粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律分析

周燦朗(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州　510010)

?

粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律分析

周燦朗
(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510010)

摘要:蘇州市軌道交通1號(hào)線一區(qū)間穿越富水粉細(xì)砂地層，盾構(gòu)施工面臨涌水、涌砂、開(kāi)挖面失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地層變形進(jìn)行分析，得到以下規(guī)律:地表變形可用經(jīng)典的Peck公式描述，擬合得到的地層損失率為0.37%～0.66%，沉降槽寬度系數(shù)為0.30～0.38;隧道拱頂上方地層埋深與沉降值變化總體呈線性關(guān)系，埋深每減小1 m，平均沉降減小0.89 mm;地層變形在向上傳播過(guò)程中有擴(kuò)散效應(yīng)，最大沉降值減小而影響范圍增大;不同埋深、不同地層環(huán)境下，地層變形仍符合Peck公式;隨著埋深的增加，地層損失率沒(méi)有明顯變化，而沉降槽寬度系數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì);埋深與地表沉降槽寬度系數(shù)近似呈線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞:隧道工程盾構(gòu)施工地層變形Peck公式

1　概述

盾構(gòu)法施工在城市軌道交通和市政工程中應(yīng)用日益廣泛［1-2］。蘇州市軌道交通1號(hào)線玉山公園站—蘇州樂(lè)園站區(qū)間為富水粉細(xì)砂地層，采用土壓平衡式盾構(gòu)施工。該工程存在的風(fēng)險(xiǎn)有:富水粉細(xì)砂層含水量高，透水性強(qiáng)，盾構(gòu)施工時(shí)容易產(chǎn)生流砂或板結(jié);砂土液化而導(dǎo)致的涌水、涌砂可能導(dǎo)致盾構(gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)。北京、上海、廣州、深圳等地盾構(gòu)隧道施工已積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但對(duì)于富水粉細(xì)砂地層中施工經(jīng)驗(yàn)仍較少，以致頻繁出現(xiàn)險(xiǎn)情和事故［3］。

盾構(gòu)隧道施工會(huì)打破地層原有的應(yīng)力平衡，引起周圍土體變形。若變形過(guò)大則會(huì)對(duì)新建隧道和周邊建(構(gòu))筑物的安全產(chǎn)生影響［4-7］。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉細(xì)砂地層中盾構(gòu)施工技術(shù)［8］、地表變形［6］、施工風(fēng)險(xiǎn)及事故分析［9］進(jìn)行了一定的研究，但存在地層變形規(guī)律不清晰、數(shù)值模擬方法眾多而實(shí)際工程數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題，地層變形規(guī)律分析尚處于起步階段［8］。

本文以蘇州市軌道交通1號(hào)線一粉細(xì)地層盾構(gòu)施工工程為背景，基于Peck公式對(duì)地表及地層分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對(duì)盾構(gòu)施工引起的地層變形的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)法(Peck公式)［10］、隨機(jī)介質(zhì)理論［11］、有限單元法［12］、模型試驗(yàn)法［13］和解析法［14］。其中，Peck公式

式中:s(x)為距離隧道中心軸線x處的地表沉降;A為開(kāi)挖面積;Vl為地層損失率(Volume Loss)，i為從沉降曲線對(duì)稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離，即地表沉降槽寬度。

i可表示為

式中:K為地表沉降槽寬度系數(shù)(Trough Width Parameter);z0為新建隧道軸線深度。

從式(1)、式(2)可以看出，描述隧道施工引起的地表變形除了隧道開(kāi)挖面積、隧道軸心埋深以外，還有2個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù):地層損失率Vl和沉降槽寬度系數(shù)K。Peck公式分析及預(yù)測(cè)地層變形的準(zhǔn)確與否取決V1和K的取值是否合理，而上述2個(gè)參數(shù)具有明顯的地域性。其中，Vl為單位長(zhǎng)度的地表沉降槽的體積占隧道開(kāi)挖的名義面積的百分比，其大小主要與工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、隧道施工方法、施工技術(shù)水平、工程管理經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)。K主要取決于土性，根據(jù)倫敦地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，K在無(wú)黏性土條件下為0.2～0.3，對(duì)硬黏土約為0.4 ～0.5，對(duì)軟的粉質(zhì)黏土高達(dá)0.7，對(duì)北京砂土、黏性土互層為0.3～0.6，對(duì)深圳黏性土、砂土、風(fēng)化巖為0.6 ～0.8，對(duì)上海飽和軟黏土、粉砂為0.5。含義明確、計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，在隧道工程設(shè)計(jì)與研究中被廣泛應(yīng)用。

