趙耀強(qiáng),李元海,朱世友,林志斌
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;2.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300133)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,許多地鐵工程都采用盾構(gòu)法施工,但由于盾構(gòu)始發(fā)施工措施不當(dāng)?shù)仍蛞鸬亩軜?gòu)始發(fā)端頭出現(xiàn)涌水涌砂、盾構(gòu)機(jī)始發(fā)栽頭、地表沉降過(guò)大進(jìn)而導(dǎo)致臨近建筑物傾斜、道路下沉等事故時(shí)有發(fā)生,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。例如:在上海地鐵1號(hào)線7臺(tái)盾構(gòu)出洞過(guò)程中,由于端頭洞口土體加固不好,大量土體和地下水涌進(jìn)工作井內(nèi),導(dǎo)致地表下沉,危及地下管線和附近的建構(gòu)筑物[1];在廣州地鐵4號(hào)線大學(xué)城南北站區(qū)間隧道右線盾構(gòu)始發(fā)施工中出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)栽頭事故;廣州地鐵土建3標(biāo)始發(fā)端頭出現(xiàn)涌水涌砂事故等。因此,有必要對(duì)盾構(gòu)始發(fā)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行分析。
每座城市都有其特殊的地層條件,對(duì)不同地層條件,應(yīng)有針對(duì)這一地層的專(zhuān)項(xiàng)方案來(lái)指導(dǎo)施工。以往文獻(xiàn)中較多是針對(duì)某一土層參數(shù)、隧道覆土深度、外徑等的不同進(jìn)行研究[2-3],針對(duì)地區(qū)不同代表土層盾構(gòu)始發(fā)施工對(duì)地表沉降影響的研究很少;但針對(duì)不同地區(qū)不同土層對(duì)盾構(gòu)始發(fā)地表沉降的影響規(guī)律,有效采取相應(yīng)控制措施,保證隧道周?chē)ㄖ锖偷叵鹿芫€的安全極為重要。故本文在對(duì)北京、杭州、南京和上海等地區(qū)地層特點(diǎn)對(duì)比總結(jié)的基礎(chǔ)上,選取具有代表性的地層作為模型地層參數(shù),采用巖土通用軟件FLAC3D建立盾構(gòu)始發(fā)三維模型,模擬始發(fā)施工的全過(guò)程,對(duì)各地區(qū)不同地層參數(shù)下盾構(gòu)始發(fā)對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行計(jì)算分析,總結(jié)各典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)對(duì)地表變形的影響規(guī)律,提出相應(yīng)施工建議,為類(lèi)似工程及相應(yīng)反分析研究提供參考。
縱觀我國(guó)城市地鐵的發(fā)展,北京、上海是國(guó)內(nèi)最早使用盾構(gòu)技術(shù)修建地鐵的城市,已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng),可參考的地層資料及施工經(jīng)驗(yàn)較豐富。南京與杭州分別于2005年和2007年開(kāi)始修建地鐵,由于地層以及保護(hù)名勝古跡等原因,絕大多數(shù)使用的是盾構(gòu)法,且在盾構(gòu)施工中出現(xiàn)多處由于地表沉降造成的工程事故。上述4個(gè)典型城市,雖不能概括全國(guó)地層的全部特征,但在一定程度上代表了國(guó)內(nèi)盾構(gòu)地層資料的典型特征,故選取該4個(gè)城市作為典型地區(qū)進(jìn)行對(duì)比研究,對(duì)我國(guó)城市盾構(gòu)地鐵的后續(xù)施工參考價(jià)值很大。在參閱相應(yīng)城市大量盾構(gòu)施工相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,繪制各典型地區(qū)土層分布示意圖(見(jiàn)圖1),總結(jié)各城市盾構(gòu)典型地層及特點(diǎn)(見(jiàn)表1),并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 典型地區(qū)土層分布示意圖(單位:m)Fig.1 Distribution of soil strata in typical regions(m)

