埋深對盾構超挖地表沉降影響的模型試驗

黃趙美 ，曹廣勇 ，李秉坤 ，馬海軍

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230601；2.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引言

盾構施工作為目前城市軌道交通建設最主要的一種施工方法，有工期短和交通影響小的優點[1-2]，其弊端是盾構機超挖導致土體損失，引發地表沉降，且地表沉降值[3]是盾構法施工的安全控制指標之一。為探究盾構超挖對地表沉降的變化規律[4-8]，首先采用石英砂模擬盾構超挖對地表沉降規律的研究，主要因為砂土環境中盾構隧道施工的理論和模型試驗有較多的資料查閱。魏綱[9]通過假設兩圓相切的土體損失模型，通過設立移動焦點參數和坐標系，建立了包括了park模型和Loganathan模型在內的統一土體移動模型，鄭剛[10-11]基于室內模型實驗分別研究了砂土超和補償的的隆沉曲線變化規律；針對黃土和軟土等特殊土質的盾構超挖引起地表沉降方面有較多的工程項目監測數據[12-13]，盾構施工技術應用較為成熟。但是在盾構室內模型試驗方面的研究相對較少，從模型試驗方面探究盾構施工隧道埋深位置、土體超挖量與地表沉降之間的關系，對改善盾構施工方法有理論意義。

1 試驗設備

本實驗采用自行設計的室內模型實驗平臺，通過控制隧道管和橡膠模間的水量，可以獲得不同埋深位置和不同土體損失率情況下隧道中心點地表沉降值實驗數據。

本實驗的設備主要有砂土實驗箱系統，二維模型隧道，激光監測數據采集系統和注排水系統。

1.1 砂土實驗箱系統

砂箱實物如圖1所示，砂箱尺寸為1.5 m×0.8 m×0.7 m，用砂量約為0.72 m3，砂箱尺寸是根據peck公式對砂土地表沉降槽形狀預測范圍制定的，使砂土地表沉降在激光監測系統范圍內。砂箱兩面為有刻度的透明玻璃，便于觀察砂土平面高度。

1.2 二維模型隧道和注排水系統

二維模型隧道如圖2和圖3所示，由聚氯乙烯材料制成硬質空心管(長350 mm，直徑100 mm)，模型隧道直徑依據盾構機按1:60比例設計。表面刻寬3 mm、高3 mm的v形螺旋刻槽和平行于隧道方向寬4 mm、高3 mm的直角u型的刻槽，主要作用起到注水和排水的暢通性，保證實驗在較大埋深的情況下能夠順利模擬實驗；兩端則各有一注排水孔。通過控制一端注排水的體積模擬盾構施工過程中注漿補償量和超挖土體量。

1.3 激光監測數據采集系統

數據采集設備采用型號HG-C1000微型激光位移傳感器，其量程范圍在100 mm±35 mm內，重復精度在70 μm。激光位移器位置如圖4所示。

圖1 砂箱實物圖

圖2 隧道模型示意圖(單位mm)

圖3 隧道模型實物圖

圖4 砂土試驗箱及激光位移器布置示意圖(單位mm)

2 實驗概述

模型實驗共進行三次，隧道模型埋深位置分別為1D(D表示隧道模型的直徑，D=100 mm)、2D和3D。

2.1 砂土、隧道鋪設及激光位置設置

砂箱填鋪，將砂在10 cm高度均勻填入箱內，每填筑10 cm，平整一次砂平面；填筑至隧道平面，將隧道放到設計位置，再填入砂土直至設計高度。激光位移計采用對稱布置，共計17個。隧道中心到左右20 cm范圍每間隔5 cm設置一個激光位移計，緊接向外每隔10 cm設置一個激光位移計，砂平面監測范圍為120 cm。

2.2 試驗數據采集

將隧道管與膜之間注入12%隧道模型體積的水，靜置24 h，再次整平砂平面，進行超挖數據采集。一次排出2%的隧道體積的水(47.1 ml)表示本次模擬實際超挖土體2%的隧道模型體積，亦是后面所提到的土體損失率，排水5分鐘后，記錄砂平面的數據，累計六次排水和六次記錄砂平面數據依次進行，可以獲得土體超挖分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%的六組實驗數據。三次試驗共計可以獲得18組實驗數據。

