地鐵隧道盾構(gòu)下穿富水粉土層時地層及管片變形規(guī)律

杜強

中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032

盾構(gòu)法以其安全、快速、可適應(yīng)復雜地層等優(yōu)點已經(jīng)成為城市隧道施工的主流工法，盾構(gòu)機掘進過程中極易遇到復雜地層、不良地質(zhì)條件的情況。富水砂質(zhì)粉土層地下水位高、含水量高、強度低，且地層敏感、降水沉降大、施工引起的變形大［1-4］。盾構(gòu)穿越富水粉土層容易造成地基沉降，增加施工困難，采用泥水平衡盾構(gòu)機進行水下掘進施工時盾構(gòu)姿態(tài)較難控制，穿越過程中易出現(xiàn)涌水噴漿事故［5-10］。

隨著盾構(gòu)法理論與實踐的發(fā)展，不少學者對隧道盾構(gòu)引發(fā)的地層損失進行了深入研究。Peck［11］基于大量的盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生的地面沉降數(shù)據(jù)提出了地表沉降槽曲線符合高斯分布。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展以及有限元理論的日漸成熟，國內(nèi)外學者通過運用大型有限元分析軟件建立隧道數(shù)值計算模型，通過綜合考慮隧道埋深、水位高度、注漿壓力、掌子面平衡壓力、千斤頂推力等影響因素來探究地表沉降和圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律，并用于預測和檢驗隧道施工對地層擾動情況。朱合華等［12］根據(jù)隧道盾構(gòu)施工階段、注漿材料等特性建立了有限元分析模型，模擬數(shù)據(jù)與大阪地鐵七號線施工過程實測數(shù)據(jù)吻合良好。王敏強等［13］運用三維有限元非線性分析，提出了剛度遷移法來模擬盾構(gòu)機掘進過程，認為盾構(gòu)機掘進過程即盾構(gòu)剛度和載荷的遷移過程。劉云雪等［14］采用修正劍橋模型和考慮小應(yīng)變的本構(gòu)模型對隧道盾構(gòu)開挖過程進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)小應(yīng)變本構(gòu)模型可以較好地反映施工質(zhì)量對地層損失的影響。

本文以徐州地鐵2號線新元大道—新區(qū)東站區(qū)間下穿故黃河富水粉土層的盾構(gòu)施工為工程背景，建立有限元計算模型，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析盾構(gòu)施工對地層及管片變形的影響規(guī)律。

1 工程背景

1.1 工程概況

徐州地鐵2號線一期工程10標段包含兩站兩區(qū)間和出入段線，即新元大道站、新區(qū)東站、漢源大道站—新元大道站區(qū)間（701 m）、新元大道站—新區(qū)東站區(qū)間（1 056 m）、出入段線，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。

新元大道站—新區(qū)東站區(qū)間起于新元大道與昆侖大道交叉口，沿昆侖大道布置，下穿故黃河且側(cè)穿故黃河橋后到達新區(qū)東站。本區(qū)間里程K23+270—K23+600為黃河故道及其支流河道。故黃河河寬約153 m，河底高程32.25 m，正常蓄水位35.00 m，現(xiàn)狀水位高程為33.75 m，即水深1.50 m。資料顯示，隧道頂端覆土厚度僅12.6 m。工程中采用的盾構(gòu)機總長約96.0 m，主機長度約8.6 m，刀盤直徑6.48 m。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，厚度0.35 m，管片環(huán)寬1.2 m。

結(jié)合工程實際并綜合考慮各種因素，取區(qū)間K23+300—K23+324為研究對象，即掘進的長度為24 m，共20環(huán)管片長度。

1.2 水文情況

1.2.1 地下水水位及其補給、徑流和排泄

本區(qū)間地下水主要為淺部第四系粉土層中的孔隙潛水、弱承壓水和基巖裂隙水。

1）潛水。第四系土層中的潛水主要賦存于故黃河兩岸階地沖積形成的砂質(zhì)粉土層及含黏性土粗礫砂中，受大氣降水、故黃河補給，具有明顯的豐水期和枯水期。根據(jù)本次勘察結(jié)果，潛水主要賦存于工程地質(zhì)Ⅳ區(qū)及Ⅴ區(qū)內(nèi)厚層砂質(zhì)粉土層中，潛水水位埋深2.30～4.60 m，水位高程33.35～37.38 m，水位變化幅度為1.00～3.00 m。

