鄧智寶

(浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

1 概述

盾構(gòu)施工具有機(jī)械化程度高、對(duì)地層擾動(dòng)小、施工周期短、受天氣影響較小等優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)是一種全自動(dòng)化、多功能集于一身的功能強(qiáng)大的隧道開挖設(shè)備，盾構(gòu)機(jī)可分為軟土挖掘型、TBM以及復(fù)合挖掘型盾構(gòu)機(jī)，其中軟土挖掘型盾構(gòu)機(jī)適用于軟土地層，TBM則適用于較硬的巖層。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在軟土地層中掘進(jìn)時(shí)，對(duì)周圍地層造成擾動(dòng)，使其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變從而讓土層產(chǎn)生應(yīng)變，其主要影響因素為地層損失，而地層損失對(duì)周圍土層擾動(dòng)的主要表現(xiàn)為地表沉降的產(chǎn)生[1-3]，王建秀等[4]結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式、工程測(cè)量數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和物理力學(xué)理論等方法從盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)地表沉降方面進(jìn)行論述，重新提出了地層損失的界定，提出了地層損失的概念模型，從而建立以控制地表沉降為目的的施工參數(shù)控制措施，并將全新的理論方法應(yīng)用到實(shí)際工程中，取得了良好的效果。璩繼立等[5]結(jié)合隧道工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，以盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道施工引起的地表沉降為研究對(duì)象，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)原理做出分析，研究了不同隧道埋深對(duì)地表沉降槽形狀、寬度和深度的影響，最后提出了盾構(gòu)施工時(shí)隧道埋深和地表沉降槽最大沉降的關(guān)系式。李小青等[6]采用數(shù)值模擬法進(jìn)行了不同影響因素的影響分析，研究了不同地層損失情況、不同土體本構(gòu)模型以及不同土體排水情況等隧道施工條件對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，分析了各個(gè)不同因素對(duì)地表沉降的影響，提出了影響地表沉降的計(jì)算模型。王克忠等[7]利用有限元三維快速拉格朗日法，對(duì)粉質(zhì)砂土層中的盾構(gòu)隧道工程始發(fā)段開挖進(jìn)行了模擬分析，得出了開挖面位置和地表沉降槽形狀之間的變化關(guān)系，并對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了數(shù)值模擬結(jié)論可為施工提供參考。然而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在軟硬不均的地層中掘進(jìn)時(shí)，施工參數(shù)控制與計(jì)算則更為復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)機(jī)體產(chǎn)生的振動(dòng)、刀盤的磨損、對(duì)地層損失的影響都有著和軟土地層不同的表現(xiàn)，因此施工參數(shù)的選取控制對(duì)刀盤的磨損、開挖面的穩(wěn)定、周圍環(huán)境的擾動(dòng)以及掘進(jìn)效率的提高均有著重要影響[8-11]，竺維彬等[12]結(jié)合實(shí)際工程案例，系統(tǒng)地分析了復(fù)合地層的施工掘進(jìn)技術(shù)。李俊偉等[13]以廣州某復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)選型為研究案例，以刀盤磨損、盾構(gòu)掘進(jìn)模式以及盾構(gòu)施工參數(shù)等參數(shù)選取為研究對(duì)象，進(jìn)行了盾構(gòu)機(jī)選型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出盾構(gòu)機(jī)選型在復(fù)合地層施工中是一項(xiàng)重要的風(fēng)險(xiǎn)因素，為類似工程的參數(shù)選取提供理論參考。朱逢斌等[14-15]基于數(shù)值模擬法，分析各個(gè)影響因素對(duì)臨近樁基變形和內(nèi)力變形的影響，得出了隧道開挖對(duì)群樁變形和內(nèi)力的影響規(guī)律?？偟膩碚f針對(duì)不同的地質(zhì)條件和施工條件，應(yīng)該選取不同類型的盾構(gòu)機(jī)，而上軟下硬復(fù)合地層因?yàn)椴煌谲浲恋貙拥牡貙有再|(zhì)，也不同于全斷面硬巖地層構(gòu)造，因此應(yīng)當(dāng)選取復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)來開挖隧道，而這種介于軟土和硬巖地層的復(fù)合型地層斷面構(gòu)造，在我國(guó)地下城市建設(shè)的工程案例不在少數(shù)。

本文基于前人的研究成果，結(jié)合實(shí)際工程案例，利用有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS分析了盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)施工參數(shù)土倉(cāng)壓力和注漿對(duì)周圍地層的位移影響規(guī)律，為相似工程建設(shè)提供理論參考。