表1 典型地區(qū)盾構(gòu)地層特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison and contrast among characteristics of shield launching strata in typical regions
通過(guò)圖1和表1對(duì)典型地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間地層特點(diǎn)的綜合對(duì)比可知:1)粉質(zhì)黏土層為4個(gè)城市盾構(gòu)穿越最為頻繁的土層;2)北京地區(qū)盾構(gòu)地層主要為卵石土和砂土層,杭州地區(qū)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂層,南京為粉土和粉細(xì)砂土層,上海地區(qū)則以土質(zhì)較軟的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主。
在對(duì)典型地區(qū)盾構(gòu)地層特點(diǎn)綜合比較的基礎(chǔ)上,選取典型地區(qū)代表土層制定合理的計(jì)算方案對(duì)其盾構(gòu)始發(fā)條件下,地表沉降曲線以及圍巖變形特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。
通過(guò)典型地區(qū)盾構(gòu)地層特點(diǎn)的對(duì)比分析,按地區(qū)分別取其地層條件較好、中等、較差的代表土層制定相關(guān)方案,模型統(tǒng)一采用隧道埋深15 m,盾構(gòu)直徑10 m,盾構(gòu)井深27 m,排除土層以外的因素對(duì)模擬效果的影響,對(duì)典型地區(qū)不同地層條件盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。具體模擬方案見(jiàn)表2。
盾構(gòu)始發(fā)土層相關(guān)參數(shù)選取見(jiàn)表3。
所取模型邊界條件均為頂面自由,四周約束法向位移,底面固定。盾構(gòu)豎井及隧道周?chē)貙油馏w按表2中數(shù)據(jù)取值,采用摩爾-庫(kù)倫材料模型進(jìn)行模擬計(jì)算。施工過(guò)程充分考慮到盾構(gòu)機(jī)的影響,用等代層來(lái)反應(yīng)注漿效果[8];考慮到襯砌結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,故對(duì)其進(jìn)行一定的折減,折減系數(shù)取0.7,折減后的相關(guān)參數(shù)如表4所示(參數(shù)選取參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》)。采用模型空單元模擬隧道開(kāi)挖,采用實(shí)體彈性單元模擬襯砌環(huán),掌子面前方土艙壓力采用梯形荷載和等效荷載2種模式進(jìn)行計(jì)算(2種模式計(jì)算結(jié)果相差不大)。最終土艙壓力以等效荷載條件下隧道中心線處水平應(yīng)力實(shí)際值的1.08倍進(jìn)行施工情況的模擬計(jì)算。

表2 典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)數(shù)值模擬方案Table 2 Numerical simulations of shield launching in typical regions

表3 不同地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)土層參數(shù)取值表Table 3 Parameters of soil strata for shield launching in different regions

表4 模型各項(xiàng)參數(shù)Table 4 Model parameters
地連墻、豎井二次襯徹、底板和基座、洞門(mén)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,由于圍護(hù)墻在基坑開(kāi)挖及襯砌回筑階段沿豎向間隔一定距離受支撐圍檁約束,臨時(shí)支撐可以簡(jiǎn)化成多支點(diǎn)桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,即采用梁結(jié)構(gòu)單元(beam)進(jìn)行模擬。地下連續(xù)墻采用C30防水混凝土[9],豎井二次襯徹、底板和基座采用C30和S8混凝土,洞門(mén)采用素混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬。
在盾構(gòu)始發(fā)井開(kāi)挖前,對(duì)始發(fā)端頭土體進(jìn)行加固模擬。由于我國(guó)城市盾構(gòu)施工地段,大多為軟土地層,參考國(guó)內(nèi)多處施工實(shí)例[10],本文對(duì)軟土地段盾構(gòu)始發(fā)端加固長(zhǎng)度取:縱向長(zhǎng)度=盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度(12.6m)+1.4 m,兩側(cè)加固寬度3 m,上方加固高度3 m,下方加固高度3 m。
本文主要對(duì)典型地區(qū)不同地層條件下盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。首先進(jìn)行三維建模,模型中預(yù)設(shè)開(kāi)挖土體單元、襯砌單元、盾構(gòu)鋼殼以及等代層單元,以盾構(gòu)隧道掘進(jìn)始發(fā)處中軸線地表為坐標(biāo)原點(diǎn),垂直隧道軸向的水平方向?yàn)閄方向、隧道軸向?yàn)閅方向、高度方向?yàn)閆方向建立數(shù)值計(jì)算模型坐標(biāo)系。模型范圍為軸向長(zhǎng)度取60 m(盾構(gòu)始發(fā)隧道掘進(jìn)段為0~40 m),垂直隧道軸向自隧道中心水平向外各取5 D(D為隧道外徑),自隧道底部垂直向下取5D。盾構(gòu)始發(fā)隧道開(kāi)挖40 m,盾構(gòu)始發(fā)井位于縱向-12~0 m,橫向-11~11 m范圍內(nèi),模型上端自由,底部位移完全約束,兩側(cè)水平位移約束,沿軸線的前后方向約束。模型共有123 576個(gè)單元、129 519個(gè)節(jié)點(diǎn)。沿隧道軸線縱向截取計(jì)算模型如圖2所示。
提取典型地區(qū)隧道縱軸向地表沉降數(shù)據(jù),按地區(qū)繪制地表縱向沉降曲線如圖3所示。
通過(guò)分析圖3可知,典型地區(qū)地表縱向沉降規(guī)律相同點(diǎn)為:隧道縱軸向始發(fā)井附近地表沉降量較大,進(jìn)入加固段后,沉降值突然減小,在加固段地表沉降基本穩(wěn)定在-10 mm以?xún)?nèi),隧道掘進(jìn)進(jìn)入非加固段后,地表沉降量又逐漸變大。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)其規(guī)律原因是:在盾構(gòu)始發(fā)端頭,盾構(gòu)豎井施工對(duì)端頭土體擾動(dòng)較大,隨著隧道掘進(jìn)進(jìn)入始發(fā)加固段,地層強(qiáng)度、止水性、均勻性以及整體穩(wěn)定性都有較大改善,地層擾動(dòng)量減小;在非加固段,地層條件變差土體擾動(dòng)量又開(kāi)始加大。

