劉紀峰，李雄潤，陳福星

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004；2.福建省順安建筑工程有限公司，福建 莆田351200）

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布的海相沉積淤泥和淤泥質(zhì)軟土對工程建設(shè)提出了很大挑戰(zhàn)［1－6］.軟土受施工擾動后的長期固結(jié)特性對城市地鐵重大工程建設(shè)的安全性、穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重影響和潛在威脅［7－8］.針對這一課題，國內(nèi)外采用的方法大致可分為兩大類：一是不考慮施工過程的預(yù)測方法，包括經(jīng)驗法和理論解析法［9－10］；二是部分考慮施工過程的預(yù)測方法，包括各種數(shù)值模擬和物理實驗［11－13］.考慮施工圍巖擾動等因素，復(fù)雜軟土層暗挖隧道引起的地層變形往往比實際預(yù)測的更為嚴重［14－15］，而目前對該難題尚缺乏深入系統(tǒng)研究.福州地鐵1號線縱貫福州市中心城區(qū)，線路全長約29.24km，全部埋深20～30 m，隧道埋深范圍內(nèi)有10.2～15.0m層厚的流塑狀態(tài)的淤泥、多層飽和狀態(tài)的黏土或淤泥質(zhì)黏土，地下水位埋深2.10～3.60m.上部土層存在的厚度較大的高壓縮性飽和軟土，將對盾構(gòu)隧道施工環(huán)境控制構(gòu)成較大挑戰(zhàn).控制不好，極易導(dǎo)致城市生命線工程損害事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失與社會影響.本文為探索解決該問題，對福州地鐵1號線典型軟土的工程特性進行試驗研究，并在此基礎(chǔ)上，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬，分析典型軟土長期固結(jié)效應(yīng)對環(huán)境影響.

1 典型軟土的物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 掃描電子顯微鏡微細觀試驗

考慮到主要影響地鐵沉降的土層為淤泥③1，故電子顯微鏡（SEM）試驗及X射線衍射試驗僅針對該層.在福州地鐵1號線始發(fā)井基坑，采用薄壁取土器深取淤泥③1的典型軟土試樣，將其風(fēng)干到一定程度，并加工成5～8mm見方的小塊.將小塊放入干燥箱完全干燥后，送試驗室檢測.20件土樣品均在低真空模式原始狀態(tài)通過放大500～5 000倍觀察表面微觀形貌.測試儀器為EVO 18型高分辨率場發(fā)射掃描電鏡（德國卡爾蔡公司），其主要技術(shù)參數(shù)為：3.0nm＠30kV，2.0nm＠30kV，4.5nm＠30kV的分辨率；0.2～30kV的加速電壓；5～100萬倍的放大倍數(shù)；10～400Pa的壓力范圍；X射線；8.5mm AWD；35°出射角.受篇幅限制，取成像較好具有代表性的＃6樣品，放大不同倍數(shù)，SEM測試結(jié)果，如圖1所示.

圖1 典型軟土SEM圖像Fig.1 SEM image of typical soft soil

由圖1可以看出：福州地鐵1號線典型軟土主要是由團聚狀顆粒組成，顆粒間有較大孔隙，在飽和狀態(tài)下受盾構(gòu)隧道施工擾動，孔隙中水不能短時間內(nèi)排出，產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力；伴隨著超孔隙水壓力的消散，軟土將產(chǎn)生較大的次固結(jié)變形，應(yīng)在隧道施工和地鐵運營時充分考慮這一問題.另外，從不同放大倍數(shù)的6號樣品SEM檢測結(jié)果來看，該類軟土結(jié)構(gòu)具有一定的自相似特征，可借助分形理論研究其孔隙分形分維數(shù)和力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系［15－17］.

1.2 X射線衍射分析試驗

福州地鐵1號線典型軟土的部分X射線衍射分析結(jié)果，如圖2所示.由圖2可知：試樣1，2的衍射峰基本一致，衍射強度也基本相同，說明試樣1，2所表現(xiàn)的物質(zhì)的機構(gòu)基本相同，或者可以認代表同一組分物質(zhì).對比SY／T 6210－1996《沉積巖中粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線衍射定量分析方法》［18］附錄A2常見礦物的X射線衍射圖譜，可知試樣1，2包含石英成分，這和SEM試驗結(jié)果是一致的，從試樣的SEM圖像上也可以看到石英晶體.

