軟硬互層場(chǎng)地盾構(gòu)隧道施工的地層擾動(dòng)效應(yīng)研究

徐 彧

（南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇南京 210000）

盾構(gòu)機(jī)一直都是城市軌道交通建設(shè)的主要施工工具，其對(duì)城市隧道建設(shè)起到了舉足輕重的作用，因此得到了廣泛運(yùn)用。但我國幅員遼闊，地形復(fù)雜多樣，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，因此對(duì)盾構(gòu)機(jī)的要求也往往很高。而不均勻地層多為我國南方地區(qū)常遇到的地質(zhì)條件，此類地層常常在施工過程中遇到超挖現(xiàn)象，從而引起地中變形和地表沉降，導(dǎo)致事故發(fā)生。對(duì)于目前情況，開展盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對(duì)不均勻地層擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行研究，對(duì)我國城市建設(shè)和地下隧道開發(fā)具有指導(dǎo)性意義。

針對(duì)目前盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對(duì)不同地層沉降影響，我國許多研究者已對(duì)此進(jìn)行研究分析。林春金等［1］基于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型，精確預(yù)測(cè)了土倉壓力。王曉睿等［2］通過結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、理論分析結(jié)果和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，研究分析盾構(gòu)機(jī)施工引起的地表沉降現(xiàn)象。黃志強(qiáng)等［3］為解決盾構(gòu)機(jī)在砂性地層施工過程中出現(xiàn)的一系列問題，以膨潤土和生石灰為原料配制土體改良劑，對(duì)渣土進(jìn)行了改良。鄭剛等［4］對(duì)盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，由于劇烈震動(dòng)產(chǎn)生的土體損失，基于數(shù)值模擬通過注漿來達(dá)到沉降控制的目的。高守棟等［5］以實(shí)際工況為研究背景，基于數(shù)值模擬對(duì)幾種不同工況的地層位移和孔隙水壓力變化，與實(shí)際工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。江英超等［6］通過室內(nèi)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)砂土地層的擾動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)施工全過程進(jìn)行分析。王俊等［7］通過盾構(gòu)機(jī)對(duì)砂土地層進(jìn)行施工，并基于數(shù)值模擬分析砂土地層在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中與停止?fàn)顟B(tài)下的穩(wěn)定性。王曉睿等［8］以軟體巖層為掘進(jìn)地層，基于數(shù)值模擬和實(shí)際工況數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究地表和上層建筑物的沉降變化和控制方法。周躍飛等［9］基于不均勻地層研究，通過復(fù)合式土壓盾構(gòu)機(jī)在該隧道施工，并通過改變盾構(gòu)機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性分析。劉新新［10］基于土壓盾構(gòu)試驗(yàn)，研究頻繁置換水泥情況下的管理技術(shù)研究，分析掘進(jìn)不同巖體過程中，盾構(gòu)機(jī)可能出現(xiàn)的問題。許立明［11］基于盾構(gòu)技術(shù)，對(duì)鋼套管等設(shè)備進(jìn)行改造，以此解決實(shí)際工況中存在的安全隱患。李盤石［12］為避免盾構(gòu)施工與原先隧道出現(xiàn)交叉問題，提出更先進(jìn)的沉降控制方案，并運(yùn)用于實(shí)際工況，實(shí)施效果較為明顯。

由以上研究可知，雖然國內(nèi)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程有多種研究手段和形式，但對(duì)軟硬不均勻地層研究較為匱乏，以南京市珍珠泉站—定向河北站區(qū)間盾構(gòu)施工為研究對(duì)象，使用室內(nèi)盾構(gòu)機(jī)對(duì)軟硬不均勻地層沉降變化規(guī)律進(jìn)行研究，與砂土（典型砂性土，由自然河流沖刷堆積而成）地層進(jìn)行對(duì)比，并基于數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)過程地層變形進(jìn)行研究，從而探究盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軟硬不均勻地層擾動(dòng)全程變化規(guī)律，以期可為實(shí)際工程提供參考。

1 地層盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器介紹

以南京市珍珠泉站—定向河北站區(qū)間盾構(gòu)施工為研究對(duì)象，使用室內(nèi)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)體全長1 300 mm，盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)由4個(gè)液壓千斤頂驅(qū)動(dòng)，襯砌環(huán)幅寬度為150 mm，由合金制造而成。

