回填土區淺埋盾構隧道開挖地層響應分析

徐世紅,牛云峰,陽文通,陳 銳,譚芝文

(1.中建隧道建設有限公司 重慶市 401320;2.重慶市軌道交通(集團)有限公司 重慶市 401320;3.中鐵二院咨詢監理有限責任公司 成都市 610000)

0 引言

隨著盾構技術的迅猛發展,中國已經在逐步克服敏感地區、地質復雜多樣地區的盾構隧道建設難題,如上海、南京地區的軟土地層,北京地區的砂卵石地層以及重慶地區的回填土地層等[1]。這些地層對開挖擾動敏感,在修建隧道時容易發生大變形,尤其是當盾構隧道靠近鄰近建筑和管線時,對地層變形控制要求極高。

近年來,已有不少學者在盾構隧道地層變形的相關領域開展了廣泛的研究。姜安龍[2]基于彈性理論推導了盾構施工變形計算公式,并依托實際工程分別研究了土艙壓力、刀盤和盾殼與土體的摩擦力、地層損失以及同步注漿壓力對地表變形的影響。鄧皇適等[3]基于Mindlin解推導了由注漿壓力非均勻分布引起的地表沉降計算公式,并結合監控量測驗證了公式的合理性。鄭剛等[4]自行研制了砂土模型試驗平臺,進行了盾構隧道開挖和注漿的模型試驗,并采用Plaxis 2D軟件進行了二維數值模擬,研究結果符合Peck公式的預測規律。葉飛等[5]依托西安地鐵4號線區間盾構隧道工程,采用Mohr-Coulomb本構模型對盾構施工過程進行了數值模擬分析,最終確定0.1MPa為該工程最合理的土艙壓力取值。孫闖等[6]依托上海某盾構隧道工程,借助FLAC3D軟件模擬了不同注漿壓力工況下地表沉降槽的變化情況,研究結果表明0.2～0.3MPa的同步注漿壓力比較適合于該工程地質情況。李俊猛[7]利用數值模擬軟件FLAC 3D模擬了不同土艙壓力下盾構施工的地層變形情況,研究結果表明,土艙壓力越接近于原始靜止土壓力,地表最大沉降量越小。

不同地區的地質條件存在較大差異,尤其是重慶地區典型的回填土地層,往往存在壓實度較低和級配不良等問題,為盾構施工帶來了不確定性,也給地層變形的控制增加了難度,因此針對這一特殊地質開展研究具有重大的意義。鑒于此,依托重慶軌道交通五號線北延伸段工程,以土艙壓力這一影響因素為側重點,針對盾構隧道穿越回填土區的情況建立三維數值模型,對不同土艙壓力條件下盾構開挖引起的地層變形情況進行研究,研究成果可為類似工程提供參考依據。

1 工程概況

重慶軌道交通五號線北延伸段工程中央公園西站-椿萱大道站區間(FCK5+114.8～FCK6+236.1)位于渝北區,隧道大致沿利成大道地下敷設,全長1121.3m。區間隧道主要采用盾構法施工,盾構開挖直徑6.885m,盾構管片外徑6.6m,內徑5.9m,管片幅寬1.5m,厚度0.35m。其中,中央公園西站-椿萱大道站左線區間(左FCK5+743.7～左FCK6+199.3)及右線區間(右FCK5+752.7～右FCK6+212.7)穿越欠固結回填土區,該區段的人工填土基本上以素填土為主,地質剖面圖如圖1所示。素填土為雜色,以粘性土夾砂巖、泥巖碎(塊)石為主,骨架顆粒粒徑以20～600mm為主,局部大于1m,含量一般為20%～45%,在厚度較大的地段中下部塊(碎)石含量顯著增高,局部可達到50%～60%,粒徑也有所增大,局部存在架空現象,由淺及深呈松散～稍密狀,土體稍濕,地下水含量主要受大氣降水、城市地下排水管線滲漏補給影響,回填區厚0.5～44.5m,沿線填土堆填年限在1～3a左右。

圖1 中椿區間回填土段地質剖面圖

由于盾構施工隧道所穿越的回填土地層屬于級配不良的土石混合體,其施工穩定性和自主承載能力較差,且隧道埋深較淺,施工期間如果出現土艙壓力過大的情況則極易引起地表隆起現象,而土艙壓力偏小又可能導致掌子面不穩定,土體下移從而引發地層的不均勻沉降,而地鐵隧道往往處于城市主干道之下,上述兩種情況都將對市政交通及周邊環境造成嚴重的影響。由此看來,回填土區盾構施工存在很大的風險,而土艙壓力作為控制地層變形的關鍵因素之一,其影響機理和合理范圍的確定具有較高的研究價值。