圖3 典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)地表縱向沉降曲線Fig.3 Curves of ground surface settlement in longitudinal direction in typical regoins induced by shield launching
雖然典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)縱向地表沉降規(guī)律有很多相像之處,但各個(gè)地區(qū)以及同一地區(qū)不同土層參數(shù),在沉降量、差異沉降方面卻有明顯的區(qū)別。下面就同一地區(qū),不同土層縱向地表沉降的區(qū)別進(jìn)行定量分析(見(jiàn)表5)。
分析表5中數(shù)據(jù)可得:1)北京地區(qū)地表沉降及差異沉降整體較小;2)南京地區(qū)雖地表沉降值相對(duì)較小,但其差異沉降較大;3)上海地區(qū)地表沉降整體較大;4)方案B-3地表沉降量相比方案B-1和方案B-2較平穩(wěn),差異值也比較小,即粉質(zhì)黏土地層為北京地區(qū)最佳土層方案;5)方案H-1地表沉降整體較小,與方案H-2和方案H-3比較,其沉降量較平穩(wěn)差異沉降控制也較好,即粉質(zhì)黏土為杭州地區(qū)最佳土層方案;6)方案N-3與方案N-1和方案N-2比較,地表沉降相對(duì)較小且穩(wěn)定,差異沉降值也較小,即粉土地層為南京地區(qū)最佳土層方案;7)方案S-1與方案S-2和方案S-3相比較,地表沉降量相對(duì)平穩(wěn),且地表總體沉降及差異沉降相對(duì)控制較好,即粉質(zhì)黏土地層為上海地區(qū)最佳土層方案。