盾構(gòu)隧道施工引起的橫向地表沉降用Peck公式［15］描述為

2　工程概況

蘇州市軌道交通1號(hào)線玉山公園站—蘇州樂(lè)園站區(qū)間盾構(gòu)隧道直徑6.2 m。該區(qū)間隧道上方覆土厚度為10.7～11.3 m，自上而下分別為:①填土層(厚0.5 ～2.0 m)，③1黏土層(厚2.5～3.5 m)，③2粉質(zhì)黏土層(厚1.3～3.8 m)，④1粉土層(厚3.0～6.2 m)，④2粉砂層(厚4.2～10.9 m)。隧道全斷面位于④2粉砂層。

為觀測(cè)左線盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形，布置4個(gè)地表沉降觀測(cè)斷面及1個(gè)分層沉降觀測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖1，分層沉降測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖1　測(cè)點(diǎn)平面布置(單位:m)

圖2　分層沉降測(cè)點(diǎn)布置

3　地表沉降分析

4個(gè)觀測(cè)斷面實(shí)測(cè)地表沉降及其Peck公式擬合曲線如圖3所示，擬合參數(shù)見(jiàn)表1。

從圖3及表1可以看出:

1)粉細(xì)砂地層中，用Peck公式擬合盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形效果較好，確定調(diào)節(jié)系數(shù)為0.969～0.996，平均達(dá)到0.983。由此說(shuō)明經(jīng)典的Peck公式不僅適用于黏性土層，也適用于粉細(xì)砂地層。

圖3　不同斷面地表沉降及Peck公式擬合曲線

表1　不同斷面地表沉降擬合參數(shù)

2)地層損失率為0.37%～0.66%，平均為0.53%。Vl值與韓煊等［16］的研究成果(0.22%～6.90%)相比偏小，說(shuō)明盡管在粉細(xì)砂地層中土壓平衡盾構(gòu)施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)，但采用合理的變形控制對(duì)策(及時(shí)有效地填充盾構(gòu)開(kāi)挖間隙、采用適宜的掘進(jìn)參數(shù)、精細(xì)化動(dòng)態(tài)控制)可以有效減小對(duì)地層的擾動(dòng)，從而控制地層變形。

3)蘇州市粉細(xì)砂地層中，K值為0.30～0.38，平均為0.34，接近無(wú)黏性土地層中的值。

4　分層沉降分析

隧道中心線正上方(CK3 + 597)不同埋深處地層沉降見(jiàn)圖4。

圖4　隧道中心線正上方不同埋深處地層沉降

由圖4可知:

1)隧道中心線正上方不同埋深處地層沉降值并不相同，埋深8.6 m時(shí)，地層最大沉降為26.4 mm;埋深0.76 m時(shí)，地層最大沉降減小為19.4 mm。隨著埋深的減小，地層最大沉降呈逐漸減小的趨勢(shì)，減小速率為0.89 mm/m。

2)埋深與沉降值總體呈線性關(guān)系，但在不同地層分界處斜率有所不同。

提取各孔不同埋深處地層沉降值，根據(jù)上述研究成果，假定同一個(gè)孔中各測(cè)點(diǎn)沉降值與埋深呈線性關(guān)系，采用差分法得出各分層沉降孔中不同埋深處的沉降值，見(jiàn)圖5。在此基礎(chǔ)上采用Peck公式對(duì)不同埋深處的地層變形進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5　不同埋深處地層沉降

表2　不同埋深處地層沉降擬合參數(shù)

從圖5和表2可知:

1)埋深1.2 m時(shí)，最大沉降19.7 mm，影響范圍約為23 m;埋深8.6 m時(shí)，最大沉降26.4 mm，影響范圍約為13.2 m。由此說(shuō)明，粉細(xì)砂地層盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形在向上傳播過(guò)程中，有擴(kuò)散效應(yīng)，最大沉降值逐漸減小而影響范圍逐漸增大。

2)不同埋深處用Peck公式擬合地層變形效果較好，確定調(diào)節(jié)系數(shù)為0.909～0.938，平均為0.922。由此說(shuō)明在不同埋深、不同地層的情況下，地層變形仍符合Peck公式，但不同埋深處Peck公式中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不同。

3)擬合得到地層損失率為0.62%～0.68%，平均為0.66%。隨著埋深的增加，Vl值沒(méi)有明顯的變化。與相鄰截面(里程CK3 + 964.7斷面)相比，不同埋深處地層損失率基本相同。由此說(shuō)明地層變形在向上傳播過(guò)程中，地層損失沒(méi)有明顯增大和減小。地層損失率與施工方法有關(guān)，與地層埋深沒(méi)有明顯的聯(lián)系。

4)擬合得到K為0.47～1.10。隨著埋深的增加，K呈逐漸增大趨勢(shì)。將表1中相鄰斷面(里程CK3 + 964.7斷面)地表處K值與表2中不同埋深處K值綜合進(jìn)行分析，K值與埋深的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。