2）弱承壓水。本區(qū)間工程地質(zhì)Ⅲ區(qū)內(nèi)砂質(zhì)粉土層上覆蓋較厚粉質(zhì)黏土，砂質(zhì)粉土層上部及下部均為穩(wěn)定的黏土隔水層，具有一定的承壓性。根據(jù)本區(qū)間隧道起點新元大道站抽水試驗資料，砂質(zhì)粉土層中弱承壓水靜水位埋深約3.40 m，水位高程約35.90 m，水頭高度約5.90 m，對本工程區(qū)間隧道施工影響較大；砂質(zhì)粉土為夾層，厚度小且多呈透鏡體狀分布，受補給條件限制，其水量小且承壓性弱，對本工程區(qū)間隧道施工影響小。

3）基巖裂隙水。基巖裂隙水主要賦存于白堊系上統(tǒng)王氏組粉砂巖、礫巖節(jié)理裂隙中，受周圍基巖裂隙水補給，水量較小。場地內(nèi)王氏組粉砂巖、礫巖產(chǎn)狀平緩，傾角約10°，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，區(qū)間隧道底板下黏土隔水層厚度約12～26 m，鉆進過程中所有鉆孔均不漏漿，基巖水對本工程隧道施工影響小。

1.2.2 與地表水的水力聯(lián)系

本區(qū)間河道為故黃河河道，現(xiàn)處于淤積狀態(tài)，不存在沖刷。隧道于里程K23+270—K23+600下穿故黃河及其支流河道，故黃河區(qū)域分布有厚層砂質(zhì)粉土，滲透性較好，是地下水與地表水的良好聯(lián)系通道，兩者水力聯(lián)系密切。

2 隧道監(jiān)測方案

選取里程K23+312，即盾構(gòu)頂進10環(huán)處為監(jiān)測橫斷面，在上方對應(yīng)的地表布設(shè)橫向測線，監(jiān)測該橫斷面的地表沉降。

在隧道拱頂中心正上方對應(yīng)的地表，沿著盾構(gòu)機掘進方向通長布置縱向測線，監(jiān)測縱斷面地表沉降。

在監(jiān)測橫斷面的隧道內(nèi)部，在拱頂中心布置拱頂沉降測點，在隧道的最右端切線斜率最大處布置收斂測點，在拱底中心布置拱底上浮測點，監(jiān)測管片變形。管片變形測點布置如圖1所示。

圖1 管片變形測點布置示意

3 計算模型的建立

3.1 分析方法

隧道盾構(gòu)施工過程極為復雜，在有限元分析中通常進行一定的簡化，將盾構(gòu)機掘進階段看作一個非連續(xù)的過程。采用專業(yè)巖土有限元分析軟件Plaxis 3D進行數(shù)值模擬。盾構(gòu)機掘進過程為：開挖面開挖，盾構(gòu)機向前掘進，盾首逐漸深入，施加掌子面壓力；同時盾尾逐漸脫出，每次掘進長度為一個管片寬度，每頂進一環(huán)，盾尾單元變?yōu)榭障秵卧?；緊接著給空隙單元施加注漿壓力，同時激活漿體單元處的管片單元。

盾構(gòu)機掘進過程中盾尾脫開后襯砌周圍產(chǎn)生了一定的空間間隙，稱為盾尾空隙。盾尾空隙的主要來源包括盾殼厚度、便于管片安裝而預留的工作間隙、盾構(gòu)機刀盤開挖產(chǎn)生的超開挖間隙。在實際工程中，盾尾空隙的處理影響施工質(zhì)量。在有限元分析中，對盾尾空隙的模擬主要有四種方法：①不考慮盾尾空隙，認為襯砌與土體直接接觸；②不考慮注漿作用，認為盾尾注漿部分完全填充于盾尾空隙；③不考慮盾尾徑縮，認為盾尾土體的徑縮量等于盾尾空隙；④盾尾注漿厚度為盾尾空隙的折減，并認為注漿層厚度小于盾尾空隙。盾尾空隙由于受到施工方法、掘進參數(shù)、土層性質(zhì)等影響，其分布難以量化。在實際分析中，通常將其簡化為一個均勻、等厚、彈性的等代層［15］，如圖2所示。

