淺埋條件下盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層擾動(dòng)影響研究
——以福州地鐵4號(hào)線某路段區(qū)間盾構(gòu)隧道施工為例

邱文翔

(福州地鐵集團(tuán)有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨著地鐵施工工程的日益增多，工程面臨的地層情況也愈發(fā)復(fù)雜，淺埋地層成為盾構(gòu)施工中面臨新的重要的施工工況。由于開(kāi)挖埋深較淺，盾構(gòu)施工將對(duì)地層穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，甚至導(dǎo)致地層或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，施工參數(shù)將對(duì)淺埋盾構(gòu)施工安全存在巨大的影響。

目前，許多學(xué)者通過(guò)不同的研究方式，對(duì)淺埋盾構(gòu)施工過(guò)程的力學(xué)行為進(jìn)行了研究。唐志明[1]通過(guò)連續(xù)極限方法，驗(yàn)證了已有理論的適用性，指出了各因素對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響程度。唐曉武[2]采用模型試驗(yàn)方法，進(jìn)行不同支護(hù)板后退速率試驗(yàn)，研究了開(kāi)挖面變形和地層變形規(guī)律。朱合華[3]等人運(yùn)用MARC大型三維有限元分析系統(tǒng)，對(duì)超淺埋盾構(gòu)隧道進(jìn)行了相關(guān)分析。周高明[4]采用巖土工程有限元方法，分析了多種工況下小間距淺埋盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。吳建文[5]采用三維數(shù)值模擬方法，結(jié)合上海淺埋盾構(gòu)隧道工程，研究了盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程的地表沉降和土壓力的變化規(guī)律。

綜之，現(xiàn)階段對(duì)淺埋盾構(gòu)的研究雖愈發(fā)成熟，但也存在一定不足，考慮各施工因素對(duì)地層擾動(dòng)的綜合研究尚未完善。基此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D有限差分軟件，詳細(xì)模擬盾構(gòu)施工因素，分析不同施工因素作用下周圍地層的變形規(guī)律，研究淺埋條件下盾構(gòu)施工因素對(duì)周圍地層的擾動(dòng)機(jī)制。

1 工程概況

本文以福州地鐵4號(hào)線化工路站～福新東路站區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越淺埋段軟土地層施工為原型，考慮土倉(cāng)壓力、刀盤摩擦、盾殼摩擦和注漿壓力對(duì)軟土地層穩(wěn)定性的影響。

模型區(qū)間內(nèi)各土層簡(jiǎn)化為均質(zhì)水平層狀分布，并視為各向同性，從上到下共分為3層，分別為淤泥、殘積質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖，各層土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

盾構(gòu)隧道埋深6 m，管片內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，厚度350 mm，單幅寬度1.2 m，管片采用錯(cuò)縫拼裝。盾構(gòu)隧道所處地層位置如圖1所示。

2 數(shù)值模型

模型采用有限差分軟件建立，為降低模型尺寸對(duì)計(jì)算精度影響，取邊界距離盾構(gòu)隧道外圍3-5D，其中D為隧道外徑。將模型尺寸取為長(zhǎng)60 m、寬60 m、高40 m，開(kāi)挖方向?yàn)?0環(huán)，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型模擬土體的屈服和破壞特性。模型右側(cè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模型結(jié)構(gòu)尺寸圖(整體模型一半)

盾構(gòu)機(jī)外殼與管片，采用初襯結(jié)構(gòu)單元liner模擬，并描述為線彈性本構(gòu)特性。由于實(shí)際盾構(gòu)隧道為拼裝結(jié)構(gòu)，整體剛度受接縫影響有所降低，并引入抗彎剛度有效率η模擬接頭對(duì)管片剛度的折減[6]，取η=0.75，模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)物參數(shù)

模型開(kāi)挖面前方土倉(cāng)壓力大小取開(kāi)挖面靜止土壓力，以沿深度呈梯形分布的均布力施加在開(kāi)挖面上。為模擬刀盤與土體摩擦產(chǎn)生的環(huán)向扭矩[7]對(duì)土體的影響，將前方土體所受摩擦力均勻施加在開(kāi)挖面土體單元節(jié)點(diǎn)上，大小由前方土倉(cāng)壓力與刀盤和土體摩擦系數(shù)計(jì)算所得，取為33 kPa。考慮盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)過(guò)程中盾殼與四周土體的摩擦作用，在盾殼模型周圍土體單元節(jié)點(diǎn)上添加節(jié)點(diǎn)力，模擬盾殼-土體摩擦力，大小由盾殼四周土壓力與盾殼和土體摩擦系數(shù)計(jì)算所得，取為31 kPa。