試驗(yàn)儀器在4.4 m×4.4 m×2.5 m的圓柱體土槽內(nèi)進(jìn)行，具體盾構(gòu)機(jī)實(shí)物如圖1所示，圖左為模型盾構(gòu)機(jī)，圖右為修建中的土壓盾構(gòu)隧道。將準(zhǔn)備工作完成同時(shí)，需將圓柱體土槽兩邊及后方裝置進(jìn)行約束，同時(shí)設(shè)置4道三角斜支撐，提供反力以及防止結(jié)構(gòu)變形過大。試驗(yàn)采用土壤為本地區(qū)渣土，其主要通過水、洗衣液和CMC進(jìn)行改良，能有效提高渣土基本性能。

圖1 盾構(gòu)機(jī)實(shí)物

圖2 室內(nèi)試驗(yàn)圖cm

1.2 材料準(zhǔn)備

由于試驗(yàn)過程較為復(fù)雜，涉及盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)和地層等因素相互作用影響，需從宏觀角度研究盾構(gòu)機(jī)在地層運(yùn)作規(guī)律，對(duì)比地層土體沉降，考慮不同材料影響，為模擬室內(nèi)試驗(yàn)貼合實(shí)際，模擬試驗(yàn)包括進(jìn)洞過程、盾構(gòu)機(jī)開挖過程、加入改良渣土過程以及拼裝管片等流程。

地層主要由硬巖和砂土制成，硬巖參考汪成兵等［13］研究，由石膏、水和河砂制成硬巖地層，并參考杜青等［14］用石膏材料模擬巖層試驗(yàn)，選定試驗(yàn)最優(yōu)配比模擬硬巖，質(zhì)量配比如表1所示。砂土取自南京郊區(qū)河邊，制成砂土地層，復(fù)合地層（硬巖與砂土地層交界處），硬巖和砂土的基本物理指標(biāo)如表2所示。

表1 硬巖配比（質(zhì)量比）

表2 硬土的基本物理指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)過程

根據(jù)材料配比將土樣填充入裝置內(nèi)，室內(nèi)試驗(yàn)圖如2所示。盾構(gòu)機(jī)首先掘進(jìn)硬巖地層，再掘進(jìn)軟硬不均地層，最后到全斷面砂層。使用精度為0.01 mm位移測(cè)試儀對(duì)地表、地中變形情況進(jìn)行測(cè)量，對(duì)軟硬不均勻地層中刀盤到測(cè)試斷面前地層擾動(dòng)特征進(jìn)行研究，由此地表設(shè)置3個(gè)測(cè)試斷面：A-A，B-B，C-C，每個(gè)斷面層均有11個(gè)測(cè)點(diǎn)，隧道中心軸線為中心，兩側(cè)均勻布置，如圖3所示。盾構(gòu)機(jī)作業(yè)過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)被測(cè)點(diǎn)采集，其中B-B斷面與地中測(cè)點(diǎn)距離相同，因此布置3層位移測(cè)線：B1-B1，B2-B2，B3-B3，每層布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過位移計(jì)采集地中變形情況，由此得到測(cè)量結(jié)果，如圖4所示。為了方便敘述，將始發(fā)斷面、縱軸線、中心線右邊以及和開始的方向分別擬定為橫坐標(biāo)軸、縱坐標(biāo)軸、橫坐標(biāo)正方向和縱坐標(biāo)正方向。其中盾構(gòu)機(jī)模型施工參數(shù)如表3所示。

表3 盾構(gòu)機(jī)模型施工參數(shù)

圖3 地表位移測(cè)點(diǎn)布置情況cm

圖4 地中位移測(cè)點(diǎn)布置情況cm

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模型地表沉降分析

實(shí)驗(yàn)室盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，在到達(dá)B-B斷面之時(shí)，地層穩(wěn)定性好，地層變形較為緩慢，作業(yè)過程中產(chǎn)生的能量會(huì)使測(cè)點(diǎn)下沉。表4列出經(jīng)過BB斷面時(shí)掘進(jìn)范圍y=30、60、90、120、150 cm處的沉降值。