圖2 典型軟土XRD分析Fig.2 XRD analysis of typical soft soil

1.3 工程性質(zhì)試驗

根據(jù)GB 50307－1999《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》、GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）、JGJ 83－1991《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、JGJ 89－1992《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準》和GB／T 50123－1999《土工試驗方法標(biāo)準》，針對福州地鐵1號線某始發(fā)井不同土層特性，分別采用靜壓法和錘擊法取用質(zhì)量等級為I～II級的原狀土樣.通過室內(nèi)常規(guī)試驗項目和一定數(shù)量的三軸固結(jié)不排水（CU）試驗、三軸不固結(jié)不排水（UU）試驗和固結(jié)回彈試驗，得出典型軟土的工程性質(zhì)，如表1所示.表1中：γ表示重度；C表示固結(jié)快剪黏聚力；φ固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角；CU表示三軸UU黏聚力；φU／表示三軸UU內(nèi)摩擦角；CCU表示CU黏聚力；φCU三軸CU表示內(nèi)摩擦角；C′表示CU黏聚力；φ′U表示三軸CU內(nèi)摩擦角.

表2中：w為水的質(zhì)量分數(shù)；γ為重度；e為孔隙比；WL為液限；WP為塑限；KV為滲透系數(shù)；KH為滲透系數(shù)；α0.1～0.2為壓縮系數(shù)；ES0.1～0.2為壓縮模量；qu為無側(cè)限抗壓強度；St為靈敏度；①為固結(jié)快剪指標(biāo)；②為未標(biāo)明滲透系數(shù)；③為未測定指標(biāo).由表2可知：對比其他地區(qū)的軟土工程性質(zhì)，福州地鐵1號線③1淤泥具有較高的水的質(zhì)量分數(shù)、較低的重度、較大的孔隙比和液限、較小的滲透系數(shù)，黏聚力和內(nèi)摩擦角（在對比的5個地區(qū)中，上述指標(biāo)僅好于深圳軟土的），同時具有較大的壓縮系數(shù)、較小的壓縮模量和較高的靈敏度.相對而言，整體上工程性質(zhì)較差.

表1 試驗實測典型軟土的工程性質(zhì)表Tab.1 Experimental engineering properties of typical soft soils

福州地鐵1號線典型軟土和其他地區(qū)軟土的工程性質(zhì)對比，如表2所示［3－6］.

表2 不同地區(qū)軟土工程性質(zhì)對比Tab.2 Comparison of engineering properties among soft soils in different areas

2 長期固結(jié)效應(yīng)

2.1 數(shù)值模型概述

數(shù)值模擬軟件采用大型商業(yè)有限元軟件ABAQUS 6.11－2版本［19］.雙線隧道線間距為12.5m；隧道內(nèi)徑為6.2m；隧道埋深20m；盾構(gòu)面支護壓力為125kPa；盾尾注漿壓力為0.2MPa；土與管片的摩擦系數(shù)0.2；地下水埋深3.3m［7－12，20］.建模原則：取一半對稱雙線隧道建模，以節(jié)省計算時間；三維模型考慮隧道開挖的施工過程引起地表移動的時空效應(yīng)問題；基于福州地鐵1號線某區(qū)間隧道巖土工程勘察報告結(jié)果，土層厚度、力學(xué)參數(shù)和地下水位的選取，如表3所示；考慮地下水的影響，按照地下水位和水壓影響的水土合算計算初始地應(yīng)力；考慮盾構(gòu)施工過程的同步注漿和壁后注漿對圍巖的加固作用，管片及注漿體和圍巖共同承載，管片厚350mm，彈性模量30GPa.

模型尺寸長×寬×厚為80m×40m×60m，滿足邊界條件，建模完成后共有85 034個C3D8R單元，91 078節(jié)點.對③1～⑤1盾構(gòu)施工擾動比較明顯的軟土層，用Cap Creep模型模擬蠕變效應(yīng)導(dǎo)致的次固結(jié)沉降.綜合考慮施工和運營前期的軟土沉降和數(shù)值模擬運算時間問題，模擬時間選擇2年2個月，即800d.

表3 土體的物理力學(xué)性質(zhì)Tab.3 Physical and mechanical properties of soft soil

表3中：ρ為密度，土體密度按該層土試樣測試結(jié)果較大值選取，以充分考慮自身質(zhì)量影響；PV為體積模量；PJ為剪切模量；m為層厚.

ABAQUS中的地應(yīng)力平衡通過特殊方法進行處理.首先，進行重力載荷作用下的變形分析，得到土體的沉降和應(yīng)力分布；其次，再將上述計算的結(jié)果作為初始狀態(tài)施加到模型上，進行地應(yīng)力平衡分析.施加重力計算，即可得到在重力作用的下的應(yīng)力分布和沉降.通過此種方法，可以很精確地得到任何土質(zhì)的初始地應(yīng)力平衡狀態(tài).初始地應(yīng)力平衡結(jié)果，如圖3所示.