表5 典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)地表縱向沉降對(duì)比Table 5 Comparison and contrast among ground surface settlement in longitudinal direction induced by shield launching in typical regions
在總結(jié)地表縱向沉降規(guī)律基礎(chǔ)上,對(duì)地表橫向沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,使對(duì)典型地區(qū)不同土層施工效果的分析更為全面、透徹和準(zhǔn)確。
提取典型地區(qū)隧道縱向Y=1.8 m處橫軸向地表沉降數(shù)據(jù),按地區(qū)繪制盾構(gòu)始發(fā)地表橫向沉降槽曲線(見(jiàn)圖4)。
通過(guò)分析圖4曲線可知,典型地區(qū)地表橫向沉降規(guī)律為:1)盾構(gòu)始發(fā)施工對(duì)地表橫向影響范圍均為55 m左右,基坑開(kāi)挖基本均未引起地表隆起,在盾構(gòu)始發(fā)完畢后,隧道橫軸向兩側(cè)±20 m范圍以外均出現(xiàn)不同程度地表隆起;2)不同地區(qū)以及同一地區(qū)不同土層參數(shù),在地表隆起值、累計(jì)沉降量以及差異沉降方面有明顯的區(qū)別。下面就同一地區(qū),不同始發(fā)土層方案橫向地表沉降的區(qū)別進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表6)。
分析表6中的數(shù)據(jù)可得:1)方案B-3地表累計(jì)沉降比方案B-1小4.3 mm,比方案B-2小5.97 mm,其盾構(gòu)始發(fā)施工對(duì)地表沉降整體控制效果最好,在橫向20 m范圍內(nèi)差異沉降控制也最好,為北京地區(qū)最佳土層施工方案;2)方案H-1地表累計(jì)沉降比方案H-3小14.88 mm,與方案H-2基本一致,但其在橫向20 m范圍內(nèi)差異沉降控制最好,地表隆起值也較小,為杭州地區(qū)最佳土層方案;3)方案N-3地表累計(jì)沉降比方案N-1小6.53 mm,比方案N-2小10.32 mm,并且其在橫向20 m范圍內(nèi)差異沉降控制最好,為南京地區(qū)較好土層施工方案;4)方案S-1地表累計(jì)沉降比方案S-2小26.04 mm,比方案S-3小20.84 mm,并且其在橫向20 m范圍內(nèi)差異沉降控制也最好,為上海地區(qū)地表沉降控制最好的土層方案。

圖4 典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)地表橫向沉降槽曲線Fig.4 Curves of transverse settlement trough induced by shield launching in typical regions
綜上所述可知,地面沉降在垂直隧道軸線的橫斷面上一般呈正態(tài)分布曲線。不同土質(zhì)地層其沉降曲線差別較大,一般而言,黏土土層中,盾構(gòu)周?chē)耐翆尤缤粔K土體一樣是逐漸變形的;而砂土土層中,盾構(gòu)周?chē)耐馏w卻是局部而又?jǐn)嗬m(xù)地塌落。這種區(qū)別反映出各種性質(zhì)的土體“成拱”能力,黏性土較砂性土成拱能力高,沉降槽影響范圍相對(duì)較大,中心點(diǎn)沉降量相對(duì)較小。
對(duì)典型地區(qū)不同土層條件盾構(gòu)始發(fā)地表沉降規(guī)律分析的基礎(chǔ)上,從地層圍巖角度再次驗(yàn)證規(guī)律的合理性,按地區(qū)分別取一代表方案沿隧道軸線剖開(kāi),提取圍巖豎向位移分布云圖(見(jiàn)圖5)進(jìn)行分析。

表6 典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)地表橫向沉降對(duì)比Table 6 Comparison and contrast among ground surface settlement in transverse direction induced by shield launching in typical regions
通過(guò)分析圖5云圖可知:1)典型地區(qū)圍巖豎向位移分布在盾構(gòu)加固段較小,在第9環(huán)以后出現(xiàn)豎向位移驟然增大,原因是前8環(huán)為盾構(gòu)加固段,第9環(huán)以后地層穩(wěn)定性相對(duì)較差,這一現(xiàn)象再次驗(yàn)證地表沉降在盾構(gòu)非加固段增大的規(guī)律。2)在盾構(gòu)始發(fā)尾部均出現(xiàn)隧道頂部下沉較大,這是因?yàn)樵谑及l(fā)階段由于自重及其他原因,盾尾出現(xiàn)失圓所致,這種現(xiàn)象可以采用盾構(gòu)機(jī)自帶的整圓器進(jìn)行整圓,在必要情況下,可采用錯(cuò)縫拼裝以保證管片拼至隧道內(nèi)時(shí)管片自身的橢圓度控制在誤差以?xún)?nèi)。上述現(xiàn)象反映到地表,均符合前述典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)隧道地表沉降的規(guī)律。
通過(guò)典型地區(qū)不同地層條件盾構(gòu)始發(fā)施工數(shù)值模擬,分析其地表沉降數(shù)據(jù)及圍巖位移分布云圖,并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論與建議如下:
1)不同地層盾構(gòu)始發(fā)地表沉降差別較大,黏性土較砂性土沉降槽影響范圍相對(duì)較大,中心點(diǎn)沉降量相對(duì)較小。