圖6中K值與埋深基本呈線性關(guān)系，可表示為

式中:h為埋深;a，b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，分別為0.31，0.08。

5　結(jié)論

1)粉細(xì)砂地層土壓平衡式盾構(gòu)施工引起的地表變形可用經(jīng)典的Peck公式描述。擬合得到地層損失率為0.37%～0.66%，地表沉降槽寬度系數(shù)為0.30～0.38。

2)隧道中心線正上方不同埋深處地層沉降值并不相同。埋深與沉降值總體呈線性關(guān)系，隨著埋深的減小，地層沉降逐漸減小，減小速率為0.89 mm/m。地層變形在向上傳播過(guò)程中，有擴(kuò)散效應(yīng)，最大沉降值逐漸減小，而影響范圍逐漸增大。

3)不同埋深、不同地層下地層變形仍符合Peck公式。隨著埋深的增加，地層損失率沒(méi)有明顯變化，而沉降槽寬度系數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì)，地表沉降槽寬度系數(shù)與埋深近似呈線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

［1］張慶賀，朱忠隆，楊俊龍，等.盾構(gòu)推進(jìn)引起土體擾動(dòng)理論分析及試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(6):699-703.

［2］易宏偉，孫鈞.盾構(gòu)施工對(duì)軟粘土的擾動(dòng)機(jī)制分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，28(3):277-281.

［3］李曙光，方里剛.土壓平衡盾構(gòu)在富水飽和粉細(xì)砂層中掘進(jìn)事故實(shí)測(cè)分析［J］.鐵道建筑，2005(12):33-35.

［4］張?jiān)?，殷宗澤，徐永?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):388-392.

［5］魏綱，張世民，齊靜靜，等.盾構(gòu)隧道施工引起的地面變形計(jì)算方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(增1):3317-3323.

［6］袁大軍，尹凡，王華偉，等.超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(10):2074-2080.

［7］侯永茂，鄭宜楓，楊國(guó)祥，等.超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境影響的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34(1):235-242.

［8］尹凡.富水軟弱粉細(xì)砂地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體擾動(dòng)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［9］李發(fā)勇.粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)對(duì)措施［J］.隧道建設(shè)，2009，29(6):668-673，677.

［10］王振飛，張成平，王劍晨.富水砂卵石地層泥水盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2013(9):78-83.

［11］伍振志，楊國(guó)祥，楊林德，等.基于隨機(jī)介質(zhì)理論的大型泥水盾構(gòu)施工地表變位預(yù)測(cè)及控制［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(6):1212-1216.

［12］張碧文，淺埋盾構(gòu)下穿高鐵路基沉降分析及控制［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50(2):109-113，126.

［13］孫兵，仇文革.雙孔盾構(gòu)隧道地表位移離心機(jī)模型試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(12):38-41.

［14］朱建明，程海峰，江強(qiáng).大直徑泥水盾構(gòu)施工對(duì)軟土地層的沉降影響研究［J］.隧道建設(shè)，2013，33(5):348-353.

［15］PECK R B.Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground ［C］//Proceedings of the 7th International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico，1969:225-290.

［16］韓煊，李寧，STANDING J R.Peck公式在我國(guó)隧道施工地面變形預(yù)測(cè)中的適用性分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28(1):23-35.

(責(zé)任審編李付軍)

Analysis of Stratum Deformation Law of Silty Fine Sand during Shield Tunnel Driving

ZHOU Canlang

(Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510010，China)

Abstract:In bypassing water-rich silty fine sand stratum，a section of the No.1 M etro Line in Suzhou faced the challenges of water inflow，sand gushing and instability in evacuation face.Drawing on the data collected on site，the paper analyzed stratum deformation and concluded the following.T he Peck equation can be applied in depicting the ground deformation，with the ground loss ratio 0.37%～0.66% and trough with parameter 0.30～0.38.T he relation between embedment depth and the settlement of the arch crown was found to be a linear one，with every 1 m drop in embedment depth bringing about 0.89 mm decrease in average settlement.Stratum deformation has dispersim effect in the upword propagation process，during which the decline of maximum settlement promised more extensive effect.Different embedment depth and ground environment，the stratum deformation was still in accordance with Peck equation.W ith increase of embedment depth，ground loss ratio had not obvions change，but trough width parameter had the trend of increase.T he relation between the two was roughly a linear one.

Key words:T unnel engineering;Shield constriction;Stratum deformation;Peck equation

作者簡(jiǎn)介:周燦朗(1977—)，男，高級(jí)工程師。

收稿日期:2015-09-16;修回日期:2015-10-23

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0079-04

中圖分類號(hào):U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.19