大截面矩形盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地表環(huán)境的影響評(píng)估*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

0 引言

在繁忙的都市運(yùn)行中，地下車行通道已成為緩解城市交通的有效途徑，盾構(gòu)工法以其環(huán)境影響小，不受地形、天氣、江河水域等地表環(huán)境條件的限制而逐漸成為主流的建造工法。然而，較為成熟的地下車行通道盾構(gòu)建造工法，多以圓形盾構(gòu)工法為主，尤其對(duì)于大斷面地下車行通道，圓形隧道占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是，圓形截面盾構(gòu)法隧道，由于其內(nèi)部有著一定的空間浪費(fèi)，導(dǎo)致了其土地占用率和建設(shè)成本較高，覆土深度較深，“低碳、環(huán)保”的建設(shè)理念也難以徹底落實(shí)。相反，與圓形斷面隧道相比，矩形斷面隧道則具有有效使用面積大、安全埋置深度淺，結(jié)構(gòu)剛度高、土地占用率低等優(yōu)點(diǎn)，鑒于淺覆土大斷面矩形地下車行通道，以同等功能條件下的較低土地資源占用率和高效的道路通行能力，在現(xiàn)代城市建設(shè)中具有極高的開發(fā)價(jià)值和推廣前景，更能適應(yīng)未來(lái)超大斷面地下快速通道的建設(shè)要求。

但是，目前矩形斷面隧道發(fā)展存在以下不足：基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究不足，這表現(xiàn)在不清楚大斷面矩形盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響，缺乏必要施工措施來(lái)控制施工質(zhì)量。此外，建造裝備和設(shè)計(jì)方法的滯后制約都限制了大斷面矩形盾構(gòu)在軟體地區(qū)的應(yīng)用。

1 矩形盾構(gòu)構(gòu)造和特點(diǎn)

矩形盾構(gòu)機(jī)構(gòu)成和普通盾構(gòu)機(jī)一樣，由刀盤切削系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)及主頂進(jìn)系統(tǒng)組成，其與一般盾構(gòu)機(jī)最大不同在于其刀盤切削系統(tǒng)的構(gòu)造。相對(duì)于普通盾構(gòu)單一刀盤切削的構(gòu)造，矩形盾構(gòu)刀盤一般為多刀盤構(gòu)成，掘進(jìn)時(shí)由多臺(tái)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行土體切削（圖1）。

圖1 矩形盾構(gòu)刀盤

相對(duì)普通圓形盾構(gòu)，矩形盾構(gòu)更適合于大斷面，淺覆土掘進(jìn)施工，它可以廣泛應(yīng)用與人行通道，地下共同溝及矩形通道的建設(shè)[1]。

2 矩形盾構(gòu)推進(jìn)數(shù)值模擬[2-8]

2.1 建模

由于大型矩形盾構(gòu)在國(guó)內(nèi)軟土地區(qū)使用實(shí)例很少，本研究?jī)H假定一種掘進(jìn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬中矩形盾構(gòu)橫截面尺寸為長(zhǎng)10 m，高5 m，覆土深度為6 m，每次掘進(jìn)距離為50 cm。土質(zhì)環(huán)境以上海虹橋某工程地質(zhì)水文數(shù)據(jù)為例。

研究過(guò)程中，采用了巖土工程專業(yè)軟件Midas-gts進(jìn)行數(shù)值模擬，土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。模型計(jì)算寬度為 70 m，即盾構(gòu)軸線向兩側(cè)延伸3 倍左右開挖寬度。計(jì)算深度取地表下40 m，軸線方向長(zhǎng)度30 m。土體采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界，即模型底部限制水平和豎向位移，兩側(cè)限制水平位移。

本次數(shù)值模擬中假定盾構(gòu)刀盤前方土體保持平衡，無(wú)超挖和欠挖情況。考慮到正常情況下掘進(jìn)中刀盤和切削土之間的空隙會(huì)被泥漿填充，土體的切削和攪拌模擬采用改變切削土體物理性質(zhì)和力學(xué)特性的方式進(jìn)行，土體的體積不會(huì)發(fā)生改變。刀盤前方設(shè)置壓力為水平土壓力80 kPa模擬盾構(gòu)刀盤壓力，具體模型見圖2。

