盾構(gòu)隧道下穿輸水干渠設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化模型試驗(yàn)

楊振興, 杜家慶, 孫飛祥, 李文杰, 馮仲林, 楊捷

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450001; 2.中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司, 廣州 511458; 3. 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司, 鄭州 450000; 4.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450046; 5.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 鄭州 450003)

近年來(lái),隨著中國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展,城市地鐵隧道多次出現(xiàn)穿越南水北調(diào)干渠的情況。由于干渠底板和渠坡采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不會(huì)隨渠底地層沉降而變形。因此,當(dāng)盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠引起地層沉降時(shí),干渠底板和渠坡結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生巨大內(nèi)力,甚至發(fā)生裂縫或破損等問(wèn)題[1-2]。

目前,中國(guó)尚無(wú)盾構(gòu)下穿輸水干渠的設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。部分學(xué)者依托相應(yīng)的盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠工程,開展了研究工作。從施工的角度,劉陽(yáng)等[3]依托鄭州某工程盾構(gòu)隧道穿越南水北調(diào)干渠工程,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證明了地鐵隧道施工存在對(duì)干渠的擾動(dòng)影響;楊喜等[4]利用有限元軟件對(duì)地鐵隧道下穿南水北調(diào)干渠在未通水和通水兩種工況下進(jìn)行對(duì)比模擬分析,給出了隧道水平間距的建議值以及不同工況下隧道埋深的建議值;李新臻等[5]、孫偉良等[6]利用FLAC3D三維數(shù)值模擬盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠工程,表面當(dāng)隧道頂部距離干渠底部32.24 m開挖時(shí),干渠結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,當(dāng)?shù)貙訐p失率控制在0.5%以及覆土厚度大于2D(D為隧道直徑)時(shí),地表沉降較小。賈曉鳳等[7]通過(guò)對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠時(shí)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析,對(duì)隧道與干渠渠底埋深2.5D下盾構(gòu)不同施工措施下渠底沉降量進(jìn)行了研究,提出了盾構(gòu)隧道與干渠的凈距不少于2.0D,保障干渠底部沉降量不大于15 mm。

從設(shè)計(jì)的角度,張延[8]以大直徑盾構(gòu)下穿南水北調(diào)中線總干渠為例,通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同工況下隧道結(jié)構(gòu)受力,并對(duì)實(shí)際工況計(jì)算了渠道沉降量;田均舉等[9]將Peck公式法運(yùn)用于隧道下穿南水北調(diào)工程引起的地表沉降預(yù)測(cè)中,得出了適用于鄭州地區(qū)相似工程的Peck公式,并對(duì)不同埋深下地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究。除了上述研究成果,尚無(wú)關(guān)于盾構(gòu)下穿輸水干渠設(shè)計(jì)的相關(guān)研究成果,特別是盾構(gòu)隧道的埋深與下穿角度的研究。

綜上所述,中國(guó)對(duì)于盾構(gòu)下穿輸水干渠工程的研究側(cè)重于施工過(guò)程控制技術(shù),然而對(duì)盾構(gòu)下穿輸水干渠的設(shè)計(jì)參數(shù)研究較少。與此同時(shí),中國(guó)尚無(wú)對(duì)盾構(gòu)下穿輸水干渠的專門規(guī)范,并且現(xiàn)有規(guī)范中尚無(wú)明確規(guī)定?，F(xiàn)以鄭州市軌道交通10號(hào)線一期工程須水站—市委黨校站區(qū)間盾構(gòu)隧道為依托,概化工程邊界條件與地質(zhì)條件,采用相似模型試驗(yàn),通過(guò)分析不同隧道線路軸線與干渠走向夾角(30°、60°、90°)、不同隧道埋深(1.2D、1.5D)設(shè)計(jì)條件下以及不同盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)渠底和渠坡地層擾動(dòng)影響,歸納總結(jié)出不同盾構(gòu)條件下南水北調(diào)干渠沉降變形規(guī)律,為現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的參考作用。

1 相似模型試驗(yàn)

