成都富水砂卵石地層土體顆粒級配特性與強度分析

張延杰，龔曉南

（1.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650204；2.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

顆粒級配是影響土體滲透性和力學強度的重要因素[1-3]。砂卵石土顆粒受生成環境的影響，呈現出不同形態、不同尺寸，而不同粒度的顆粒介質對其力學性能有很大的影響[4]。目前國內大范圍存在砂卵石地層的地鐵城市主要有北京、沈陽、成都地區和處于深層地鐵隧道施工的廣州地區。其中，北京地鐵隧道砂卵石地層卵漂石含量50%～70%，粒徑主要分布在20～60 mm區間，偶見漂石分布，但基本無地下水；沈陽地鐵砂卵石地層卵石含量5%～20%，粒徑主要分布在20～45 mm區間，基本無漂石，地下水位在地表下4.5～10 m[5]；隨著城市發展需要和地鐵線路的增多，廣州等城市的地鐵隧道工程，在大埋深下的盾構施工中面臨穿越砂礫石地層。而成都地區的地鐵隧道工程呈現“三高”特點[6-7]：地下水位高、卵石含量高、地層強度高，工程和水文地質特征為其他城市地鐵隧道工程所罕見。由于富水砂卵石地層的地質特性，國外大中型盾構隧道建設中較少見到類似實例分析。基于土質與級配的不同，關于國外掘進參數的研究規律是否適用于該地層，也可借鑒國外較為成熟的研究方法，進行該地層下的掘進參數研究分析。祝林[8]提到成都地區飽和砂卵石土的內摩擦角為39°，但并未指明地層形成時期與砂卵石類別。相關研究在數值模擬研究中土體參數的選取上和室內試驗得出的土體物理力學參數是有差異的[9]，并同時以成都地鐵2號線站東廣場站為研究背景時，在選擇的物理力學參數值存在較大不同[10-11]。陳盛金[12]通過勘探查明的砂卵石層，根據試驗發現，地鐵2號線部分車站的第四系人工填土層和第四系全新統沖積層砂土、卵石土等均為松散堆積，壓縮性高、荷重易變形的特點。

數值分析方面，國內相關研究較多并取得很大進展，包括細粒土層下的有限元分析、粗粒土層下的有限差分軟件和離散元分析。室內試驗方面，由于砂卵石土（粗粒土）試驗操作的復雜性，其試驗周期冗長并且試驗費用高。成都地鐵目前已開通13條線路，開通后成都軌道交通運營總里程將達到558 km，成都地鐵在建線路共有10條，截至目前在建線路總長仍超過200 km。因此針對選取具有代表富水砂卵石地層的成都地區確定土體顆粒級配是一項基礎性的研究，同時又是一項極其重要的研究。

1 地質和水文條件對隧道施工的影響

1.1 地質條件對地鐵隧道施工影響

成都平原處于新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，為一斷陷盆地。成都地鐵線路場地內及其附近無影響工程穩定性的不良地質作用，為穩定場地。卵石地層主要分布在第四系全新統沖洪積層（Q4）和第四系上更新統沖洪積層（Q3），兩種地層均具二元結構。其中Q4地層上組為褐色黏土，灰黃色粉質黏土、粉土、灰黃-灰色砂土，沉積韻律明顯；下組為灰白-褐灰色卵石土，混有 20%～40%砂及少量黏性土，常有砂薄層或透鏡體，一般分為砂層、圓礫、松散、稍密、中密、密實等亞層。Q3地層上組為黃-褐黃色黏土，粉質黏土、粉土、砂土，裂隙發育，黏土可具脹縮性；下組為黃灰色卵石土，混砂及黏性土，有砂薄層或透鏡體，一般分為砂層、圓礫、松散、稍密、中密、密實等亞層。卵石層按照顆粒大小和密實程度可分為稍密、中密和密實卵石。其中稍密卵石以灰褐色為主，濕-飽和，粒徑一般為30～100 mm，成分以巖漿巖為主，磨圓度較好，卵石含量約65%～70%，含少量漂石，充填物為礫石、細砂、中砂，N120動力觸探擊數7～10擊；中密卵石呈黃褐色-黃色，中密，飽和，卵石粒徑一般40～100 mm，呈亞圓形，含65%～70%的卵石，充填中砂、礫石和少量黏土，N120修正擊數一般為 7～10擊；密實卵石呈黃-黃褐色，密實，飽和，卵石粒徑一般40～100 mm，個別大于15 cm，呈亞圓形，含70%～80%的卵石，充填中砂、礫石和少量黏土，修正擊數大于10擊。

砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，其結構松散、卵石含量大、地下水位高、滲透性強并分布少量漂石。富水砂卵石為主的地層中粒徑大于20 mm以上的達到 60%～80%，其最大粒徑超過300 mm；卵石硬，最高硬度達到230 MPa，盾構刀具破碎土體困難，施工進度慢、刀具磨損嚴重，換刀頻繁；高富水，砂卵石層滲透系數達到 18～25 m/d。盾構施工時，既容易流失細顆粒形成空洞，發生砂土坍塌或沙漏，又易造成土壓不穩，掘進參數失調，對施工環境造成隱患。

1.2 水文條件對地鐵隧道施工影響

成都市屬中亞熱帶濕潤氣候區，雨量充沛，多年平均氣溫16.2 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，多年平均降雨量947.0 mm，降雨主要集中在5—9月。

（1）補給充足：孔隙潛水賦存于細砂、中砂、卵石層中。以成都地鐵3號線標段為例，在馬鞍北路站—李家沱站區間YDK32+549～YDK32+729范圍內為沙河Ⅰ級階地，屬于侵蝕-堆積地貌。主要受大氣降水、地表河水及來自NW方向的側向地下徑流補給，土層孔隙水相互間的水力聯系較為緊密，相互補給。

（2）水位埋深淺：地鐵隧道標段基本處于II級階地區，豐水期地下水位埋深一般3～5 m，水位年變化幅度一般在2～3 m之間。孔隙淺水位年變化幅度為1～3 m，豐水期最高水位埋深約2～4 m，正常水位約3～5 m，因施工降水，穩定水位埋深8～14 m。

（3）滲透性強：卵石層滲透系數約為 18～25 m/d，均屬強透水性。

上層滯水水量相對小，對地下工程基本無影響。區間穿越沙河、府河以及洪渠等地表水。沿線河流，尤其是流經市區段落，已受到人為改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制。孔隙淺水位在砂卵石地層中為強透水層。其水量豐富，水位變化不大，對地鐵施工影響較大，但不排除區段局部地段有富水條件，儲藏有一定裂隙水，對地鐵工程產生一定影響。

2 富水砂卵石土力學特性

2.1 地鐵隧道下穿地層統計分析

調查成都城市軌道交通地鐵1、2、3號線與地鐵環線7號線進行勘察分析，調查數據如下：

（1）1號線

地鐵1號線一期工程盾構隧道分為4個標段11個區間。胡茜[13]提到地鐵一期工程Q32地層分布于桐梓林以北的沿線地帶的二級階地上，有 Q4沖積層分布的地帶埋于其下。Q31地層分布于桐梓林以南的地鐵一期工程沿線地帶的二級階地上，在桐梓林以北地帶，埋藏于Q32地層之下。楊書江等[14]提到成都地鐵1號線試驗段工程主要下穿卵石地層，局部位置穿越細砂層和泥巖層。線路基本沿人民南路中部敷設，分省體育館路—倪家橋站區間、倪家橋站—桐梓林站區間、桐梓林站—火車南站站區間3個區間。

魏龍海[15]通過反復多次調整三軸數值試驗模型中的細觀參數，使之與成都地鐵2號線地鐵勘察資料的統計分析結果基本一致。有關研究提到成都地區飽和砂土層的內摩擦角為 39°，但并未指明地層形成時期與砂卵石類別[8]。文獻[16]提到成都地鐵1號線一期工程盾構1標區間工程盾構施工穿越土層主要為卵石土（Q3）。

（2）2號線

調查中發現，在數值模擬研究中土體參數的選取上和室內試驗得出的土體物理力學參數是有差異的[9]。

表1和表2的數據顯示，兩位學者[10-11]同時以成都地鐵2號線站東廣場站為研究背景時，在選擇的物理力學參數值存在較大的不同。

表1 土層物理力學參數指標[10]Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer[10]

表2 土層物理力學性質指標[11]Table 2 Physical and mechanical property indexes of soil layers[11]

