(jìn)而達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隧道上部地層沉降的原因之二為地層損失。盾構(gòu)施工開挖土體，若實際排土量大于理論排土量，則說明出現(xiàn)了超挖的情況，此時地層損失較大，上部土體下沉以彌補超挖的土體。在數(shù)值建模中，圓形隧道的網(wǎng)格劃分難免出現(xiàn)不規(guī)則形狀，在數(shù)值模擬盾構(gòu)開挖時，就會造成少量超挖的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降。

本文中數(shù)值模擬的橫向沉降槽與Peck經(jīng)驗公式相符，呈拋物線型，主要是因為的隧道中心位置地層損失量最大，周圍土體向此處填充形成盆狀沉降區(qū)，在橫截面上表現(xiàn)為拋物線型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，沉降槽的寬度并不受河道水位深度的影響，而河底的最終沉降量與水位深度正比例相關(guān)。因不考慮滲流作用，河道水位隨潮汐作用的漲落即轉(zhuǎn)化為施加于河底的均布荷載，對地層變形的影響也等同于在地層上方施加超載而引起的沉降。

隧道掘進(jìn)在時間效應(yīng)上的地表沉降分為4個階段：先期未擾動階段、初期沉降階段、中期盾構(gòu)開挖及加固階段、末期固結(jié)沉降階段。四個階段的分界面為開挖面前10 m、開挖面、開挖面后10 m。先期未擾動階段即為在此階段盾構(gòu)掘進(jìn)對地表沉降的影響微乎其微；初期沉降階段為盾構(gòu)到達(dá)前，地層因受到開挖的擾動而發(fā)生小幅度緩慢沉降；中期盾構(gòu)到達(dá)及加固階段為地表沉降量大且變化快的階段，主要因為該階段對土體的擾動大，地層損失量大，管片脫離盾尾后的空隙需選取合理的注漿壓力和漿液來填充，各參數(shù)的合理與否對地表隆沉量有極大的影響；末期固結(jié)沉降階段沉降量小且是一個緩慢變化的過程，此階段的沉降主要是由于土體孔隙中的水被逐漸排出，孔隙體積減小，土體變得密實。

4 結(jié)論

用數(shù)值模擬的手段，建立了起伏地層模型，對淺覆土盾構(gòu)隧道穿越潮汐河流的地層變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論。

(1)盾構(gòu)穿越潮汐河流地層的地層變形規(guī)律與盾構(gòu)正常掘進(jìn)的地層變形規(guī)律類似，均會引起底層的隆起與沉降。盾構(gòu)隧道開挖引起隧道底部的隆起，在不含膨脹型礦物及不含巖體結(jié)構(gòu)面的地層，隧道底部隆起的主導(dǎo)因素大多為隧道開挖產(chǎn)生的工程偏應(yīng)力引起的土層擴(kuò)容膨脹。盾構(gòu)隧道開挖過程中的隧道上部土層沉降的原因主要為土層擾動和地層損失。

(2)不同河道水位深度下的橫向沉降曲線不同，水位為0時，橫向沉降曲線為“拋物線”型，水深0.5、1.0、1.5、2.0 m時，橫向沉降曲線為“√”形，且不同水深對應(yīng)的最大沉降量也有差別。

(3)地層的最終沉降量與河道水位深度正相關(guān)，水深2.0 m的最終沉降量比水深為0最終沉降量多50%。因此在淺覆土盾構(gòu)穿越河道時，需注意河底沉降量，施工前按照最大河道水位深度計算河底地層沉降。預(yù)先做好加固和防滲措施，防止河底產(chǎn)生較大沉降一起土體開裂，進(jìn)而造成河水滲漏。

(4)隧道掘進(jìn)在時間效應(yīng)上的地表沉降分為四個階段：先期未擾動階段、初期沉降階段、中期盾構(gòu)開挖及加固階段、末期固結(jié)沉降階段。在中期盾構(gòu)開挖及加固階段沉降量大且變化速度快，需加強(qiáng)該階段的監(jiān)測頻率，采取有效措施控制排土量，同時需選取合理的施工參數(shù)，減小對地層的擾動，并及時采取加固措施，防止地層產(chǎn)生過大沉降。