富水流塑軟硬復合地層下地鐵盾構(gòu)隧道施工穩(wěn)定性分析

朱連臣 王渭明

(1.中鐵二十五局集團有限公司，510600，廣州；2.山東科技大學土木工程與建筑學院，266590，青島;3.中鐵二十五局集團第五工程有限公司，266101,青島//第一作者，高級工程師)

由于地下工程施工受地下水影響較大，因此關(guān)于滲流場的研究尤為重要。文獻[1]結(jié)合Trasee數(shù)值方法，對防水壩中滲流場作用下巖體的受力狀態(tài)進行了模擬研究。文獻[2-3]通過室內(nèi)實驗、理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗等手段，探討了復合地層盾構(gòu)施工在流固耦合作用下開挖面失穩(wěn)機理、破壞演化特性、地層內(nèi)力場的分布及地表沉降槽曲線的變化等問題。文獻[4]充分考慮了土壓盾構(gòu)動態(tài)施工全過程，建立了離散元模型，研究了隧道掘進對上軟下硬地層的擾動特征。文獻[5]通過數(shù)值模型和室內(nèi)試驗，對隧道開挖面穩(wěn)定性上限進行了分析研究，并提出相應(yīng)的注漿加固措施。

綜上所述，近年來國內(nèi)外學者對不同施工方法、不同地層，以及不同水土壓力采用不同算法等情況下的隧道圍巖、開挖面及地表建筑物的沉降、應(yīng)力場、孔隙水壓力場進行了總結(jié)。但絕大多數(shù)工程未考慮富水流塑軟硬復合等復雜地層流固耦合效應(yīng)下的盾構(gòu)施工穩(wěn)定性及控制方法，計算體系尚不完整。本文以隧道洞周圍巖的孔隙水壓力場、位移場，以及盾構(gòu)掘進引起的地表和河堤的沉降作為隧道穩(wěn)定性判定依據(jù)，利用有限差分軟件對富水礫石軟硬復合地層盾構(gòu)隧道施工進行了詳細模擬分析。

1 工程概況

長沙地鐵3號線烈士公園東站—絲茅沖站區(qū)間隧道(以下簡為“烈絲區(qū)間隧道”)距離烈士公園東站約1.13 km，區(qū)間隧道右線邊線的東側(cè)距離瀏陽河大堤約36 m。區(qū)間隧道線間距約為12 m，區(qū)間側(cè)穿瀏陽河大堤段長度約為72 m。具體位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 長沙地鐵3號線烈絲區(qū)間隧道與瀏陽河位置關(guān)系圖

烈絲區(qū)間隧道側(cè)穿瀏陽河大堤段采用盾構(gòu)法施工，為雙向隧道。盾構(gòu)機外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，每環(huán)襯砌管片厚度為0.3 m，寬為1.5 m，管片采用C50高強度混凝土。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

本次數(shù)值模擬以長沙地鐵3號線烈絲區(qū)間隧道側(cè)穿瀏陽河大堤段為研究對象，模型橫向范圍自兩隧道盾構(gòu)中心軸線向左右兩側(cè)各取36 m；豎向范圍自地表至隧道拱頂平均埋深取14.2 m，自隧底向下取23.8 m；縱向范圍為側(cè)穿瀏陽河大堤段,取72 m。因此模型的長度、寬度和高度分別為72 m、96 m、44 m。

采用有限差分軟件FLAC 3D對隧道施工進行三維建模分析。三維計算模型如圖2所示。

圖2 烈絲區(qū)間隧道三維數(shù)值模型

2.2 計算參數(shù)

結(jié)合勘察單位和設(shè)計單位提供的詳細地質(zhì)勘探報告及設(shè)計圖紙，確定了模型中各地層的物理力學參數(shù)和流體計算參數(shù)，詳見表1和表2。

表1 模型中各材料的物理力學參數(shù)

表2 模型中流體計算參數(shù)

2.3 計算工況

為突出流固耦合效應(yīng)對隧道穩(wěn)定性的影響，在計算中分3種工況進行模擬計算。其中，工況1為管片剛拼裝完成；工況2和3均為管片拼裝完成后，經(jīng)過一段時間的滲流作用，地下水已經(jīng)形成滲流場作用于管片上，這兩種工況應(yīng)考慮流固耦合效應(yīng)。

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 圍巖孔隙水壓力場分析

圖3為隧道開挖36 m后所處橫斷面的圍巖孔隙水壓力圖。由圖3a)和圖3b)可以清楚地看出，無論左線隧道還是右線隧道先行施工，所得到的圍巖孔隙水壓力分布形狀均較為相似。由圖3c)可知，當左線隧道和右線隧道同時開挖后，所得到的圍巖孔隙水壓力形成以兩個隧道為中心的漏斗狀，且隧道中線處的孔隙水壓力呈中間高、兩側(cè)低的形式分布。

2.4.2 隧道洞周位移分析

對左、右線隧道洞周在兩種不同工況作用下的洞周不同位置的位移進行數(shù)據(jù)提取整理發(fā)現(xiàn)，在工況1下，左線隧道拱頂、拱肩和拱腰處的位移均大于工況2下同位置的位移。由地下水上浮作用產(chǎn)生的隧道洞周圍巖的豎向位移值占總位移值的20%～30%，因此在實際工程中地下水對隧道洞周圍巖位移的影響不可忽略。

