干砂地層盾構隧道掌子面失穩試驗研究

陳博

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

1 引言

盾構法隧道施工對周圍環境影響小、施工速度快等，已成為城市隧道施工的主要手段。然而掌子面失穩造成的地表變形甚至坍塌事故在北京、上海等地都曾發生過。因此，掌子面失穩研究是盾構施工技術中的關鍵一環。

模型試驗研究由于可以模擬實際工況下的掌子面失穩，為了排除土壓力盒、應變片等測量元件對模型試驗的影響，采用對稱理論和相似原理并運用PIV（粒子圖像測速技術）技術獲得干砂地層不同埋深比（C/D=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0。其中，C為覆土厚度；D為隧道直徑）下地表變形規律及掌子面破壞模式。

2 PI V分析原理

本試驗圖像處理部分采用基于MATLAB 平臺開發的粒子圖像測速程序MPIV，即（Particle Image Velocimetry in Matlab）。針對時間先后順序的數碼圖像，MPIV 能夠運用相關性算法計算2 張圖像間同一顆粒位移，進一步計算最大速度、平均速度，繪制顆粒速度場、位移場及位移等值圖。

MPIV 處理圖像時提供了2 種算法：一種是基于快速傅立葉變換的互相關法（COR）；另一種是最小二次微分法（MQD）。2 種算法均是將圖像看作是隨時間變化的離散二維信號變化場，進行信號分析，通過計算2 幅圖像的相關性函數值得到粒子位移。如圖1 所示，在圖像1 和圖像2 上劃分相同區塊，f1（Xi，Yxj）和f2（Xi+ΔX，Yj+ΔY）分別代表圖像1 和圖像2 上的對應區塊，大小為L×L像素，其中L一般為64 或32。利用相關性函數計算f1與f2的匹配峰值，以算法設定的峰值取值作為該區塊內粒子平均位移。區別于流體力學中要求計算流體速度，本試驗只需測出前后2 個狀態的顆粒位移即可，所得位移值即是最終結果[1]。

圖1 MPI V圖像分析過程圖

3 試驗介紹

3.1 模型箱及測試系統

試驗模型箱尺寸為87cm×52cm×91cm，采用10mm 普通玻璃配合鋼之框架黏合。隧道采用4mm 厚、內徑10cm、長20cm的半圓鋼管，盾構支撐面板采用10mm 厚鋼制活塞，利用直徑1.5cm、長25cm 的螺桿控制活塞，活塞與隧道和玻璃間涂抹凡士林消除摩擦影響，填土表面采用百分表代替位移計測量最大沉降量，測試系統如圖2 所示。

圖2 測試系統示意圖

3.2 試驗土樣制備

本試驗用土取自北京周邊河砂（粒徑d50=0.38mm），經過水洗、晾曬、篩分，取0.1～2.0mm 粒徑砂，含水率為0.16%，其主要物理性質指標為：比重GS=2.62，天然密度ρ=1.51g/cm3，最小干密度ρmin=1.46g/cm3，最大干密度ρmax=1.82g/cm3，相對密實度Dr=0.55。經篩分試驗得知該砂土為級配良好均勻中砂，符合試驗要求，砂土進行100～400kPa 直剪試驗得到摩擦角φ=37.3°，試驗時采用砂雨法制備模擬地層砂土，制得模擬地層密度為1.62～1.65g/cm3，相對密度約為0.55。

3.3 試驗方法

為直觀體現掌子面破壞模式，不埋設測量元件，拓展非接觸式測量室內模型試驗。本試驗運用對稱原理，探討覆土為中砂的干砂地層掌子面失穩問題。試驗采用位移控制法，利用螺桿帶動活塞后退模擬掌子面支護力不足，螺桿加工螺距d=1mm（即操作桿每轉一圈，活塞移動1mm）。步驟為：（1）固定并調整數碼相機，調整光源、背景，線控拍攝初始圖像，讀取位移計初始值；（2）采取活塞每后退0.5mm（螺桿轉動半圈），拍攝照片并讀取沉降數據；（3）當掌子面失穩坍塌傳遞至地表，認為試驗結束；（4）當活塞位移-地表沉降量曲線出現變化較大拐點，迅速增大，則視為掌子面破壞。