1.1 工程概況

鄭州地鐵10號(hào)線須水站—市委黨校站區(qū)間的右線里程右K30+270.35～K30+505.40處下穿南水北調(diào)干渠,對(duì)應(yīng)南水北調(diào)中線干渠樁號(hào)SH206+410～ SH206+635,干渠渠底寬約17.5 m,渠深約17.7 m。地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工,開挖直徑為6.28 m,隧頂距離渠底最小凈距約18.5 m。該區(qū)域地貌單元為黃河沖洪積二級(jí)階地,70 m勘探深度內(nèi)所揭露土層均由第四系堆積物組成。選取盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠左線,揭示巖土分層剖面如圖1所示。

1.2 地層概化

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果,鄭州地鐵10號(hào)線須水站—市委黨校站區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠所穿過(guò)地層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

通過(guò)比較盾構(gòu)下穿中線南水北調(diào)渠左線的各層土的物理力學(xué)參數(shù)可以看出,土層之間各項(xiàng)指標(biāo)差值小,其極差值小于各項(xiàng)指標(biāo)平均值的0.3倍,為了能簡(jiǎn)潔明了地觀察隧道開挖對(duì)地層的擾動(dòng)情況,可將其概化為同一種地層,概化地層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Formation physical and mechanical parameters

圖1 地質(zhì)分層剖面圖Fig.1 Geological layered profile

表2 概化地層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Generalized formation physical and mechanical parameters

1.3 模型相似比

物理相似模型試驗(yàn)是根據(jù)相似原理對(duì)特定工程問(wèn)題進(jìn)行的縮尺度研究方法。地下工程在自重作用下的彈性力學(xué)模型所要確定的相似比有:幾何相似比Cl、容重相似比Cγ、應(yīng)力相似比Cσ、應(yīng)變相似比Cε、彈性模量相似比CE、泊松比相似比Cμ、位移相似比Cδ。盾構(gòu)下穿中線南水北調(diào)模型試驗(yàn)開展1g下的物理相似模型試驗(yàn),采用幾何相似比:Cl=1/10,容重相似比:Cγ=1,重力加速度相似比:Cg=1作為基礎(chǔ)比尺。根據(jù)Buckingham-π[10]定律推導(dǎo)各相似比之間關(guān)系如表3所示。

表3 模型試驗(yàn)相似關(guān)系Table 3 Similarity relation of model test

1.4 土體材料配制

相似材料一般由骨料、膠結(jié)材料和輔助材料三類材料組成。竇遠(yuǎn)明等[11-12]通過(guò)大量試驗(yàn),認(rèn)為膨潤(rùn)土摻量對(duì)相似材料密度、泊松比起主要控制作用,對(duì)壓縮模量影響極不顯著,黏聚力隨膨潤(rùn)土摻量的增大而增大,相對(duì)密度、內(nèi)摩擦角、泊松比隨膨潤(rùn)土摻量的增大而減小;骨膠比對(duì)黏聚力影響最大,膨潤(rùn)土摻量和含水量次之,內(nèi)摩擦角隨含水量的增大而減小;含水量對(duì)壓縮模量影響最大,對(duì)密度和泊松比指標(biāo)影響次之。李國(guó)梁等[13]以中央電視臺(tái)主樓深基坑工程為背景,采用淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和鐵粉配制了一種高容重、低彈模土質(zhì)相似材料?？妶A冰[10]等以重晶石粉、工程現(xiàn)場(chǎng)黏土、粉細(xì)砂和膨潤(rùn)土為基材,配制了邊坡動(dòng)力穩(wěn)定分析試驗(yàn)中的黏土和粉質(zhì)黏土。因此,本次對(duì)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土的相似材料配制采用膨潤(rùn)土、鐵粉、鋸末、水等作為基礎(chǔ)材料。

在配制相似材料時(shí),所有物理力學(xué)參數(shù)均滿足相似比尺和相似判據(jù)是幾乎不可能的,所以應(yīng)滿足主要相似比尺。由于本次試驗(yàn)相似材料為高密度、低壓縮模量相似材料,因此選擇容重γ、壓縮模量Es、黏聚力c為主控變量,選擇內(nèi)摩擦角ζ、泊松比μ為輔助變量。相似土力學(xué)參數(shù)測(cè)試如圖2所示。

通過(guò)正交試驗(yàn)測(cè)試出最符合相似目標(biāo)的材料配合比為:鐵粉含量59.53%、鋸末含量8.9%、膨潤(rùn)土摻量5.95%、水含量25.6%。相似材料與概化地層物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比如表4所示。