圖2 矩形盾構(gòu)推進(jìn)模型

2.2 模擬結(jié)果

通過(guò)以上模型，我們可以得到盾構(gòu)推進(jìn)后土體隆沉圖（圖3）。

圖3 盾構(gòu)切削50 cm后地表影響

2.2.1 切削土強(qiáng)度變化對(duì)周邊環(huán)境的影響

考慮到土體受刀盤切削和攪拌后物理力學(xué)性質(zhì)將會(huì)有明顯降低，本次模擬中首先分析切削土強(qiáng)度變化對(duì)周邊土體的影響。假定受擾動(dòng)的土體彈模和抗剪強(qiáng)度為原狀土的80%和50%，每次推進(jìn)假定刀盤前進(jìn)50 cm。

圖4、5為假定受擾動(dòng)的土體彈模和抗剪強(qiáng)度為原狀土的80%和50%的情況下，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)周邊的土體隆沉變化。

由圖4、5可以得到，擾動(dòng)圖的性質(zhì)對(duì)周邊土體影響十分明顯，對(duì)切口處土體擾動(dòng)越小，地表土體沉降量越小，降低幅度可以達(dá)到50%左右。

圖4 假定擾動(dòng)土性質(zhì)為原狀土50%時(shí)周邊土體隆沉變化

圖5 假定擾動(dòng)土性質(zhì)為原狀土80%時(shí)周邊土體隆沉變化

2.2.2 刀盤壓力對(duì)周邊環(huán)境的影響

實(shí)際盾構(gòu)推進(jìn)中，盾構(gòu)刀盤壓力是可控的，為保證地表變形達(dá)到要求，壓力可以有一定幅度的提高。圖6、7針對(duì)擾動(dòng)土性質(zhì)為原狀土80%的情況，分析為減少地表沉降所需要的壓力值。

（a）當(dāng)盾構(gòu)刀盤壓力為1.2 倍側(cè)土壓力時(shí)，如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)刀盤壓力為1.2 倍側(cè)土壓力時(shí)周邊土體隆沉變化

（b）當(dāng)盾構(gòu)刀盤壓力為1.3 倍側(cè)土壓力時(shí)，如圖7所示。

圖7 假定擾動(dòng)土性質(zhì)為原狀土80%時(shí)周邊土體隆沉變化

從圖6、7上可以得到，當(dāng)切口壓力提高后，地表沉降量有了一定量的下降。當(dāng)切口水壓提高到1.2 倍和1.3 倍側(cè)土壓力時(shí)，周邊土體最大沉降量由4.90 cm降低到4.70 cm和4.35 cm，地表沉降量由1.98 cm降低到1.87 cm和1.74 cm，降低地表沉降效果雖然不如通過(guò)改變擾動(dòng)土強(qiáng)度的方式，但也因?yàn)槠渥兓刃。趯?shí)際盾構(gòu)推進(jìn)微擾動(dòng)施工中具有很大實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

由于本文模擬對(duì)象并非一實(shí)體工程，故本次模擬主要是定性研究大截面矩形盾構(gòu)對(duì)周邊土體的影響，具體模擬結(jié)論如表1所示（假定切削圖強(qiáng)度為原狀土強(qiáng)度50%的地表沉降量為100%）。

表1 大截面矩形盾構(gòu)對(duì)周邊土體的影響分析

通過(guò)本次數(shù)值模擬，可以定性分析出大斷面矩形盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響，可以概括如下：

（a）盡量保證切削土強(qiáng)度對(duì)于控制周邊土體的隆沉十分關(guān)鍵，減少刀盤前方土體的擾動(dòng)可以有效降低約一半的地表沉降量；

（b）在掘進(jìn)中有根據(jù)地增加刀盤壓力也能有效減少周邊土體的沉降量，在實(shí)際掘進(jìn)中可以通過(guò)此方法進(jìn)行微擾動(dòng)施工。