表4 不同測(cè)點(diǎn)掘進(jìn)時(shí)地表沉降mm

由表4可知，y=30～60 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移增加趨勢(shì)緩慢，說明盾構(gòu)機(jī)在硬巖地層掘進(jìn)引起地層擾動(dòng)很小。當(dāng)y=90 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移沉降才開始加快。以207測(cè)點(diǎn)為例，y=60 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)沉降為0.45 mm，之后增長至1.25 mm；當(dāng)y=120 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移沉降增長至2.38 mm；當(dāng)y=150 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)位移沉降增長至5.20 mm。由此可知，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)范圍越大，地表所受影響范圍越廣，越靠近盾構(gòu)機(jī)，所受震動(dòng)影響越大，對(duì)不均勻地層具有不同劇烈擾動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于不同掘進(jìn)階段，其地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 地表沉降曲線

由圖5可知，y=30、60、90 cm時(shí)，地表沉降無規(guī)律，位移均低于2 mm。當(dāng)y=120、150 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)地表位移與測(cè)點(diǎn)關(guān)系曲線呈正態(tài)分布，峰值均超過2 mm。這說明掘進(jìn)范圍越大，地表所受影響范圍越廣，沉降位移越明顯，掘進(jìn)范圍達(dá)到一定值時(shí)，測(cè)點(diǎn)越靠近盾構(gòu)隧道，受到震動(dòng)影響越大。綜上所述，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不均勻地層時(shí)，應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)范圍預(yù)先對(duì)地表土體進(jìn)行加固，避免事故發(fā)生。

2.2 模型地中下沉情況分析

室內(nèi)試驗(yàn)過程中，采集各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化情況。表5表示不同B-B測(cè)線下，地中沉降在不同埋深情況。

表5 各測(cè)點(diǎn)地中沉降mm

由表5可知，埋深越大，地中沉降位移越大，埋深在B3-B3測(cè)線時(shí)，地中沉降位移達(dá)到最大值，越接近隧道軸線處，地中沉降位移越大。為進(jìn)一步探究沉降變形，其曲線變化如圖6所示。

圖6 地中沉降曲線

由圖6可知，由于斷面距離較短，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起擾動(dòng)影響相似，地中每個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降較為接近。地中測(cè)點(diǎn)越接近0，盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的震動(dòng)影響越大，導(dǎo)致地中沉降呈現(xiàn)正態(tài)分布，且地中沉降峰值與埋深深度成正比。結(jié)合上述分析，進(jìn)行土壓盾構(gòu)不均勻地層時(shí)，易出現(xiàn)超挖上部軟弱土體，引起較大地層擾動(dòng)，因此實(shí)際工程中應(yīng)引起重視。

2.3 均質(zhì)砂土試驗(yàn)結(jié)果比較

對(duì)比江英超等［6］在均質(zhì)砂土層試驗(yàn)研究的結(jié)果，其均質(zhì)砂土層基本物理指標(biāo)如表6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 均質(zhì)砂土層基本物理指標(biāo)

表7 均質(zhì)砂土層試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)比表4、5與7可知，實(shí)驗(yàn)室盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)均質(zhì)砂土層過程中，地表沉降大于地中沉降，地中沉降并且隨埋深增加而增加；實(shí)驗(yàn)室盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軟硬不均地層過程中，從地表至地中，沉降不斷增加。均質(zhì)砂土層地表最大沉降高于本試驗(yàn)結(jié)果，地中沉降則小于本試驗(yàn)結(jié)果。

為了進(jìn)一步研究兩種地層地中沉降形態(tài)，通過沉降槽寬度參數(shù)K進(jìn)行比較，公式如下所示。

式中：i為沉降槽寬，cm；z0表示為距離（地表到軸線），cm；z為距離（地表到測(cè)線），cm。并由此得出兩種地層的對(duì)比沉降曲線，如圖7所示。

圖7 對(duì)比沉降曲線

由圖7可知，測(cè)線距地表深度與軸線距離地表深度比值越大，系數(shù)K值越大。砂土地層沉降曲線呈線性關(guān)系，軟硬不均地層則呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)z/z0≤0.58時(shí)，K值保持不變。在相同比值下，砂土地層K值始終大于軟硬不均地層K值。

綜上所述，結(jié)合地中沉降值可知土壓盾構(gòu)在軟硬不均地層中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損耗。借鑒于實(shí)際情況下，根據(jù)規(guī)范開挖，并在開挖過程中對(duì)軟弱土層加固，以此避免產(chǎn)生進(jìn)一步沉降。