圖2 盾尾空隙簡化模型

等代層厚度δ的計算公式為

式中：η為折減系數(shù)，取值0.7~2.0，對于硬土層取下限，對于軟土層取上限；Δ為盾尾空隙理論值，包括盾殼厚度、超開挖間隙及工作間隙。

3.2 有限元模型

建模時，盾構(gòu)隧道開挖直徑取6.5 m，管片寬度取1.2 m，盾構(gòu)機長度取8.4 m，即7個管片寬度。垂直于開挖方向的模型寬度取3~5倍隧道直徑，模擬過程為盾構(gòu)每掘進1.2 m，安裝1.2 m的管片，并進行同步注漿。數(shù)值模型定義為開挖面平行于x方向，盾構(gòu)機掘進方向為y方向，豎直方向為z方向（向上為正），計算模型尺寸為20 m×80 m×35 m。采用10節(jié)點單元模擬土體，網(wǎng)格劃分為中等程度，并對開挖面周圍進行局部加密。襯砌管片與土體接觸面以及盾構(gòu)機與土體接觸面均采用虛擬厚度因子為0.1的界面單元模擬；管片采用實體單元模擬，厚度0.35 m；等代層采用實體單元模擬，厚度0.15 m；盾構(gòu)機采用板單元模擬，板厚0.15 m。

邊界條件為：沿隧道軸線方向約束y方向位移；沿開挖面約束x方向位移；模型底面約束z方向位移；模型上表面施加1.50 m深水壓力。

有限元計算模型共生成26 501個單元和36 427個節(jié)點，見圖3。

圖3 有限元計算模型

建模時還考慮了盾構(gòu)機的斷面收縮影響。盾構(gòu)機尾部斷面比前端斷面小0.5%。盾構(gòu)機前端7.2 m長度內(nèi)直徑逐漸減小，但尾部1.2 m長度內(nèi)直徑不變，這意味著盾尾具有0.5%的均勻斷面收縮，其余6段具有線性變化的斷面收縮。

3.3 參數(shù)取值

模型采用Mohr?Coulomb屈服準則，有限元模型的材料參數(shù)見表1。根據(jù)經(jīng)驗值，計算過程中土體的彈性模量取試驗土體壓縮模量的3倍［16］。

3.4 基本荷載組合工況

模型計算時，施工條件為理想施工質(zhì)量；水壓為模型頂面以上水面高度1.50 m；隧道覆土深度為12 m；隧道注漿壓力在隧道頂端為200 kPa，隨深度的增長率為20 kPa∕m；隧道掌子面壓力在隧道頂端為200 kPa，隨深度的增長率為14 kPa∕m；千斤頂推力為10 000 kN，其等效均布荷載為1 555 kPa。

表1 有限元模型材料參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 橫斷面地表沉降

開挖面位于監(jiān)測橫斷面后10環(huán)、監(jiān)測橫斷面后5環(huán)、監(jiān)測橫斷面、監(jiān)測橫斷面前5環(huán)、監(jiān)測橫斷面前10環(huán)時，計算監(jiān)測橫斷面的地層豎向位移，結(jié)果見圖4。

圖4 監(jiān)測橫斷面地層豎向位移計算結(jié)果（單位：mm）

由圖4可知：隨著盾構(gòu)開挖面不斷前進，隧道周圍土體受到擾動發(fā)生變形；土體變形達到一定程度后影響至地面，監(jiān)測橫斷面地表土體沉降逐漸增大，沉降區(qū)域的橫向影響范圍也不斷增大。

模型計算得到盾構(gòu)機掘進過程中監(jiān)測橫斷面地表累計沉降，見圖5。提取隧道中心線對應(yīng)的地表沉降計算值，與對應(yīng)位置的地表測點監(jiān)測值進行對比，見表2。

圖5 監(jiān)測橫斷面地表累計沉降計算結(jié)果

表2 監(jiān)測橫斷面隧道中心線處地表沉降計算值與監(jiān)測值

由圖5和表2可知：

1）盾構(gòu)機掘進過程中，監(jiān)測橫斷面地表沉降的計算值與監(jiān)測值基本吻合。

2）開挖至監(jiān)測橫斷面后10環(huán)位置時，監(jiān)測橫斷面的地表輕微隆起。這是由于土體開挖卸荷，開挖面上方對應(yīng)的縱斷面監(jiān)測點發(fā)生沉降，且與開挖面距離越遠沉降越小，在土體的整體作用下開挖面前方一定距離處的土體產(chǎn)生輕微隆起。

3）隨著盾構(gòu)機不斷掘進，監(jiān)測橫斷面地表隆起逐漸減小并發(fā)生地面沉降。由于刀盤切削土體，引起開挖面前方土體應(yīng)力釋放，監(jiān)測橫斷面隧道中心線正上方的地表沉降不斷增大，而監(jiān)測橫斷面上距隧道中心線16 m處的地表仍保持較小的沉降。監(jiān)測橫斷面地表沉降曲線近似為正態(tài)分布曲線。這與Peck提出的地表沉降槽橫向分布曲線的變化規(guī)律基本一致［9］。