圖3 橫斷面圍巖孔隙水壓力場

2.4.3 地表位移分析

選取整體沉降量較大的右線隧道中心地表沉降值做豎向位移變化曲線，如圖4所示。

圖4將整個掘進過程分為盾構(gòu)臨近期、盾構(gòu)通過期、盾尾脫出期和固結(jié)變形期等4個時期，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，工況2時地表隆起值較工況1時更大，分析認為產(chǎn)生這種變形的主要原因是由盾構(gòu)面的支護壓力對監(jiān)測面附近的土體產(chǎn)生了應(yīng)力擾動導致的。盾構(gòu)通過期位移值由正變負，說明地表在該時期處于下沉趨勢，產(chǎn)生這種變形的主要原因是由盾殼對監(jiān)測面附近土體的剪切摩擦作用導致的。在盾尾脫出期，兩種工況下地表的沉降值迅速增大，其中工況2的沉降值增速更大。固結(jié)變形期主要是監(jiān)測面的土體以及地下水位在受到擾動變化后達到平衡狀態(tài)的恢復期，這部分變形緩慢進行，產(chǎn)生變形的主要原因是由地層超孔隙水壓力消散產(chǎn)生的固結(jié)沉降和由土體蠕動產(chǎn)生的蠕變沉降導致的。

3 隧道洞周圍巖加固方案及模擬分析

3.1 隨道洞周圍巖加固措施

左、右線隧道側(cè)穿瀏陽河大堤區(qū)間的地層多為富水流塑性地層，提出采用φ800 mm三重管旋噴樁密排的加固措施。加固范圍為：水平加固至隧道結(jié)構(gòu)輪廓線外1.0 m，豎直加固深度為隧道頂以上3.0 m、隧道底以下2 m，局部淤泥質(zhì)地層較厚的區(qū)域應(yīng)相應(yīng)增加加固深度1.0～2.0 m。

3.2 加固方案的模擬工況

工況4為隧道洞周圍巖采取加固措施，不考慮流固耦合作用；工況5為隧道洞周圍巖采取加固措施，考慮流固耦合作用。

3.3 加固前后模擬結(jié)果對比

3.3.1 地表位移分析

圖5為工況4和工況5下地表沉降對比圖。由圖5可知，兩種工況下整個隧道斷面的沉降趨勢基本一致，呈對稱分布，其中隧道中線處地表沉降最大，沿隧道兩側(cè)沉降值逐漸減小。

圖5 兩種工況下地表沉降值對比圖

3.3.2 隧道洞周圍巖主應(yīng)力分析

不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、拱底等關(guān)鍵部位圍巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，如圖6所示。

由圖6可知，各工況下隧道洞周圍巖的最大和最小主應(yīng)力曲線趨勢較為相似，均以隧道中線為對稱軸呈左右對稱分布。其中，工況2主應(yīng)力值較工況4、工況5整體變化更加陡峭，這說明該工況下隧道洞周圍巖應(yīng)力場中受到孔隙水壓力的沖擊比較大。

圖6 隧道洞周圍巖主應(yīng)力分布曲線

4 地表沉降實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比分析

選取右側(cè)隧道地表沉降現(xiàn)場實測值與工況4、工況5的地表沉降模擬值進行對比分析，如圖7所示。

圖7 地表沉降實測值與模擬值對比圖

由圖7可知，各工況下，地表沉降模擬值曲線的整體走勢和實測值基本相符，均沿隧道中線左右對稱，且整個沉降槽呈正態(tài)分布，從而驗證了數(shù)值模擬結(jié)果符合工程實際規(guī)律。

5 結(jié)論

本文采用有限差分軟件FLAC 3D，對長沙地鐵3號線烈絲區(qū)間側(cè)穿瀏陽河大堤段盾構(gòu)隧道進行了三維數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1)考慮流固耦合效應(yīng)時，盾構(gòu)開挖面孔隙水壓力場呈漏斗狀分布，孔隙水的流動導致圍巖應(yīng)力場和位移場受到影響，與工況2數(shù)據(jù)對比，具有明顯的區(qū)別。

2)盾構(gòu)開挖、襯砌管片安裝和壁后注漿完成后，圍巖洞周在拱頂出現(xiàn)沉降，在拱底處出現(xiàn)隆起。對比工況1和工況2，由于地下水的上浮作用，隧道拱頂、拱肩和拱腰處的位移值在流固耦合作用下減小，隧道拱底和拱腳處的位移值在流固耦合作用下增大。

3)在盾構(gòu)臨近期，開挖面土體受到支護應(yīng)力的作用，產(chǎn)生應(yīng)力擾動和地下水位下降，從而導致地表隆起。瀏陽河河堤路基的最大沉降值為2.39 mm，地表沉降不符合規(guī)范值。而施作三重管旋噴樁加固地層后，沉降值符合規(guī)范要求，說明該加固措施效果明顯。

4)盾構(gòu)隧道左、右兩線整體沉降模擬值和實測值趨勢基本一致，整體沉降曲線以隧道中線為中心呈對稱分布，但模擬值普遍偏小于實測值。