圖2 相似土力學(xué)參數(shù)測(cè)試Fig.2 Test of similar soil mechanical parameters

表4 相似材料與概化地層物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of physical and mechanical parameters between similar materials and generalized formations

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)裝置

2.1.1 盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采用的盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)主要由盾體部分、泥漿環(huán)流部分、傳感器部分及控制部分等組成。通過(guò)設(shè)置倉(cāng)內(nèi)壓力以及刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程,該盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)速度在10～100 mm/min任意設(shè)定速度的穩(wěn)定掘進(jìn)以及土倉(cāng)壓力在0～0.05 MPa任意設(shè)定的穩(wěn)定控制,其中倉(cāng)內(nèi)壓力可達(dá)到精度±0.002 MPa的控制需求。盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)Fig.3 Shield tunneling system

2.1.2 量測(cè)系統(tǒng)

為了測(cè)取盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,渠底和渠坡的表面隆起與沉降變形量,特別設(shè)計(jì)模型表面變形監(jiān)測(cè)表架。該表架是由百分表、表架、數(shù)據(jù)采集器等組成。表架里的水平橫梁可在水平縱梁上滑動(dòng),用螺栓固定,其間距可以自由調(diào)節(jié);豎向固定桿可自由上下移動(dòng),范圍達(dá)到1.2 m,用螺栓固定于水平橫梁。該表架包括支腿、豎向固定桿、水平橫梁、水平縱梁、豎直表架,所有連接部分均使用套管連接,可以隨意增加測(cè)量表的數(shù)量和位置,本次試驗(yàn)共使用36組百分表進(jìn)行地表變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)表架及百分表布置如圖4所示。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?共設(shè)計(jì)6組不同隧道埋深、不同干渠與隧道軸線夾角下的試驗(yàn),每組試驗(yàn)工況如表5所示,干渠與隧道軸線夾角如圖5所示。

表5 不同實(shí)驗(yàn)工況Table 5 Different experimental conditions

圖4 變形監(jiān)測(cè)表架及百分表布置Fig.4 Layout of deformation monitoring gauge frame and dial gauge

2.2.1 干渠模型夯筑

試驗(yàn)過(guò)程中首先對(duì)相似材料進(jìn)行配制,計(jì)算攪拌機(jī)每次所能攪拌的體積,稱量每次攪拌所需的基礎(chǔ)材料重量,依次加入鐵粉、鋸末、膨潤(rùn)土攪拌15 min至均勻;再加入規(guī)定質(zhì)量的水進(jìn)行二次攪拌,直至無(wú)生團(tuán)結(jié)塊。工作過(guò)程如圖6所示。

將每次攪拌完成的相似材料倒入模型箱內(nèi),每填筑相似材料厚度10 cm進(jìn)行一次人工平整。當(dāng)填筑至盾構(gòu)刀盤高度時(shí),用輕薄紙板遮蔽住刀盤,一方面防止相似材料通過(guò)刀盤開口進(jìn)入土倉(cāng),另一方面防止在盾構(gòu)試掘進(jìn)之前,即調(diào)整泥漿循環(huán)系統(tǒng)階段,泥漿進(jìn)入地層。分層填筑,直至渠底層表面,形成渠底地層。按照上述步驟,繼續(xù)攪拌相似材料,根據(jù)渠坡尺寸做成干渠模型。夯筑完成后的干渠模型如圖7所示。

2.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

由表3可知,盾構(gòu)掘進(jìn)的長(zhǎng)度相似比Cl=1/10,時(shí)間相似比Ct=1/3.16,速度相似比Cv=1/3.16,轉(zhuǎn)速相似比Cθ=1/10。盾構(gòu)推進(jìn)速度直接反映了盾構(gòu)推進(jìn)效率,是盾構(gòu)施工過(guò)程中的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù),其取值常受盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤刀具設(shè)置、盾構(gòu)穿越地層及其復(fù)雜程度等因素綜合決定。通過(guò)對(duì)臨近的鄭州地鐵10號(hào)線商隱路站—廟王站左線區(qū)間盾構(gòu)穿越粉質(zhì)粘土?xí)r盾構(gòu)掘進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)分析:盾構(gòu)推進(jìn)速度主要集中在65～90 mm/min,考慮到軟土中掘進(jìn)一般取較大的推進(jìn)速度以能夠有效控制出碴量。因此,推薦采用75 mm/min的推進(jìn)速度進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖;盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速取1.16 ～1.36 r/min。盾構(gòu)掘進(jìn)相似參數(shù)如表6所示。