4）開挖至監(jiān)測橫斷面前方10環(huán)位置時，監(jiān)測橫斷面隧道中心線正上方的地表沉降達到最大值，而此時監(jiān)測橫斷面上距隧道中心線16 m處的地表存在輕微隆起，約0.1 mm。從隧道中心線正上方到遠離中心線16 m范圍內(nèi)均存在地表變形，可以估算出盾構(gòu)開挖引起地表沉降的影響半徑為16~20 m。

5）對于監(jiān)測橫斷面的隧道中心線正上方，盾構(gòu)機每掘進5環(huán)，地表沉降變化量占其累計沉降的比例依次為162%、84%、54%、21%。這是因為后期拼裝的管片發(fā)揮了支護作用，限制了圍巖變形，地表沉降變化速率也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

4.2 縱斷面地表沉降

計算盾構(gòu)機掘進1環(huán)、5環(huán)、10環(huán)、15環(huán)及20環(huán)時隧道中心線縱斷面地層豎向位移，見圖6?？芍憾軜?gòu)開挖對地表縱斷面沉降影響明顯；隨著盾構(gòu)機掘進，開挖面前后方土體均發(fā)生地表沉降，距離開挖面越遠，地表沉降越小，甚至在開挖面前方一定距離處產(chǎn)生輕微地表隆起。

圖6 隧道中心線縱斷面地層豎向位移云圖（單位：mm）

模型計算得到盾構(gòu)機掘進過程中隧道中心線縱斷面的地表累計沉降，見圖7。提取其中的最大值，與縱斷面地表沉降測點的監(jiān)測值進行對比，見表3。

圖7 隧道中心線縱斷面地表累計沉降計算結(jié)果

表3 隧道中心線縱斷面地表最大沉降的計算值與監(jiān)測值

由圖7和表3可知：

1）盾構(gòu)機掘進過程中隧道中心線縱斷面地表沉降的計算值與監(jiān)測值基本吻合。

2）當盾構(gòu)機掘進1環(huán)管片長度時，開挖面正上方縱斷面達到較大沉降。隨著與開挖面距離增加，未開挖土體地表沉降逐漸減小，并在開挖面正前方14 m處逐漸產(chǎn)生輕微地表隆起。

2）當盾構(gòu)機掘進至第5環(huán)處，沿軸線方向縱斷面地表沉降分布呈先增大后減小趨勢，已開挖的部分依然保持較大沉降，開挖面前方土體沉降不斷減小，并在正前方14 m左右處降為零，地表逐漸隆起。由于盾構(gòu)機掘進過程中沉降變化速率基本一致，可以推斷，盾構(gòu)開挖對開挖面前方土體的縱斷面沉降影響區(qū)域約為14 m。

3）隨著盾構(gòu)機的開挖，每掘進5環(huán)，隧道軸線縱斷面最大地表沉降的變化量占其累計沉降量的比例依次為6%，12%，7%，4%，可以推斷隨著盾構(gòu)繼續(xù)開挖，隧道軸線斷面處的最大地表沉降將繼續(xù)增大，但最終趨于穩(wěn)定。

4）盾構(gòu)機掘進開挖過程中，隧道中心線斷面的最大沉降發(fā)生在開挖面正后方約12 m處。這是由于盾尾脫開后，盾尾空隙部分尚未及時支護，只能依靠注漿壓力來平衡水土壓力以防塌陷。由于土體砂質(zhì)粉土層含水量高、強度低等特點，受到擾動后敏感性高，盾尾空隙周圍的土體受到注漿壓力的作用而產(chǎn)生變形，進而影響至地面，在盾尾注漿的上方發(fā)生最大地表沉降。

4.3 管片變形

為研究盾構(gòu)機掘進過程中管片的變形規(guī)律，計算第一環(huán)管片自安裝至掘進20環(huán)過程中的豎向和水平向位移，見圖8、圖9。

圖8 第一環(huán)管片截面隨盾構(gòu)機掘進的豎向位移（單位：mm）

由圖8可知：盾構(gòu)機掘進過程中管片變形主要集中在拱頂與拱底處，拱頂沉降，拱底上浮，管片在豎直方向受到擠壓，對周圍土體變形存在明顯作用。

圖9 第一環(huán)管片截面隨盾構(gòu)機掘進水平位移（單位：mm）

由圖9可知：管片水平方向變形主要集中在拱側(cè)中上部與中下部，且管片整體呈向內(nèi)收斂趨勢；隨著盾構(gòu)機向前掘進，管片水平變形影響區(qū)域不斷增大，在管片中下部一定深度范圍內(nèi)存在明顯區(qū)域的土體變形，近似橢圓形。