（3）3號線

調查地鐵 3號線的 4個隧道區間（駟馬橋北站—駟馬橋站—李家沱站—馬鞍北路站）標段的勘察報告，得出盾構隧道下穿的砂卵石地層的主要組成情況，如圖1所示。

圖1 3號線隧道區間穿越地層分布圖Fig.1 Strata distribution map traversed by line 3 tunnel section

（4）7號線

對7號環線31個區間的勘察資料進行調查研究，然后將隧道主要下穿的卵石地層物理力學參數進行統計分析，得到的抗剪強度值統計情況如表 3所示。

表3 7號線隧道區間下穿的砂卵石土層的抗剪強度指標Table 3 Shear strength indexes of sand cobble soil layers under tunnel section of line 7

a）中密砂卵石地層

中密砂卵石地層的天然狀態（以下簡稱天然）抗剪強度摩擦角值φ=38°，降水后φ=45°的結果統計中包含 13個區間，分別為茶店子路站—花照壁站區間、文化宮站—清江西路站區間、花照壁站—交大路口站區間、交大路口站—九里堤路口站區間、金沙博物館站—一品天下站區間、九里堤路口站—城北客運中心站區間、清江西路站—金沙博物館站區間、清水河大橋站—文化宮站區間、神仙樹西站—太平園站區間、武侯大道站—清水河站區間、一品天下站—茶店子站區間、八里莊—成都理工大學站區間、川師站—琉璃廠站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=38°，降水后φ=44°的統計有1個區間，為火車北站—駟馬橋站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=35°，降水后φ=42°的統計有2個區間，分別為二仙橋站—成都理工站區間和駟馬橋站—八里莊站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=37°，降水后φ=42°的統計有2個區間，分別為駟馬橋站—八里莊站區間和東區醫院站—二仙橋站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=36°，降水后φ=38°的統計有1個區間，為太平園站—武侯大道站區間。

b）密實砂卵石地層

密實砂卵石地層的天然抗剪強度摩擦角值φ=42°，降水后φ=50°的統計結有10個區間，分別為茶店子路站—花照壁站區間、文化宮站—清江西路站區間、花照壁站—交大路口站區間、交大路口站—九里堤路口站區間、金沙博物館站—一品天下站區間、九里堤路口站—城北客運中心站區間、清江西路站—金沙博物館站區間、清水河大橋站—文化宮站區間、武侯大道站—清水河站區間和一品天下站—茶店子站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=46°，降水后φ=50°的統計有1個區間，為火車北站—駟馬橋站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=47°，降水后φ=52°的統計有2個區間，分別為八里莊—成都理工大學站區間和川師站—琉璃廠站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=42°，降水后φ=48°的統計有2個區間，分別為二仙橋站—成都理工站區間和駟馬橋站—八里莊站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=42°，降水后φ=46°的統計有4個區間，為東區醫院站—二仙橋站區間、駟馬橋站—八里莊站區間、建材南路站—成都東客站區間和成都東客站—沙河鋪站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=40°，降水后φ=50°的統計有2個區間，分別為太平園站—武侯大道站區間和城北客運中心站—火車北站區間。

天然抗剪強度摩擦角值φ=42°，降水后φ=52°的統計有1個區間，為神仙樹西站—太平園站區間。

由于成都地鐵近年來施工線路多、施工體量大、工期緊，而對于盾構穿越地層的土質分析方面仍處于經驗理論階段，存在摸索性。從地鐵2號線的研究調查中可以看出，對于地質的分析仍存在較大差異，如勘察數據與數值分析數據的差別；不同學者對于同一工程的地層參數選取也有所不同。通過地鐵3號線的研究調查，得到了下穿砂卵石地層的主要地層組成情況。通過地鐵7號線的研究調查中可以看出，同一家勘察機構通過理論經驗得出的31個區間的勘察數據同樣存在差異，這說明砂卵石地層由于級配的較小差別，在定義土質物理力學特性的表述和判定就存在較大變化；并且以上砂卵石抗剪強度的統計數據是基于經驗公式得出，有必要開展砂卵石土顆粒級配選定的研究。