2.4 基于數(shù)值模擬地層變形研究

由室內(nèi)試驗(yàn)可知，盾構(gòu)機(jī)在通過不均勻地層時(shí)，易觸碰軟弱土層，從而引起土層損失。故基于數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)過程地層變形進(jìn)行研究，探究地層擾動(dòng)情況。

模型建立之初，由于邊界效應(yīng)因素，模型長度為4.4 m，寬度為2.4 m，高為2.5 m，埋深室內(nèi)試驗(yàn)一致，并在軸線上下方各0.55 m范圍內(nèi)布置1.35～1.85 cm 半徑顆粒，其他區(qū)域則布置2.00～3.35 cm半徑顆粒，由此生成255 643個(gè)顆粒。數(shù)值模擬試驗(yàn)前，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，選擇室內(nèi)試驗(yàn)平均值為模型參數(shù)，并通過三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)軟硬不均勻地層土壤應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示。

圖8 室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比

由圖8可知，室內(nèi)三軸試驗(yàn)所得應(yīng)力應(yīng)變曲線與數(shù)值模擬所得結(jié)果基本吻合，證明室內(nèi)試驗(yàn)平均值參數(shù)可靠性，并由此建立模型，掘進(jìn)速度為0.128 cm/min，盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)速為1.2 r/min。

由于模型計(jì)算效率有限，因此選取盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不均勻地層中3處典型階段進(jìn)行分析，并設(shè)置3種不同工況，分別為工況1、工況2和工況3，代表砂土面積占比分別為0.25，0.50與0.75，其余均為硬巖層。首先通過沉降槽寬度參數(shù)K值比較室內(nèi)試驗(yàn)與3種工況的地中沉降形態(tài)隨埋深的變化，沉降槽寬度參數(shù)K值由公式（1）可得，如圖9所示。

圖9 地中沉降寬度參數(shù)-埋深曲線

由圖9可知，工況1的K值最大，而工況3的K值最小，說明砂土層占比越大，在相同深度下地中沉降槽越寬，硬巖層未限制住砂土變形位移。室內(nèi)試驗(yàn)從開始的全斷面硬巖逐步深入，直至砂土地層過程得到的K值與工況2的K值較為相似。而對(duì)于地表水平位移情況，需滿足公式：

式中：Sh為測(cè)點(diǎn)位移（任何一點(diǎn)），cm；x為距離（任何一點(diǎn)與中心線），cm；S0為地層表面沉降值（豎直），mm。對(duì)公式（2）進(jìn)行求導(dǎo)可得：

式中：Shmax為最大橫軸位移（地表），cm。

將地中沉降情況與數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比。由圖10可知，地表水平位移與公式（3）得出地表水平位移較為類似，其中距離中心線在1時(shí)為反彎點(diǎn)，地表水平位移最大，距離中心線在3之后時(shí)，除工況3的地表水平位移大于式（3）所得值，工況1和工況2均與式（3）所得值吻和。由此說明數(shù)值模型地表水平位移情況符合公式（3），證明該數(shù)值模型地表水平位移變化規(guī)律的合理性。

圖10 地表水平位移曲線

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)盾構(gòu)試驗(yàn)，可以得到不均勻地層沉降規(guī)律，并與砂土地層進(jìn)行對(duì)比，由于施工過程對(duì)軟土層產(chǎn)生較大擾動(dòng)，因此通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和公式計(jì)算相結(jié)合，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程不均勻土層沉降情況進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不均勻地層時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在硬巖地層掘進(jìn)引起地層擾動(dòng)很小，掘進(jìn)范圍越大，盾構(gòu)機(jī)周圍地表沉降位移越明顯，需預(yù)先對(duì)地表土體進(jìn)行加固，避免事故發(fā)生。

（2）斷面距離較短，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起擾動(dòng)影響相似。地中沉降呈現(xiàn)正態(tài)分布，且地中沉降峰值與埋深深度成正比。進(jìn)行土壓盾構(gòu)不均勻地層時(shí)，易出現(xiàn)超挖上部軟弱土體，引起地層擾動(dòng)。

（3）軟硬不均勻地層沉降槽寬度參數(shù)與埋深比呈指數(shù)關(guān)系，砂土地層沉降曲線呈線性關(guān)系，在相同條件下，砂土地層地中沉降槽寬度參數(shù)大于軟硬不均勻地層。

（4）豎向沉降槽曲線反彎點(diǎn)的不均勻地層地表水平位移最大，且與黏土地層位移變化趨勢(shì)相同。