提取第一環(huán)管片拱頂與拱底處的豎向位移變化曲線，并與拱頂沉降測點、拱底上浮測點測得的結(jié)果進行對比，見圖10。提取第一環(huán)管片拱腰的水平位移變化曲線，并與收斂測點測得的結(jié)果進行對比，見圖11。

圖10 第一環(huán)管片拱頂與拱底豎向位移曲線

圖11 第一環(huán)管片拱腰水平位移曲線

由圖10、圖11可知：

1）盾構(gòu)機掘進過程中管片變形的計算值與監(jiān)測值基本吻合。

2）管片在施工開始階段產(chǎn)生了較大的豎向位移，拱頂沉降，拱底上浮，上浮量約為沉降量的3倍。造成管片上浮的原因主要有：①盾尾脫離產(chǎn)生盾尾空隙，同步注漿階段由于受到水與漿液的包裹產(chǎn)生一定的上浮力；②富水砂質(zhì)粉土層地下水位高，含水量高，強度低，且地層敏感，降水沉降大，施工引起的變形大，盾構(gòu)機在該地層掘進過程中，土體極容易受到擾動，隧道四周被液態(tài)水包裹，產(chǎn)生的浮力克服了上覆土重力，引起較大的豎向位移；③隧道拱底以下1.9 m處為黏土層，盾構(gòu)機在砂質(zhì)粉土層掘進時，上方軟弱土層壓縮，下方黏土層地基回彈，引起管片上浮；④管片變形易受到千斤頂推力、注漿壓力、泥水壓力等施工參數(shù)以及覆土厚度等因素的影響。

3）隨著盾構(gòu)機掘進與管片拼裝，管片拱頂沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這是因為隨著管片的安裝，襯砌發(fā)揮對土體的支護作用，周圍土體變形逐漸趨于穩(wěn)定，使得管片拱頂變形有所減小。

4）盾構(gòu)機掘進過程中，管片拱底上浮量不斷增大，最終趨于穩(wěn)定。這是因為隧道開挖后下部黏土層應(yīng)力釋放，管片受到向上的地基回彈作用力，隨著盾構(gòu)機掘進，地基回彈未及時消失，產(chǎn)生的殘余變形進一步增加了管片上浮量。

5）盾構(gòu)機掘進過程中，管片拱側(cè)發(fā)生內(nèi)斂變形。管片剛安裝時，存在較大的水平位移，約2.7 mm。隨著盾構(gòu)機向前掘進，周圍土體受到襯砌的支護作用，管片內(nèi)斂程度迅速減小，在向前掘進9環(huán)處達到最小水平位移，約2.4 mm。繼續(xù)向前開挖時，由于受到殘余變形的影響，水平位移又出現(xiàn)緩慢增大。

5 結(jié)論

為研究下穿富水粉土層的盾構(gòu)施工對地層損失及管片變形的影響規(guī)律，以徐州地鐵2號線新元大道—新區(qū)東站區(qū)間下穿故黃河富水粉土地層的盾構(gòu)施工為工程背景，建立有限元計算模型，計算盾構(gòu)機掘進過程中隧道橫斷面、縱斷面的地層位移和地表沉降以及管片的豎向和水平向位移，并結(jié)合現(xiàn)場地表沉降和管片變形的監(jiān)測結(jié)果予以分析。得出以下結(jié)論：

1）對于橫斷面，地表沉降曲線近似為正態(tài)分布曲線，這與Peck提出的地表沉降槽橫向分布曲線的變化規(guī)律基本一致；地表沉降影響半徑約16~20 m。

2）對于縱斷面，盾構(gòu)開挖對開挖面前方地表沉降影響區(qū)域約14 m，最大地表沉降發(fā)生在盾尾注漿的上方即開挖面正后方12 m左右，盾尾空隙周圍的土體受到注漿壓力的作用而產(chǎn)生變形。

3）管片在施工開始階段產(chǎn)生了較大的豎向位移，拱頂沉降，拱底上浮，且管片上浮量約為拱頂沉降量的3倍。造成管片上浮的因素主要有盾尾空隙、地層特性、地基回彈、施工參數(shù)等。

4）施工質(zhì)量可以通過等代層的參數(shù)建模來模擬。理想情況下的地表沉降及管片變形均處于較低水平，而在實際施工過程中，盾尾空隙對施工質(zhì)量影響很大，施工質(zhì)量情況還會受注漿厚度、注漿填充率、漿液性能等因素的影響。保證良好的施工質(zhì)量，在一定程度上可以減小地表沉降及管片變形。