2 數值模擬分析

2.1 數值模型建立

考慮到尺寸效應和計算效率問題,土體模型尺寸可取為3～5倍洞徑左右,采用有限元軟件ABAQUS建立尺寸為50m×40m×30m的三維模型,其中50m為模型寬度,40m為模型深度,盾構開挖模擬每次進尺6m(即4環),開挖5次,共進尺30m。模型的邊界條件設置情況是以底面和側面為位移邊界,限制垂直于各面方向的水平移動,地表作為自由邊界。填土深度取15m,其下基巖均為泥質砂巖,隧道上覆填土厚度為3.86m。模擬過程考慮土體開挖時的應力釋放效應和漿液的硬化過程,利用溫度場控制可改變土體和漿液在不同分析步中的材料參數,將應力釋放后的土體楊氏模量折減60%。根據工程經驗,漿液注入時呈流動狀態,彈性模量在0.9MPa左右;24小時后漿液硬化,彈性模量在4MPa左右;28d后長期固化,彈性模量可達到400MPa以上,考慮到開挖步長較短,可取漿液硬化后的彈性模量為4MPa更符合工程實際。利用荷載模塊實現對土艙壓力和同步注漿壓力的控制,根據施工單位專項方案將注漿壓力設置為0.3MPa;根據圍巖壓力計算式q=γh[8](式中γ為圍巖重度,單位為N/m3;h為隧道埋深,單位為m)可得掌子面中心圍巖壓力為146kPa,以此為參考,先施加150kPa土艙壓力進行初步模擬。模型中各項材料的基本參數設置情況詳見表1,模型情況如圖2所示。

表1 模型材料參數

圖2 數值模型示意圖(半無限空間體)

2.2 豎向位移響應分析

圖3展示了開挖完成后地層的豎向位移云圖。由圖3可知,在盾構隧道開挖完成后,地表1倍洞徑左右的區域內出現了較為明顯的沉降,沉降槽的幅寬在3倍洞徑左右,最大沉降值為12.35mm,由于開挖引起的地應力釋放效應,隧底出現隆起現象,最大隆起值為20.85mm。模擬規律符合一般工程經驗,所得地層變形也滿足相關標準控制值[9]。

圖3 豎向位移云圖及輸出路徑示意圖

為進一步分析地層變形在盾構掘進過程中的變化規律,在如圖3所示的位置設定豎向位移輸出路徑(15m附近),可得到各開挖步對應的地表變形曲線如圖4所示。

圖4 不同開挖步的地表變形曲線圖

觀察曲線可知,當盾構開挖至6m時,監測路徑上的豎向位移為正值,隧道中心線上位移值最大,約為0.8mm,說明在盾構經過前地層變形表現為隆起,推測這是由于隧道埋深較淺,推進過程中土艙壓力對前方土體影響較大所致;當盾構開挖至12m時,掌子面距監測斷面僅為3m,此時隧道中心線處的隆起減小為0.4mm左右,中心線兩側的隆起少量增加,地表出現了沉降趨勢;當盾構開挖至18m時,盾構機推進至監測路徑正下方,地表出現了沉降槽,隧道中心線處的沉降值為1.4mm,模型兩側的地表繼續表現為隆起,推測其原因是受到注漿壓力的影響和模型邊界效應的限制;當盾構開挖至24m時,盾殼前移,脫出了監測路徑正下方,隧道中心線處的最大沉降增加到2.4mm,增加了近70%;當盾構開挖至30m時,隧道中心線的最大沉降值突增到7.7mm,又增加了2倍左右,模型兩側的隆起量也發生下降,推測其原因是受剪力滯后效應的影響,以及模型尺寸有限,開挖30m后貫穿了整個地層,從而導致該開挖步地表沉降量的大幅增加。綜上所述,盾構開挖對地層變形的影響可分為盾構到達前、經過時和通過后三個階段,在盾構到達前地層出現少量隆起,盾構經過時地表出現明顯的沉降槽,盾構通過后地表最大沉降還將持續增加70%左右。

2.3 土艙壓力對地層變形的影響分析

為研究不同土艙壓力對地層變形影響的差異,設置了如表2所示的5種工況分別進行模擬,分別提取不同土艙壓力下開挖完成后的最終沉降曲線如圖5所示。

表2 數值模擬工況表

圖5 不同土艙壓力掘進完成后的沉降曲線圖

觀察5種工況下的最終沉降曲線可知,土艙壓力越大,模型兩側的地表隆起量越大,地表最大隆起量通常出現在隧道兩側7.15m處,距隧道約1倍洞徑;當土艙壓力從0.1MPa提高到0.125MPa時,最大地表沉降量降低了0.4mm左右,此時達到最小值,隨著土艙壓力繼續增大,隧道中心線處的地表沉降值也繼續增加。由此可見,地表隆起一定程度上是受到土艙壓力的影響,土艙壓力越大,隧道兩側的地表隆起量越大;當土艙壓力較小時,盾構掘進完成后的隧道中心線處的最大地表沉降量隨著土艙壓力的增大而增大,當土艙壓力超過圍巖壓力后,最大地表沉降量隨土艙壓力的增大而減小。綜上所述,0.125MPa為適合本工程的最佳土艙壓力。

3 結論

依托重慶軌道交通五號線北延伸段工程,基于ABAQUS建立三維數值模型對不同土艙壓力下盾構掘進過程進行了模擬,通過對各開挖階段的豎向位移云圖和沉降曲線進行分析,得出了如下結論:

(1)盾構隧道掘進施工過程中引起的地表沉降槽幅寬在3倍洞徑左右,最大地表沉降量為12.35mm,最大拱底隆起量為20.85mm,滿足相關規范控制值要求。

(2)盾構到達前地層出現少量隆起,盾構經過時其上方地表將出現明顯的沉降槽,盾構通過后地表最大沉降還將持續增加70%左右。

(3)盾構掘進過程中,隨著土艙壓力的增大,地表隆起量也增大,而地表沉降量表現為先減小后增大,說明土艙壓力并非越大越好,尤其是在隧道埋深較淺的情況下,其土艙壓力設置值略低于圍巖壓力時為最佳,根據計算結果,該工程條件下土艙壓力取約為0.125MPa時對地層變形的影響最小。