2.2 砂卵石土樣級配

根據成都地鐵隧道下穿地層的統計數據，現選取具有代表性盾構區間，即地鐵交叉站點的區間，對其勘察數據中的砂卵石土進行粒徑分析，如火車北站—駟馬橋站區間隧道（火車北站為7號線與1號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖 2；金沙博物館站—一品天下站區間隧道（一品天下為7號線與2號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖3；太平園站—武侯大道站區間隧道（太平園站為7號線與3號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖4；清江西路站—文化宮站區間隧道（文化宮站為7號線與4號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖5。

圖2 火—駟區間隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲線圖Fig.2 Grain size curves of Huo-Si section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

圖3 金—一區間隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲線圖Fig.3 Grain size curves of Jin-Yi section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

圖4 太—武雙楠區間隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲線圖Fig.4 Grain size curves of Tai-Wushuangnan section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

圖5 清—文區間隧道穿砂卵石土粒度分析曲線圖Fig.5 Grain size curves of Qing-Wen section tunnel crossing sandy pebble soil layer

通過觀察圖2～5，對83組砂卵石土樣本進行統計。鑒于勘查數據中中密砂卵石土級配的缺失，選取李家沱站—駟馬橋站和駟馬橋站—昭覺寺南路站2個區間隧道（駟馬橋站為7號線與3號線交差叉車站）下穿卵石土進行現場取樣分析，其粒度分析如圖6和圖7所示。

圖6 中密砂卵石土粒度分析Fig.6 Grain size analysis of medium dense sand pebble soil

圖7 密實砂卵石土（Q3）粒度分析Fig.7 Grain size analysis of dense sand pebble soil (Q3)

通過對已有研究中涉及的卵石粒徑進行調查，對以上勘查數據的統計，再加上在建隧道區間擬開挖區域的取土篩分檢驗，得到了2組統計砂卵石土平均級配和3組現場勘查土樣的平均級配，即卵石土中的3組中密卵石（級配1）和2組密實卵石（級配 2）平均級配代表值，每組篩分結果平均值如圖8所示，為滿足室內試驗要求，采用等量替代法將天然砂卵石土中大于 60 mm粒徑的超徑料剔除后的顆粒級配如圖9所示。

圖8 土粒顆粒級配曲線圖Fig.8 Gradation curves of soil particle size

圖9 剔除超徑粒后的顆粒級配曲線圖Fig.9 Particle gradation curves after excluding oversize particles

3 試驗驗證

（1）直剪試驗

借助大型粗顆粒土直剪系統，采用應變控制式的平推法直剪試驗方法，取級配 1（中密卵石土）配制的重塑土，圓柱體試件直徑618 mm×500 mm。根據試驗條件，配制級配1土樣，軸向荷載級數設定約為100、200、300、400、500 kPa五級。

（2）砂卵石土剪切試驗結果與分析

繪制剪應力-剪切位移關系曲線（見圖10），求得內摩擦角φ和咬合力c（又稱黏聚力）[17-20]，見圖11（a）。

圖10 級配1土樣在天然風干條件下不同軸壓τ-s關系曲線Fig.10 τ-s relation curves of graded 1 soil samples under different axial pressures under natural air-drying conditions

得出天然狀態下級配1土樣的c=60.93 kPa，φ=39.03°。按照“將c值定為0”后，來計算摩擦角，此時，軸向應力-剪應力曲線最佳關系曲線見圖11（b），計算得出其內摩擦角φ為44.26°，這與勘察數據中砂卵石土降水后的抗剪強度均值相近，偏差率僅為0.7%。

圖11 級配1土樣在天然風干條件下τ-σ關系曲線圖Fig.11 τ-σ relation curves of graded 1 soil samples under natural air-drying condition

4 結 論

通過對已有研究中涉及的卵石粒徑進行調查，對大量勘查數據的統計，再加上在建隧道區間的取土篩分檢驗，得到了可代表成都砂卵石地層的砂卵石土樣級配，和滿足室內粗粒土試驗要求的顆粒級配。

級配1天然砂卵石土室內大剪試驗得到內摩擦角φ為39.03°，咬合力c為60.93 kPa。按照“c值定為0”的數據處理來計算摩擦角，得出其內摩擦角為44.26°，這與勘察數據中砂卵石土降水后的抗剪強度均值相近，驗證了級配選取的有效性。