2 工程概況

擬建杭州市某地下城市道路工程，采用隧道開挖的形式，其中一標(biāo)段為明挖法開挖隧道，二標(biāo)段采用盾構(gòu)施工法開挖隧道，隧道盾構(gòu)段總長(zhǎng)度為1.7 km，隧道走向?yàn)闁|西向，自東向西進(jìn)行開挖。該盾構(gòu)隧道工程為雙線隧道掘進(jìn)，分為南線和北線，其中北線開挖里程比南線提前1 km左右。盾構(gòu)機(jī)從2號(hào)沉井下沉至設(shè)計(jì)深度并向西掘進(jìn)至3號(hào)沉降井，從3號(hào)沉井移出盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)段主要地層為素填土、礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。盾構(gòu)隧道上覆土層厚度為6.3 m～21.8 m，在盾構(gòu)掘進(jìn)段經(jīng)過全斷面軟土地層和軟硬不均的復(fù)合地層，掌子面穿越的不均勻地層上部是全風(fēng)化的軟巖，下部是部分風(fēng)化或者弱風(fēng)化的硬巖，因此表現(xiàn)出上軟下硬的地層構(gòu)造，施工地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 有限元模型建立

3.1 模型幾何尺寸

有限元計(jì)算模型選取隧道工程盾構(gòu)掘進(jìn)段北線中自東向西的第419環(huán)管片處，地層結(jié)構(gòu)為上軟下硬地層的開挖斷面作為參考建模，該斷面為典型的上軟下硬地層構(gòu)造斷面。該斷面的地層分布為：素填土、礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖和弱風(fēng)化花崗巖。盾構(gòu)隧道埋深為15.6 m，位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層與中等風(fēng)化巖層的中間，斷面硬巖占比為33%。為盡量避免邊界條件對(duì)模型計(jì)算精準(zhǔn)度的影響，應(yīng)當(dāng)將模型的尺寸盡量放大，但是過大的模型尺寸又會(huì)給運(yùn)算時(shí)間帶來不必要的延長(zhǎng)，因此合理選取模型尺寸能夠在消除邊界影響的同時(shí)盡量縮短模型的運(yùn)算時(shí)間。模型尺寸設(shè)置如下：模型橫向?qū)挾葹?0 m，縱向長(zhǎng)度為60 m，高度為42 m，盾構(gòu)隧道的直徑為13.5 m，所有地層以及地層分界面近似為水平面，模型中取隧道埋深為15 m，襯砌厚度為0.3 m，計(jì)算模型如圖1所示。

3.2 模型參數(shù)及開挖模擬

地層以及地層分界面近似為水平面，模型中取隧道埋深為15 m，襯砌厚度為0.3 m，地層巖土材料模型采用M-C彈塑性本構(gòu)模型，地層材料參考工程地質(zhì)勘探報(bào)告所測(cè)定的參數(shù)如表1所示。襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在模型中采用均值的線彈性本構(gòu)模型模擬。隧道的開挖模擬采用將隧道形狀的巖土體移除的方式，開挖面處的巖土體被移除后，采用圓環(huán)單元模型模擬混凝土襯砌。土倉(cāng)壓力通過在開挖過程中直接施加到開挖面上的正向壓力來模擬。壁后注漿可通過簡(jiǎn)化成等代層來模擬。在實(shí)際工程中，壁后注漿一般與管片的安裝同時(shí)進(jìn)行，也可先進(jìn)行管片的安裝然后再進(jìn)行壁后注漿處理，在模型計(jì)算中選擇壁后注漿和管片安裝同時(shí)進(jìn)行。等代層與襯砌管片物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 盾構(gòu)施工等代層和管片物理力學(xué)參數(shù)

4 土倉(cāng)壓力對(duì)地表沉降的影響

4.1 土倉(cāng)壓力對(duì)橫向地表沉降的影響

圖2為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)不同土倉(cāng)壓力下的盾構(gòu)前端地表沉降曲線，可以知道，盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，地表沉降的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出中間深、兩邊淺，從中間往兩邊逐漸遞減的對(duì)稱分布。不同的土倉(cāng)壓力沉降槽的形狀類似，但各個(gè)距離處的地表沉降數(shù)值發(fā)生了變化。隨著土倉(cāng)壓力的增大，沉降槽中部最大沉降呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，最大沉降從土倉(cāng)壓力為0.2 MPa的3.2 mm遞減至土倉(cāng)壓力為0.3 MPa的2.3 mm，減小幅度為28.13%。從圖2還可以看出，沉降槽的影響范圍也隨著土倉(cāng)壓力的變化而變化，當(dāng)土倉(cāng)壓力為0.2 MPa時(shí)，距離軸線22 m處還有大于0.5 mm的沉降產(chǎn)生，但是當(dāng)土倉(cāng)壓力上升至0.3 MPa時(shí)，該位置處的沉降則衰減至小于0.5 mm，這說明了隨著土倉(cāng)壓力的升高，沉降槽的影響范圍呈現(xiàn)出縮小的趨勢(shì)。

