粉質黏土層大直徑泥水盾構掘進地層擾動分析

周慶合

(中鐵十四局集團有限公司，濟南 250101)

引言

隨著國家交通強國戰略的提出和實施，新建京張高鐵將成為連接北京和張家口的重要交通工程，以滿足2022年冬季奧林匹克運動會的交通需求。該高速鐵路以地下隧道的形式通過北京繁華城區，而盾構法隧道憑借其自身具有的優勢成為修建地下隧道的最優選擇。但是，在這樣復雜的城市環境下，盾構隧道開挖掘進引起的地層擾動分析與控制尤為重要[1]，地層擾動引起的危害不可忽視。

目前，已經存在大量的文獻針對盾構開挖引起的地層擾動進行分析與研究[2-9]。劉方等[10]通過現場監測與數值模擬的方法，針對大直徑泥水平衡盾構淺覆土始發地表沉降特性進行了研究，特別是針對地層加固后的沉降特性進行了總結分析。方勇等[11]運用三維有限元數值模擬進行平行盾構隧道施工模擬，研究得到了新建隧道開挖過程中對既有隧道的位移、變形和內力的變化規律。丁烈云等[12]以武漢地鐵2號線盾構隧道為依托，采用現場監測和數值模擬的方法，分析了始發過程中的地層擾動規律。鞠鑫[13]采用雙孔平行隧道地表沉降計算公式、數值模擬及現場監測3種方法，分析研究了雙線地鐵盾構施工引起的地表沉降及其控制。Fang等[14]通過自主研發的室內試驗模擬裝置，研究了盾構隧道掘進過程中不同地層損失率引起的地表沉降規律。何祥凡等[15]結合深圳地鐵7號線，針對盾構隧道穿越上軟下硬地層的施工力學特性進行了研究。戴志仁[16]基于近年來富水砂卵石地層中盾構隧道掘進提出了微擾動施工關鍵控制技術。梁新權等[17]依托長沙市地鐵1號線盾構區間隧道工程，揭示了盾構下穿流塑狀殘積粉質黏土地層的擾動規律。王俊等[18]采用自行研制的φ800 mm模型盾構開展室內掘進試驗，研究土壓盾構掘進對上軟下硬地層的擾動特征，試驗中充分考慮了盾構動態施工全過程的影響。

綜上，目前的研究并沒有針對泥水平衡盾構穿越北京地區粉質黏土復雜地層進行土體擾動研究。依托新建京張高鐵JZSG-1標段清華園隧道，基于現場實測及三維盾構數值模擬，研究大直徑泥水平衡盾構在粉質黏土層中掘進引起的土體擾動；并通過對掌子面釋放系數和注漿層軟化模量進行參數分析，提出了地表沉降的有效控制方法，為今后類似盾構隧道工程提供了工程參考依據。

1 依托工程概覽

京張高鐵一標段位于北京海淀區，起止里程為DK12+413～DK22+900，該線路長為10.487 km，其中清華園隧道為施工重點工程。清華園隧道全長6.02 km，設有3座豎井，1號豎井為接收井，2號豎井為始發兼接收井(2-A始發井、2-B接收井)，3號豎井為始發井。

盾構區間劃分為3號～2號豎井區間和2號～1號豎井區間。清華園隧道盾構段采用刀盤斷面為12.64 m的泥水平衡盾構機進行開挖掘進，盾構機長14 m。盾構段管片外徑為12.2 m，幅寬為2 m，每環分9塊拼裝，即6+2+1拼裝模式，管片厚55 cm。隧道最大縱坡為30‰，最小曲線半徑為995m。

本文所研究盾構掘進引起地層擾動區間位于2號～1號豎井區間，地層地質情況縱斷面如圖1所示。

圖1 盾構區間地質縱斷面

2 現場測試

針對清華園隧道的實際工程情況，進行現場測試，測試項目包括土體地表沉降及深層土體橫向水平位移。在2號～1號豎井區間布置了DK14+250測斜試驗斷面；同時在隧道中心地表每隔10 m布置一個地表沉降監測點。其中地表沉降監測和測斜試驗斷面DK14+250的具體布置如圖2和圖3所示。

圖2 隧道軸線中心地表沉降監測布置

圖3 深層土體水平位移測試布置(單位：m)

3 數值模擬

為了配合現場測試探究泥水平衡盾構在粉質黏土層掘進引起的地層擾動，采用FLAC3D有限差分軟件建立數值模型，進行盾構開挖施工模擬。

圖4和圖5給出了數值模擬中建立的三維盾構開挖模型。為了充分體現隧道掘進過程對周圍土體的擾動，模型沿隧道掘進方向取100 m，同時根據圣維南原理，為滿足既定邊界條件，整個模型的尺寸為70 m×100 m×75 m，共計346 000個單元和359 661個節點。土體采用Mohr-Coulomb本構模型，非相關聯流動法則，盾構機、注漿層、管片襯砌均采用線彈性本構模型，所有單元均為實體單元。位移邊界條件設定為：側面和底面約束垂直面方向的位移，頂面自由移動。并未考慮地下水的影響。土體及材料的參數見表1。