圖5 不同夾角干渠平面布置與尺寸Fig.5 Layout and size of main canal under different angles

圖6 相似材料攪拌Fig.6 Mixing of similar materials

表6 盾構(gòu)掘進(jìn)相似參數(shù)Table 6 Similar parameters of shield tunneling

根據(jù)表5計(jì)算的盾構(gòu)掘進(jìn)相似參數(shù),取盾構(gòu)掘進(jìn)速度為24 mm/min,盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速為4.3 r/min。

本次試驗(yàn)采用朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算倉(cāng)內(nèi)壓力,公式為

(1)

式(1)中:Pa為朗肯主動(dòng)土壓力值,MPa;γ為土層重度,kg/m3;h為土層高度,m;φ為土層內(nèi)摩擦角,(°);c為土層內(nèi)聚力,kPa。

試驗(yàn)開始的前0～0.25 m為盾構(gòu)試掘進(jìn)段,之后以0.3 m為一個(gè)掘進(jìn)進(jìn)尺,根據(jù)相似土層材料的物理力學(xué)參數(shù)值,分段代入式(1)可得盾構(gòu)穿越建模區(qū)域時(shí)保持開挖面穩(wěn)定需要提供的倉(cāng)內(nèi)支護(hù)力,為了保證掘進(jìn)安全,通常會(huì)在朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算值Pa的基礎(chǔ)上預(yù)留10%～15%的施壓儲(chǔ)備。計(jì)算得各次試驗(yàn)掘進(jìn)土倉(cāng)壓力值設(shè)置如表7所示。

2.2.3 盾構(gòu)開挖

每次試驗(yàn)的前0～0.25 m為盾構(gòu)試掘進(jìn)段,在此區(qū)間,逐漸緩慢增大刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤推進(jìn)速度至設(shè)定要求值并調(diào)整土倉(cāng)壓力穩(wěn)定在試驗(yàn)所需的倉(cāng)內(nèi)壓力值。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速、刀盤推進(jìn)速度以及土倉(cāng)壓力達(dá)到穩(wěn)定值之后,百分表清零,試驗(yàn)正式開始。盾構(gòu)正式掘進(jìn)過(guò)程中,保持刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤推進(jìn)速度不變,根據(jù)表6的數(shù)據(jù)設(shè)定對(duì)應(yīng)試驗(yàn)各掘進(jìn)段倉(cāng)內(nèi)壓力值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 渠底與渠坡地層隆沉變形規(guī)律

每次盾構(gòu)試驗(yàn)掘進(jìn)完畢后,采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)百分表讀數(shù),繪制測(cè)區(qū)有效范圍內(nèi)的渠底和渠坡地層的隆起與沉降變形量云圖。試驗(yàn)1-1～1-3、1-4～1-6地層變形云圖如圖8、圖9所示。

圖8 1.2D埋深下不同夾角的地層變形云圖Fig.8 1.2D cloud map of stratum deformation at different angles under buried depth

表7 盾構(gòu)掘進(jìn)倉(cāng)內(nèi)壓力Table 7 Earth bin pressure of shield tunneling

圖9 1.5D埋深下不同夾角的地層變形云圖Fig.9 1.5D cloud map of stratum deformation at different angles under buried depth

由地層變形云圖可以看出,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)隧道正上方地表的沉降影響最大,沿隧道橫斷面方向,渠底地層沉降量逐漸減小,即呈漏斗狀沉降;渠坡地層的沉降量小于渠底地層的沉降量,且渠坡高程越大,受隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工的影響越小;隧道軸線與渠坡底相交的局部區(qū)域地層沉降量稍大于周圍范圍,如圖10所示,分析原因是由于盾構(gòu)掘進(jìn)至相交范圍時(shí),渠底地層沉降引起渠坡底交匯區(qū)域沉降,當(dāng)相似土層材料內(nèi)聚力無(wú)法抵抗破壞力時(shí),會(huì)發(fā)生局部微破壞,形成該局部區(qū)域的負(fù)載,從而加劇了局部變形量。