基于初始地應(yīng)力平衡的狀態(tài)，模擬后續(xù)的開挖過程，開挖為20m，每掘進1m作為一個分析步.利用變化模型功能控制管片的添加以及土體的開挖過程.在初始地應(yīng)力平衡中，將所有管片都殺死，然后在開挖過程中激活；在開挖過程中，將土體殺死.土體與管片考慮為有限滑移，摩擦系數(shù)為0.2.利用ABAQUS中獨有的壓力穿透功能，將0.2MPa的注漿壓力施加于管片和土體上，將125kPa的支護壓力施加在支護面上.

圖3 數(shù)值模型初始應(yīng)力平衡結(jié)果Fig.3 Initial stress balance result of numerical model

2.2 分析結(jié)果

圖4為沉降歷時800d的土體沉降云圖，由圖4可以得到以下3點結(jié)論.

1）典型軟土地層中盾構(gòu)隧道開挖地層沉降具有明顯的時空效應(yīng)，距盾構(gòu)隧道開挖面的距離越長、盾構(gòu)上方土體固結(jié)時間越久，地層沉降越大.

2）受土體開挖卸荷和施工擾動多因素影響，管片安裝完成后，隧道底部圍巖隆起，最大隆起值達24.5mm，隧道上方圍巖沉降，800d的最大沉降值達－18.6mm.

3）較近距離的雙線盾構(gòu)隧道，受沉降槽疊加影響，地表最大沉降發(fā)生在雙線隧道之間的部位，ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果與類似工程實測結(jié)果一致［9－10］.

隧道開挖20m后，沉降歷時800d的管片應(yīng)力，如圖5所示，由圖5可知：隧道開挖完成后，上下左右4個方位的管片受力較大，上下左右45°方位的管片受力較小，這與類似工程實測結(jié)果吻合［21］.

圖4 隧道開挖800d后地層沉降云圖Fig.4 Ground settlement counter of 800dafter tunnel excavation

圖5 隧道開挖800d后隧道管片應(yīng)力圖Fig.5 Tunnel segments stress counter of 800dafter tunnel excavation

盾構(gòu)隧道開挖20m后，沉降歷時800d的隧道頂部和雙線隧道中間地表兩個測點的沉降曲線，如圖6所示.圖6中：1為隧道頂部地表沉降曲線；2為雙線隧道中間地表沉降曲線.由圖6可知：隧道頂部地表沉降達－15.3mm，雙線隧道中間地表沉降達－18.6mm，歷時800d，但兩測點的沉降并沒有完全收斂，說明該類軟土受施工擾動后，將存在較長時期的次固結(jié)沉降，次固結(jié)沉降值較大且不均勻，容易在地鐵隧道投入運行之后，造成周邊建（構(gòu)）筑物沉降開裂、隧道自身開裂滲水.與福州地鐵1號線工程地質(zhì)條件類似的上海地鐵，已經(jīng)遇到了類似問題.因此，在隧道施工和投入運營之后，要充分考慮該類軟土的工程特性及其可能造成的破壞，采取針對性的措施加以預(yù)防.

圖6 不同測點在隧道開挖800d后的沉降曲線Fig.6 Surveying points settlement curves after 800dtunnel excavation

3 結(jié)論

分別采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射分析、室內(nèi)物理力學(xué)試驗和ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析方法，從不同方面研究了福州地鐵1號線埋深范圍內(nèi)存在的較厚層典型軟土的工程性質(zhì)及其施工擾動后對地層環(huán)境的影響.通過研究，可以得出如下3點結(jié)論.

1）福州地鐵1號線埋深范圍內(nèi)存在的較厚的③1淤泥，由含有較大孔隙的微團聚顆粒組成，試樣包含石英成分，試樣的不同放大倍數(shù)圖像具有一定的自相似特征.對比其他地區(qū)軟土，③1淤泥水的質(zhì)量分數(shù)、孔隙比、液限、壓縮系數(shù)和靈敏度較高，重度、滲透系數(shù)、壓縮模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角較小，工程性質(zhì)較差，如不采取加固措施，施工和運營階段對該層的擾動將造成其長期次固結(jié)沉降，危及工程安全.

2）盾構(gòu)隧道開挖具有明顯的時空效應(yīng)，管片安裝完成后，隧道底部圍巖最大隆起值達24.5mm，隧道上方圍巖最大沉降值達－18.6mm，地表最大沉降發(fā)生在雙線隧道中間部位；上下左右4個方位的管片受力較大，上下左右45°方位的管片受力較小，數(shù)值模擬結(jié)果符合工程實際.

3）沉降歷時超過26個月，但相關(guān)地表監(jiān)測點的沉降并沒有完全收斂，說明該類軟土受施工擾動后，將存在較長時期數(shù)值較大且不均勻的次固結(jié)沉降，容易引起周邊建（構(gòu)）筑物損害和隧道管片自身開裂滲水之類的工程問題.因此，應(yīng)在盾構(gòu)隧道設(shè)計、施工和運營各環(huán)節(jié)采取針對性的措施加以預(yù)防，確保工程安全.

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