圖4 數值計算整體模型

圖5 數值計算局部模型

數值模擬中將被開挖土體設置為空單元，同時激活盾構機單元，來實現盾構機的開挖掘進。通過在掌子面施加泥水壓力，在盾尾處施加注漿壓力和千斤頂推力來實現數值模型的精細化模擬。

表1 材料物理力學參數

模型中在地表沿隧道軸線方向每10 m設置一個測試點，同時在DK14+250測試斷面隧道兩側監測深層土體水平位移。深層土體水平位移現場實測是在地中豎直方向每隔1 m讀取一個數據，由于現場及施工條件的制約，測斜孔的深度只有22 m，幾乎到達隧道軸線所在深度。

4 分析與討論

4.1 模型驗證

將計算得到的DK14+250測試斷面地表橫向沉降槽與現場實測曲線進行對比分析，如圖6所示。由圖6可得，兩條曲線呈現大體一致的沉降特性，近似Peck[20]提出的正態曲線。在隧道軸線中心地表沉降值最大，約14 mm，兩側位移逐漸降低，在兩肩處呈現上拱趨勢。

圖6 DK14+250測試斷面橫向沉降槽對比

圖7給出了現場實測和數值模擬中隧道軸線右側深層土體橫向水平位移對比。圖7中，橫向水平位移為正，意味著土體向著隧道方向移動。橫向水平位移隨著深度不斷增大，在隧道中心深度處達到最大值。故對于重點監測斷面，應在隧道兩側隧道中心埋深處進行重點加固，進而達到減小橫向水平位移的目的。由于現場實測的測斜孔深度只有22 m，因此不能得到更深處土體橫向水平位移。但是，通過數值模擬可以看出，隧道軸線下方土體橫向水平位移逐漸減小，影響范圍約為1D(D為隧道開挖直徑)，并且在最下方產生反向位移。

圖7 DK14+250監測斷面橫向水平位移對比

將數值計算與現場實測進行對比發現，數值計算得到的土體變形規律與現場實測規律一致，但是數值計算值均比實測值偏大，計算結果較為安全，這都是在可以接受范圍內的，足以說明數值模型的可靠性和有效性。本文的數值模擬能夠在一定程度上反映清華園隧道泥水平衡盾構粉質黏土地層土體的擾動規律。

4.2 地表沉降

圖8給出了現場實測中2號～1號盾構區間隧道軸線正上方地表沉降測點的最終沉降值。其中，由于距離2號始發井500 m處附近下穿重要市政道路進行了微沉降控制，因此沉降值較小。隨著盾構機的不斷開挖掘進，底層適應性越來越明顯，地表沉降控制技術得到有效實施，地表沉降值控制在一個相對穩定的平均水平，約8 mm。從圖8可以看出，在地層加固階段(450 m左右)，地表沉降較小，說明了加固措施的有效性。在盾構掘進過程中，應根據沉降數據實時調整盾構掘進參數及加固方案，以期更好地控制地表沉降。

圖8 2號～1號盾構區間隧道軸線正上方地表最終沉降

4.3 深層土體水平位移

從數值模擬結果得到深層土體橫向水平位移隨著盾構掘進的變化曲線，如圖9所示。橫向水平位移隨著土體深度的增加明顯增大。在盾構切口到達前，土體向隧道側緩慢移動，埋深較淺處的土體有背向隧道側運動的趨勢(埋深3 m處)。在切口到達后，土體向隧道側加速移動。當盾尾通過測試斷面，繼續產生少許移動，然后反向回落達到穩定。同時可以發現，土體主要在盾構通過測試斷面期間產生橫向水平位移。

圖9 數值模擬中DK14+250斷面橫向水平位移

4.4 參數分析

在數值計算的基礎上，針對地表沉降進行多工況參數分析計算，主要包括掌子面釋放系數與注漿層軟化模量的影響。掌子面釋放系數指的是在隧道開挖后，土體應力重分布會產生應力釋放，釋放系數為釋放掉的應力與開挖應力之比。在盾構施工過程中，注漿層的硬化是有時間效應的，由松散泥漿逐漸硬化為承受壓力的注漿層，此處注漿層軟化模量指的是在模擬中分級硬化時的第一級硬化模量。