3 試驗數據分析

3.1 地表中心沉降規律分析

地表中心點沉降數據如表1所示，并對數據進行二次曲線擬合，擬合的二次曲線方程及相關度如公式(1)所示。

從表1、公式(1)和圖5可以得到一下結論:

(1)相同土體損失率，中心點沉降值隨著埋深位置的增大而減小；在最大土體損失率為12%情況下，隨著隧道管埋深位置從1D至3D，隧道正上方地表中心點沉降值從5.86 mm降低至3.55 mm；

(2)Δ1-2(表示同一土體損失率下埋深1D的地表中心點沉降絕對值與埋深2D的地表中心點沉降絕對值的差值)大于Δ2-3(表示同一土體損失率下埋深2D的地表中心點沉降絕對值與埋深3D的地表中心點沉降絕對值的差值)；從土體損失率2%到12%，Δ1-2值在0.77 mm-1.79 mm范圍內；從土體損失率2%到12%，，Δ2-3在-0.04 mm-0.76 mm并逐漸增加，且Δ2-3在土體損失率4%以內很小。

(3)隧道管同一埋深情況下，地表中心點沉降絕對值隨著土體損失率的增加而增加，其數值增大的趨勢逐步變緩表示同一埋深位置，x+2%的中心點沉降值與x的中心點沉降值的差值，x取值為2%、4%、6%、8%和10%；在1D埋深位置下的值在1.33 mm-0.54 mm范圍內，基本滿足逐漸減小的趨勢；在2D埋深位置下，的值從0.88 mm減小至0.26 mm；在3D埋深位置下的值在1 mm-0.03 mm范圍內，基本呈現減小趨勢；

(4)1D、2D和3D埋深中心點沉降值實測數據的二次曲線擬合方程和相關度如公式(1)所示，可以表述出砂土損失率和地表中心點沉降值的關系，且三個擬合方程的相對應位置的系數在數值和符號具有較高相似性；

針對上面的結論分析，埋深與中心點沉降值的反向關系，主要是因為土體損失相同情況下，埋深較淺的沉降槽寬度系數小，導致中心點沉降值反而大；中心點沉降值隨土體損失率的增加而增大且趨勢變緩，主要是因為沉降槽寬度由窄變寬，對沉降槽的豎向的影響效果減弱。

表1 不同埋深地表中心點沉降值

y表示沉降值，R表示二次曲線擬合的相關度，下標1、2、3表示隧道模型的埋深位置。

圖5 土體損失率和地表中心點沉降值得擬合曲線

3.2 地表沉降范圍規律分析

圖6是隧道管埋深分別為1D、2D和3D的不同土體損失率的地表沉降值的Gauss曲線擬合。

圖6 埋深1D、2D和3D地表沉降曲線圖

從圖6Guass擬合擬合曲線可以直接看出，隨著埋深1D增加至3D地表沉降曲線的沉降槽寬度系數逐漸增大，模型隧道超挖的影響范圍主要集中在隧道中心2D-4D位置范圍內，沉降槽寬度系數大約從20 cm增加到40 cm；隨著土體損失率的增加，沉降槽寬度系數有窄變寬并趨于穩定。這種現象的原因主要是砂土層擾動和砂土損失自下向上傳遞過程的作用造成。

4 結論與建議

本文通過砂土室內模型實驗探究不同埋深情況下盾構超挖對地表沉降的變化規律，得到如下結論和建議。

(1)本文通過試驗數據分別擬合得到1D、2D和3D位置的地表中心點沉降值與土體損失率的二次關系曲線，可以表述出土體損失率和地表中心點沉降值的關系；

(2)隨著埋深的增加地表中心點沉降值變小，地表中心點沉降值減小的速率變小；隨著埋深和土體損失率的增加，沉降曲線的沉降槽寬度系數變大并趨于穩定；

(3)本實驗僅做了盾構隧道的超挖一方面，應完善注漿補償室內模型實驗，以方便將超挖和注漿補償進行對比，得到更為直接全面的認識；

(4)本實驗僅做了砂土的模型試驗，并沒有結合工程進行相似理論計算，應進一步完善室內模型實驗，使實驗結論對指導盾構施工更具有借鑒價值。