依上述方法進行覆土厚度為0.5D、1.0D、2.0D、3.0D、4.0D、5.0D試驗，運用MPIV 處理圖像，研究不同埋深比下掌子面破壞模式、土拱效應及地表沉降發展規律。

4 試驗成果及結論分析

通過地表位移計和數碼照片得到掌子面失穩地表沉降變化規律、掌子面前方土拱區域和破壞模式。

4.1 地表沉降曲線

如圖3 所示，地表沉降量的變化與P-S曲線（壓力-位移曲線）類似，分為4 個階段，即無位移段、線性段、發展破壞段和破壞段。

第一階段無位移段，由于土拱效應的影響，地表未表現出沉降，土體發揮抗剪強度。

第二階段線性段，土體處于彈性變形階段，繼續發揮抗剪強度，由于掌子面支護力迅速減小，土體抗剪強度充分發揮，該階段較為短暫。

第三階段發展破壞段，沉降量增加速率加快，活塞位移-沉降量曲線出現明顯拐點，土體處于塑性變形階段，并逐漸喪失強度。

第四階段破壞段，土體喪失強度，位移量迅速增加，與活塞位移略呈線性增加，掌子面破壞。

對比0.5D～5.0D對應關系曲線，隨著覆土厚度的增加，曲線線性段斜率逐漸增大，持續時間更長；拐點更加明顯，即第三階段表現更為強烈；第四階段斜率大致相等。

圖3 0.5D～5.0D 沉降量- 活塞位移關系圖

4.2 掌子面前方土拱作用

根據覆土厚度為2D試驗所得掌子面前方土體位移場圖，可看出土拱效應，活塞位移較小時，掌子面前方土體位移區域較小，隨著活塞位移，土體位移區域逐漸擴大，最后延伸至地表。

4.3 掌子面破壞模式

本試驗根據對稱原理設計，隧道與盾構面板等均采用半圓，利用玻璃箱可直觀了解掌子面破壞模式。通過粒子圖像測速技術，對掌子面失穩過程所得圖像進行分析，獲得不同埋深比（C/D=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0）情況下掌子面前方土體破壞模式。

當覆土厚度為0.5 倍或1.0 倍隧道直徑時，由位移場可知掌子面前方砂層破壞呈開口狀，破壞模式近似為漏斗狀，地表下1/2 隧道直徑范圍內，破壞影響范圍較大。當覆土厚度2.0 倍隧道直徑以上時，掌子面前方土體破壞模式更接近煙囪狀。地表沉降槽范圍不隨埋深比的變化而變化，受土拱效應影響，相同活塞位移下，沉降槽范圍與最大沉降量隨著埋深比增大而減小，最大沉降點位于掌子面前方約0.25D處。

5 結論

通過對不同埋深比（C/D=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0）干砂地層掌子面失穩試驗地表沉降規律、土拱效應、掌子面破壞模式的分析，得出以下結論：

1）由于掌子面支護力不足導致的掌子面失穩，引起地表沉降。不同埋深比試驗規律相似，活塞位移-沉降量曲線將沉降過程分為無位移段、線性段、發展破壞段和破壞段4 個階段。

2）土拱效應是除了掌子面支護力、支護方法、地下水等外另一影響掌子面失穩的因素，隨著掌子面位移，前方土體經歷土拱形成階段、土拱最大階段、土拱消失階段和破壞階段，當地表沉降進入發展破壞段后，判定掌子面失穩，土體變形加速。

3）當埋深比為0.5 和1.0 時，掌子面破壞模式為漏斗狀；當埋深比大于1.0 時，掌子面破壞模式更接近煙囪狀。相同活塞位移，地表沉降槽范圍隨埋深比增加而減小；掌子面完全破壞后沉降槽范圍受埋深比影響；沉降最大點約位于掌子面前方0.25D處。

4）基于MATLAB 開發的圖像處理軟件MPIV 能夠成功描繪掌子面前方土體變化。PIV 技術的運用，未在土體中埋設測力、測位移元件，避免因測量元件的埋入影響土體本身性質研究。