圖10為不同釋放系數下橫向沉降槽，圖11為最大沉降值隨著釋放系數的變化規律。由圖10和圖11可以看出，在粉質黏土地層中隨著釋放系數的不斷增大，位移呈現增大趨勢。基于圖11可以發現，隨著釋放系數的不斷變大，軸線處地表位移絕對值呈現線性增長(加速沉降)。當釋放系數小于0.18時，隧道軸線處地表位移可控制在20 mm以內。

圖10 不同釋放系數下地表橫向沉降槽

圖11 不同釋放系數下最大沉降值的變化曲線

圖12為掌子面釋放系數為0.10時，采用不同注漿層軟化模量的隧道軸線地表位移時程曲線。從圖12可以看出，當注漿層軟化彈模低于1 MPa時，地表沉降極大(30 mm以上)；注漿層軟化彈模在18 MPa及以上時，地表沉降較小，約10 mm，沉降的產生主要在盾構通過階段，以盾構機本身錐度的影響為主。

圖12 釋放系數0.10時隧道軸線地表位移變化曲線

圖13是注漿層使用不同的軟化模量時，地表的最大位移。從圖13可知，隨著注漿層軟化模量的不斷提高，最終地表位移將逐漸減小，達到一定值后，影響效果將不再明顯，可以認為提高盾構同步注漿效果將明顯改善盾構機對土體的擾動，從而減少地表位移。圖14是注漿層軟化模量取為18 MPa時，不同掌子面釋放系數下隧道軸線地表位移時程曲線。當釋放系數為0.1時，地表位移已達10 mm，約為最終位移量50%以上。因此在粉質黏土層中，盾構機應注意有效的穩定開挖面，盡量減小擾動。

圖13 不同軟化注漿層模量時的最大位移

圖14 注漿層軟化模量為18 MPa時不同釋放系數下位移時程曲線

通過對掌子面釋放系數和注漿層軟化模量進行參數分析，可以發現清華園隧道盾構機在粉質黏土層掘進產生的應力釋放系數約為0.14。對于應力釋放系數在掘進過程的調整取決于管片的拼裝時間，在隧道施工過程中，在條件允許情況下適當地提早進行管片的拼裝及注漿壓力的施作，有利于降低應力釋放率，達到控制地表沉降的目的。另一個有效控制地表沉降的方法是控制注漿層軟化模量，由參數分析可得軟化模量越大，對地表沉降的控制越明顯，因此盾構掘進時可以適當加快注漿層的硬化速度。

4.5 討論與分析

根據圖9～圖14可以發現，清華園隧道粉質黏土層大直徑泥水平衡盾構掘進對地層產生了一定擾動。針對圖9可以總結為：盾構掘進過程根據擾動情況可分為4個階段：第一階段，盾構切口到達前，距離監測點-10～-5 m；第二階段，盾構通過時，距離監測點為-5～13 m；第三階段，盾尾通過階段，距離監測點13～18 m，主要考慮由于同步注漿控制地表沉降引起的地表沉降變化；第四階段，盾構遠離斷面時，約為距離監測點18 m以后。通過對注漿壓力的合理控制，可以有效改善地表沉降，起到地層擾動防控的作用。同時，應根據地層應力釋放系數適當調整地層加固方案和同步注漿實施方案。

盾構掘進在橫向上引起的擾動約在距隧道軸線20 m(約1.5D)的范圍內，故需對橫向1.5D范圍內地表及建(構)筑物進行地層加固、加強監控量測，實現盾構安全穩定掘進，減小盾構掘進引起的地層擾動。

5 結論

以清華園隧道2號～1號盾構區間為工程背景，采用數值計算與現場實測相結合的方式，針對盾構掘進穿越粉質黏土地層所引起的周圍地層擾動進行分析研究，得出以下結論。

(1)本文所采用的數值模型能夠有效地模擬大直徑泥水平衡盾構掘進施工行為，數值計算與監測基本一致，該數值模擬計算方法具有工程實用價值和指導意義。

(2)得到了泥水盾構穿越北京粉質黏土層的擾動規律。地表沉降槽呈正態曲線形式，在粉質黏土層盾構開挖后的掌子面釋放系數約為0.14。土體橫向水平位移規律：切口到達前，土體向隧道側緩慢移動，在切口到達后，土體快速擠向隧道。盾尾到達，繼續產生少許移動，然后反向回落至不再產生變化。

(3)通過數值模擬多工況參數分析計算，得到了關于掌子面釋放系數與注漿層軟化模量對地層擾動的影響。隨著釋放系數的不斷變大，最大位移呈現線性增長。隨著注漿層軟化模量的不斷提高，最終地表位移將逐漸減小，達到一定值后，影響效果將不再明顯。在條件允許情況下適當提早管片的拼裝及適當加快注漿層的硬化速度，可有效控制地表沉降。