盾尾注漿層采用等代層[8]進(jìn)行模擬，等待層厚度115 mm，與盾尾空隙寬度基本相同。基于已有研究[9-11]可知，同步注漿漿液在注入盾尾空隙后逐漸凝固，注漿壓力同時(shí)隨之消散。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿漿液性質(zhì)，把注漿壓力變化和漿液凝固過(guò)程分為3個(gè)階段：

(1)漿液初凝之前，消散符合文獻(xiàn)[10]研究得到的規(guī)律，此階段漿液模量為0.9 MPa。

(2)在漿液初凝之后到24h之間注漿壓力消散簡(jiǎn)化為線性變化，最終衰減為孔隙水壓力大小，此階段漿液模量為4 MPa。

(3)24h之后漿液完全凝固，注漿壓力消散完畢，此階段等代層模量為400 MPa。

將以上注漿壓力消散隨盾構(gòu)開(kāi)挖進(jìn)度的變化關(guān)系，利用注漿壓力變化曲線表示，如圖3所示。

圖3 注漿壓力消散規(guī)律

本文采用剛度遷移法[12]模擬盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程，暫不考慮管片安裝和盾構(gòu)停機(jī)對(duì)地層擾動(dòng)效果影響。

3 施工參數(shù)對(duì)地層擾動(dòng)規(guī)律

選取模型中間斷面Y=20 m處為監(jiān)測(cè)斷面，通過(guò)對(duì)比計(jì)算，分析土倉(cāng)壓力、刀盤摩擦、盾殼摩擦和注漿壓力對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖擾動(dòng)效果影響。測(cè)點(diǎn)與測(cè)線布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)與測(cè)線布置圖

3.1 土倉(cāng)壓力

對(duì)以靜止土壓力換算所得刀盤前方土倉(cāng)壓力，設(shè)置了大小分別為靜止土壓力的50%、100%、150%、200%的4個(gè)工況，所得盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中土體豎向和水平位移如圖5～圖8所示。其中，豎向位移正值代表隆起，負(fù)值代表沉降，水平位移正值代表遠(yuǎn)離隧道開(kāi)挖空間。

從圖5可以看出，盾構(gòu)開(kāi)挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，在刀盤前方土倉(cāng)壓力頂推作用下，地表出現(xiàn)隆起，隨著開(kāi)挖面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面，形成地層損失；在隧道上部土體重力作用下，地表出現(xiàn)沉降，并在一定范圍內(nèi)形成如圖6所示沉降槽。在盾構(gòu)開(kāi)挖面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面約3D后，地表豎向位移基本趨于穩(wěn)定，沉降槽保持在距開(kāi)挖空間約1.0D范圍內(nèi)。

圖5 測(cè)點(diǎn)1豎向位移

圖6 地表豎向位移

由于土倉(cāng)壓力擠壓前方土體向四周擴(kuò)散，壓力越大，上方地層沉降量越小，4倍土倉(cāng)壓力變化過(guò)程中，地表沉降最大值從8.34 mm減小到6.79 mm；而較小的土倉(cāng)壓力使開(kāi)挖空間上方地層沉降加劇，并向兩側(cè)擠壓土體，使兩側(cè)地表隆起更為顯著。

圖7 測(cè)點(diǎn)2水平位移

圖8 測(cè)線2水平位移

圖7與圖8為隧道右側(cè)測(cè)點(diǎn)2和測(cè)線2水平位移變化情況。在盾構(gòu)開(kāi)挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，側(cè)面土體受到土倉(cāng)壓力擠壓作用，水平位移緩慢增加，且隨著土倉(cāng)壓力的增大而增大。隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，在盾尾注漿壓力作用下，土體水平位移進(jìn)一步增加，在盾構(gòu)通過(guò)開(kāi)挖面2D左右時(shí)，水平位移達(dá)到穩(wěn)定，最大值出現(xiàn)在如圖8所示開(kāi)挖軸線埋深位置，水平位移與土倉(cāng)壓力呈現(xiàn)出正相關(guān)變化；4倍土倉(cāng)壓力變化過(guò)程中，地層水平位移最大值從10.40 mm增大到12.12 mm。

3.2 刀盤-土體摩擦扭矩

對(duì)由刀盤前方土倉(cāng)壓力與刀盤和土體摩擦系數(shù)產(chǎn)生的環(huán)向扭矩，設(shè)置了大小為原始扭矩50%、100%、150%、200%大小的4個(gè)工況，對(duì)比計(jì)算刀盤-土體摩擦扭矩對(duì)地層擾動(dòng)影響，所引起土體位移如圖9～圖12所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)1豎向位移