4.2 土倉(cāng)壓力對(duì)縱向地表沉降的影響

圖3為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)不同土倉(cāng)壓力下的盾構(gòu)機(jī)端點(diǎn)沿軸線方向沉降分布曲線圖。從圖3可以知道，地表沉降沿縱向?yàn)檫f減發(fā)展，沉降最大值剛好位于盾構(gòu)機(jī)端點(diǎn)刀盤位置，然后隨著距離的增加，沉降減小。其中0 m～35 m范圍內(nèi)沉降曲線的發(fā)展近似于二次拋物線，而35 m～60 m沉降曲線趨于平緩，當(dāng)距離大于60 m時(shí)沉降接近于0。在不同土倉(cāng)壓力下，沉降曲線沿縱向的發(fā)展大致相同，只有曲線中間有差異，且差異不明顯，可以看出，隨著土倉(cāng)壓力的增加，曲線中部10 m～35 m范圍內(nèi)的沉降減小。以25 m處為例，當(dāng)土倉(cāng)壓力為0.2 MPa時(shí)，該位置處的沉降約為4.5 mm，而當(dāng)土倉(cāng)壓力增加至0.3 MPa時(shí)，該位置處的沉降則減小至3 mm，沉降降低幅度為1.5 mm，這說明土倉(cāng)壓力的增加對(duì)復(fù)合地層縱向地表沉降的影響較小，而在曲線的兩端，可以看出不同土倉(cāng)壓力的沉降曲線趨于重合，對(duì)于距離為0 m處和距離大于60 m的位置，土倉(cāng)壓力對(duì)地表沉降的影響可以忽略。

5 壁后注漿對(duì)地表沉降的影響

5.1 注漿效果對(duì)橫向地表沉降的影響

壁后注漿效果對(duì)地表沉降槽的影響曲線如圖4所示，圖示曲線為盾構(gòu)掘進(jìn)至45 m處時(shí)盾構(gòu)機(jī)開挖面后20 m地表橫向沉降槽。從圖4可以看出，不同注漿效果沉降槽的最大沉降差異明顯，隨著注漿效果的提升，沉降槽最大沉降值顯著降低，從注漿效果為20%的28.35 mm降低至80%的8.9 mm，降幅達(dá)到了68.6%。這可以說明當(dāng)注漿效果較好時(shí)，由于地層損失而導(dǎo)致的應(yīng)力釋放程度不高，從而影響了地表沉降的發(fā)展。從圖4還可以看出，注漿效果從20%上升至40%時(shí)，盾構(gòu)機(jī)端點(diǎn)處的地表最大沉降從28.35 mm降低至約為15 mm，降幅為13.35 mm，而當(dāng)注漿效果從40%增加至80%時(shí)，其降幅為7 mm，由此可知盾構(gòu)注漿效果從20%上升至40%時(shí)對(duì)沉降槽中心位移的改善最為明顯，在此基礎(chǔ)上再提升注漿效果對(duì)沉降槽中心沉降的改善效果將大大降低。

5.2 注漿效果對(duì)縱向地表沉降的影響

圖5為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)不同注漿效果下的盾構(gòu)機(jī)端點(diǎn)沿軸線方向的沉降分布曲線圖。從圖5可以看出，注漿效果對(duì)地表沉降的縱向分布影響顯著，盾構(gòu)機(jī)端點(diǎn)處的地表沉降從注漿效果為20%的約29 mm下降至注漿效果為80%的10.9 mm，降幅顯著。從圖5還可以看出，隨著注漿效果的增加，曲線的斜率也隨之變化，當(dāng)注漿效果為20%時(shí)，地表沉降在0 m～40 m范圍內(nèi)平緩減小，而在40 m～50 m范圍內(nèi)急劇變化，減小顯著，在40 m～ 60 m范圍內(nèi)又趨于平緩，最大地表沉降和最小地表沉降分別為29 mm和5 mm，兩者相差24 mm；當(dāng)注漿效果為80%時(shí)，地表沉降在0 m～60 m范圍內(nèi)都為平緩下降段，并無顯著減小，最大地表沉降為10.9 mm，最小地表沉降趨近于0 mm，兩者相差10.9 mm。這說明注漿效果對(duì)減小地表沉降，改善地表差異沉降都有顯著效果。從圖5還可以看出，注漿效果從20%提升至40%時(shí)盾構(gòu)機(jī)端點(diǎn)處地表沉降改善最為顯著，從29 mm下降至17.4 mm，而后面注漿效果的提升對(duì)該位置處的地表沉降的改善并無更大效果。

6 結(jié)論

為研究盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)施工參數(shù)對(duì)地層位移的影響，采用有限元軟件ABAQUS模擬了盾構(gòu)隧道施工的過程，并以土倉(cāng)壓力和注漿效果為自變量，地表沉降為因變量分析了地表沉降曲線的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地基中掘進(jìn)時(shí)，隨著土倉(cāng)壓力的升高，地表最大沉降呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，壓力從0.2 MPa增加至0.3 MPa，沉降可降低28.13%。

2)在上軟下硬復(fù)合地基中，土倉(cāng)壓力的增加還可以有效降低地表沉降槽的影響范圍，壓力從0.2 MPa增加至0.3 MPa，距離盾構(gòu)軸線處22 m的沉降將得到改善。

3)壁后注漿效果對(duì)盾構(gòu)機(jī)開挖面后方的地表沉降有顯著影響，隨著注漿效果從20%提升至80%，開挖面后方20 m處的最大沉降大幅降低，降幅為68.6%。