圖5 典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)圍巖豎向位移分布云圖Fig.5 Cloud of distribution of vertical displacement of rock mass caused by shield launching in typical regions
2)典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)地表沉降總規(guī)律為:地表沉降對(duì)稱(chēng)分布,隧道軸線正上方地表沉降最大,向左右沉降分別逐漸減小;隧道開(kāi)挖完畢后地表沉降具有對(duì)稱(chēng)性,最后綜合沉降最大值位于隧道中間。對(duì)土體擾動(dòng)引起地表沉降的橫向沉降槽與Peck計(jì)算得出的橫向沉降槽正態(tài)分布曲線形態(tài)基本一致。
3)典型地區(qū)均在黏性土條件下地表沉降較小,北京和南京地區(qū)地表沉降在22 mm內(nèi),在非黏性土條件下于橫向基坑邊界處地表差異沉降較大;杭州和上海地區(qū)在黏性土條件下地表沉降在32 mm內(nèi),在淤泥質(zhì)土條件下地表沉降過(guò)大(超過(guò)60 mm)。典型地區(qū)按地表沉降控制效果由好到差排序?yàn)楸本灸暇竞贾荩旧虾!?/p>
4)在砂性土層始發(fā)時(shí),由于砂性土自穩(wěn)性差、流動(dòng)性大、滲透系數(shù)大,易發(fā)生流砂和涌水現(xiàn)象,加固區(qū)的長(zhǎng)度必須大于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度。
5)為有效減少始發(fā)段地表沉降,要嚴(yán)格控制地層加固質(zhì)量,使加固后土體滿足強(qiáng)度和滲透性的要求,同時(shí)加強(qiáng)管片壁后注漿,二次注漿壓注要及時(shí),對(duì)部分地層根據(jù)地面沉降情況及時(shí)進(jìn)行三次或多次注漿,從而達(dá)到有效控制地面沉降的效果。
[1] 吳韜,韋良文,張慶賀.大型盾構(gòu)出洞區(qū)加固土體穩(wěn)定性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(3):85-90,193.(WU Tao,WEI Liangwen,ZHANG Qinghe.Research on stability of reinforced soil at large scale shield departure Area[J].Journal of Underground Space and Engineering,2008,4(3):85-90,193.(in Chinese))
[2] 王麗霞,凌賢長(zhǎng),張?jiān)讫?哈爾濱市松花江隧道頂部覆土安全厚度預(yù)測(cè)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(5):163-168.(WANG Lixia,LING Xianzhang,ZHANG Yunlong.Forecasting model of safe cover thicknrss of tunnel crossing Songhua River in harbin[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(5):163-168.(in Chinese))
[3] 于寧,朱合華.盾構(gòu)隧道施工地表變形分析與三維有限元模擬[J].巖土力學(xué),2004,25(8):154-158.(YU Ning,ZHU Hehua.Analysis of earth deformation caused by shield tunnel construction and 3D-FEM simulation[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(8):154-158.(in Chinese))
[4] 梁睿.北京地鐵隧道施工引起的地表沉降統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)[D].北京:北京交通大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè),2007.
[5] 丁智.盾構(gòu)隧道施工與鄰近建筑物相互影響研究[D].浙江:浙江大學(xué)巖土工程專(zhuān)業(yè),2007.
[6] 張書(shū)豐.地鐵盾構(gòu)隧道施工期地表沉降監(jiān)測(cè)研究[D].南京:河海大學(xué)大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程專(zhuān)業(yè),2004.
[7] 孫統(tǒng)立.多圓盾構(gòu)施工擾動(dòng)土體位移場(chǎng)特性及其控制技術(shù)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè),2007.
[8] 張?jiān)疲笞跐桑煊栏?盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(3):90-94.(ZHANG Yun,YING Zongze,XU Yongfu.Analysis on threedimensional ground surface deformations due to shield tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(3):90-94.(in Chinese))
[9] 秦愛(ài)芳,李永和.人工土層凍結(jié)法加固在盾構(gòu)出洞施工中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2004(S2):450-453.(QIN Aifang,LI Yonghe.Application of artificial soil freezing reinforcement method to shield tunneling setting out[J].Rock and Soil Mechanics,2004(S2):450-453.(in Chinese))
[10] 辛振省,王金安,馬海濤,等.盾構(gòu)始發(fā)端預(yù)加固合理范圍研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(3):129-134.(XIN Zhenxing,WANG Jinan,MA Haitao,et al.Study on rational scope of pre-reiforcement at starting position for shield excavation[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2007,3(3):129-134.(in Chinese ))