圖10 渠底相交區(qū)域破壞示意圖Fig.10 Diagram of damage to the intersection area at the bottom of the drain

3.2 不同夾角下渠底與渠坡地層隆沉變形量對(duì)比

由于隧道正上方渠底和渠坡變形量相對(duì)來(lái)說(shuō)較大,因此,分別選取隧道左側(cè)正上方和隧道右側(cè)正上方的測(cè)點(diǎn)隆沉變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。兩種不同埋深下隧道上方測(cè)點(diǎn)位移曲線如圖11所示。

可以看出,采用盾構(gòu)掘進(jìn)土倉(cāng)壓力(朗肯土壓力+10%～15%儲(chǔ)備值)時(shí),隧道埋深1.2D下渠底地層變形量介于-2.55～-2.41 mm,渠坡地層變形量介于-2.53～-1.70 mm;隧道埋深1.5D下渠底地層變形量介于-1.87～-1.73 mm,渠坡地層變形量介于-1.85～-0.22 mm。與此同時(shí),盾構(gòu)掘進(jìn)下穿不同夾角的干渠模型時(shí),渠底和渠坡的地層沉降變化規(guī)律基本一致,由渠底到渠坡,變形量逐漸減小。在同一隧道埋深下,隧道正上方的土體變形基本滿足:隧道軸線與干渠走向夾角為30°的盾構(gòu)施工引起的渠底和渠坡地層沉降變形范圍及變形量最大,夾角為60°的盾構(gòu)施工引起的渠底和渠坡地層變形范圍及變形量次之,夾角為90°的地層變形范圍及變形量最小。

3.3 不同埋深下渠底與渠坡地層隆沉變形量對(duì)比

選取同上述相同的測(cè)點(diǎn),繪制在相同夾角下的不同埋深隧道左側(cè)正上方與隧道右側(cè)正上方測(cè)點(diǎn)位移曲線,如圖12所示。

可以看出,在干渠與隧道軸線相同夾角下,不同隧道埋深的渠底和渠坡正上方沿隧道軸線測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律一致;隧道埋深1.2D的渠底和渠坡沉降量大于1.5D埋深的沉降量。

4 結(jié)論

以鄭州地鐵10號(hào)線盾構(gòu)下穿南水北調(diào)干渠工程為依托,采用相似模型試驗(yàn)為研究手段,分別開展了盾構(gòu)隧道埋深、干渠與盾構(gòu)隧道軸線的夾角的6組相似模型試驗(yàn),測(cè)得不同條件下渠坡和渠底的隆沉位移量,得出了以下主要結(jié)論。

圖11 不同夾角下隧道上方點(diǎn)位位移量Fig.11 Point displacement above the tunnel under different included angles

圖12 不同埋深下隧道上方點(diǎn)位位移Fig.12 Displacement of points above the tunnel under different burial depths

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)隧道正上方渠底與渠坡地層的沉降影響最大;沿隧道橫斷面方向,地層沉降量逐漸減小,即呈漏斗狀分布。

(2)隧道軸線與渠坡底部相交的局部區(qū)域的地層沉降量稍大于周圍地層沉降量,分析其原因,由于交匯區(qū)域的土層內(nèi)聚力無(wú)法抵抗破壞力,局部微破壞作為荷載增大了地表沉降。

(3)隧道同一埋深下,隧道軸線與干渠走向夾角30°的地表沉降范圍與程度最大,60°下范圍與程度次之,90°沉降范圍與程度最小。

(4)當(dāng)采用朗肯主動(dòng)土壓力值作為盾構(gòu)倉(cāng)內(nèi)壓力時(shí),相比于隧道埋深1.2D,盾構(gòu)隧道埋深建議不宜小于1.5D,隧道與干渠夾角不小于30°,盡量減小渠底和渠坡的地層沉降范圍。

(5)盾構(gòu)穿越輸水干渠工程設(shè)計(jì)中,宜優(yōu)先考慮隧道埋深對(duì)渠底和渠坡地層的隆起與沉降變形影響,其次考慮隧道軸線與干渠走向夾角的影響。