圖10 地表沉降槽

由圖9和圖10可以看出，各工況地表豎向位移變化規(guī)律與土倉(cāng)壓力影響下一致。隨著刀盤摩擦扭矩的增大，地表沉降值隨之增加，而沉降槽寬度變化不大，沉降區(qū)域集中在盾構(gòu)范圍內(nèi)；4倍刀盤摩擦扭矩變化過(guò)程中，地表沉降最大值從7.38 mm增加到9.68 mm。

圖11 測(cè)點(diǎn)2水平位移

圖12 測(cè)線2水平位移

刀盤摩擦扭矩工況下地層水平位移變化如圖11和圖12所示，各工況變化規(guī)律同樣與土倉(cāng)壓力影響下一致。隨著摩擦扭矩的增大，隧道一側(cè)土體的水平位移也隨之增大，水平位移與摩擦扭矩呈正相關(guān)變化；4倍刀盤摩擦扭矩變化過(guò)程中，地層水平位移最大值從9.97 mm增大到12.38 mm。

3.3 注漿壓力

為分析注漿壓力對(duì)地層的擾動(dòng)影響，設(shè)置了壓力大小為150 kPa、200 kPa、250 kPa和300 kPa的計(jì)算工況，所得地層位移如圖13～圖16所示。

圖13 測(cè)點(diǎn)1豎向位移

圖14 地表沉降槽

圖13和圖14中，各工況地表豎向位移變化規(guī)律與土倉(cāng)壓力影響下一致。注漿壓力變化對(duì)地層豎向位移的影響，主要體現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面之后，隨著注漿壓力增大，地表最終沉降值隨之減小，沉降槽寬度也逐漸減小。當(dāng)注漿壓力由150 kPa增大至300 kPa過(guò)程，地表沉降最大值從13.15 mm減小到7.89 mm，沉降槽寬度減小6 m。因此，合理增大注漿壓力對(duì)于控制地表沉降效果顯著。

圖15和圖16為不同注漿壓力下地層水平位移在盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中變化規(guī)律。注漿壓力變化對(duì)地層水平位移的影響同樣體現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面之后，且注漿壓力越大，水平位移越大，注漿壓力由150 kPa增大至300 kPa過(guò)程中，單側(cè)地層水平位移最大值從5.33 mm增加到10.76 mm。

圖15 測(cè)點(diǎn)2水平位移

圖16 測(cè)線2水平位移

3.4 盾殼-土體摩擦力

以初始盾殼-土體摩擦力為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)大小分別為50%、100%、150%、200%的計(jì)算工況，得到盾殼摩擦對(duì)地層擾動(dòng)的影響規(guī)律如圖17～圖20所示。

圖17和圖18所示盾殼-土體摩擦力作用下地層豎向位移變化規(guī)律與土倉(cāng)壓力影響下一致。在開(kāi)挖面到達(dá)前，地表隆起值隨著摩擦力的增大而略微增大，盾尾通過(guò)后測(cè)點(diǎn)沉降值也隨著盾殼-土體摩擦力的增大而增加。4倍盾殼-土體摩擦力變化過(guò)程中，地表沉降最大值從7.25mm增加到9.46mm。

圖17 測(cè)點(diǎn)1豎向位移

圖18 地表沉降槽

圖19和圖20中盾殼-土體摩擦力作用下，地層水平位移變化規(guī)律與土倉(cāng)壓力影響下一致。盾殼-土體摩擦力越大，地層水平位移越大。4倍盾殼-土體摩擦力變化過(guò)程，地表沉降最大值從9.77 mm增加到12.13 mm。

圖19 測(cè)點(diǎn)2水平位移變化規(guī)律

圖20 測(cè)線2水平位移變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程，由于土倉(cāng)壓力的擠壓作用，在刀盤到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，開(kāi)挖空間上方地層出現(xiàn)隆起變形，盾構(gòu)通過(guò)后，地層受到自身重力作用，在開(kāi)挖空間兩側(cè)1.0D范圍內(nèi)形成沉降槽。

(2)盾構(gòu)隧道單側(cè)地層水平位移，受刀盤土倉(cāng)壓力和盾尾注漿壓力的擠壓作用，隨開(kāi)挖進(jìn)行逐漸增大，最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖空間軸線埋深位置。

(3)提高盾構(gòu)施工的土倉(cāng)壓力和盾尾注漿壓力，有利于降低因開(kāi)挖引起的上方地層沉降，但擠壓作用的提升，隧道單側(cè)地層水平位移量顯著增加，其中以盾尾注漿壓力的影響最為明顯。因此，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)兩施工參數(shù)，滿足地層變形要求。

(4)提高刀盤及盾殼與所接觸土體的摩擦力，對(duì)地層豎向及水平變形均產(chǎn)生不利影響，且兩者影響效果近似，施工過(guò)程應(yīng)盡量減少機(jī)械與地層摩擦力。