周力軍,張孟喜,王 維,呂 巖,韓佳堯,張 靖

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海 200444； 2.中鐵二十局集團(tuán)有限公司,廣州 511400)

隨著城際鐵路與地鐵交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)法已普遍應(yīng)用于各類隧道建設(shè)中。在有著地質(zhì)博物館的珠三角地區(qū)，廣泛存在著軟硬不均的復(fù)合地層，對(duì)盾構(gòu)順利推進(jìn)造成了一定的阻礙。在不同軟硬巖復(fù)合高度比地層中盾構(gòu)施工進(jìn)度緩慢，盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)造成地面沉降過大和隧道管片上浮等情況，從而危及地面構(gòu)筑物與隧道自身安全[1-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合地層中盾構(gòu)法施工進(jìn)行了一定的研究，文獻(xiàn)[6-9]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算的方法，對(duì)復(fù)合地層中盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行了一定分析。文獻(xiàn)[10-12]對(duì)上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)施工給出了一定的施工建議。文獻(xiàn)[13-14]對(duì)復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的施工力學(xué)特性進(jìn)行了研究。但是以上研究對(duì)象是針對(duì)籠統(tǒng)含義上的復(fù)合地層，未對(duì)復(fù)合地層進(jìn)行細(xì)分。依托廣州佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆站—番禹大道站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，對(duì)復(fù)合地層采用不同軟硬巖復(fù)合高度比的概念進(jìn)行劃分，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果出發(fā)，研究了不同軟硬巖復(fù)合地層中盾構(gòu)法施工對(duì)地表沉降與隧道上浮的影響規(guī)律，結(jié)合實(shí)際精細(xì)化施工需要，給出了一定的施工建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆站—番禹大道站區(qū)間盾構(gòu)隧道分為左、右兩線，兩線間距22～24 m。區(qū)間隧道約3970 m長(zhǎng)，隧底高程平均按-6 m計(jì)。隧道掘進(jìn)選用2臺(tái)φ8.8 m土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，配以泡沫系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)，最大掘進(jìn)速度60 mm/min。隧道采用拼裝式混凝土襯砌管片，管片1.6 m/環(huán)，厚400 mm，外徑8.5 m，內(nèi)徑7.7 m。為減小左右線盾構(gòu)施工相互影響，采用雙線分離式施工，右線先行施工約84環(huán)，盾構(gòu)頂部覆土15～25 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)間場(chǎng)地類型屬典型的三角洲沖積平原地貌，地表主要分布為山地及荒地。沿線地層大致分成填土、可塑粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖四層。盾構(gòu)隧道斷面需穿越不同軟硬巖復(fù)合高度比的復(fù)合地層(圖1)，工程地質(zhì)條件較差，隧道右線地質(zhì)剖面如圖2所示。

區(qū)間場(chǎng)地地表水主要發(fā)育于寬緩谷地的低洼地段，零星分布，距離隧道較遠(yuǎn)，主要分布于地表素填土與可塑粉質(zhì)黏土中，地表水對(duì)工程基本無影響。地下水主要為基巖裂隙水，存在于中、微風(fēng)化帶，且地下水量貧乏，距盾構(gòu)隧道較遠(yuǎn)，故可不考慮地下水與土體的耦合作用。

1.3 工程難點(diǎn)

(1)地層多樣性：隧道斷面地層地質(zhì)多樣，既存在全軟巖(全風(fēng)化花崗巖)地層，又存在全硬巖(強(qiáng)風(fēng)化花崗巖)地層，還存在不同軟硬巖復(fù)合比例的上軟下硬地層，地層多樣性導(dǎo)致掘進(jìn)參數(shù)控制較復(fù)雜。

(2)盾構(gòu)姿態(tài)控制：在上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)有“欺軟怕硬”的特性，即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中會(huì)向較軟地層一側(cè)出現(xiàn)上偏的特性，導(dǎo)致隧道上浮。所以在不同軟硬巖復(fù)合比地層中，盾構(gòu)姿態(tài)控制極其重要。

(3)土倉(cāng)壓力及出土量合理控制：在不同軟硬巖復(fù)合比地層中，土倉(cāng)壓力與出土量的合理調(diào)整極其重要。例如在全斷面硬巖地層中開挖面自身較穩(wěn)定(圖3)，刀具破巖出渣過程中磨損較嚴(yán)重。如土倉(cāng)壓力設(shè)置偏大，會(huì)加劇刀具磨損，土倉(cāng)壓力設(shè)置較小地表沉降會(huì)增大。通過出土量與掘進(jìn)速度準(zhǔn)確校核，能有效預(yù)防超挖。

圖3 硬巖地層開挖面刀具與破巖出渣

2 ABAQUS三維有限元數(shù)值模擬

2.1 地層復(fù)合高度比的概念

在上軟下硬地層中，刀盤開挖面會(huì)遇到不同高度比例的軟、硬復(fù)合地層(圖4)，為了對(duì)不同比例軟硬復(fù)合地層進(jìn)行分析，從而定義軟硬巖復(fù)合高度比B與軟硬巖復(fù)合面積比B′的概念[15]。

圖4 佛莞城際鐵路盾構(gòu)區(qū)間復(fù)合地層示意

地層軟硬巖復(fù)合高度比B是指隧道斷面軟弱地層高度h與隧道斷面土層總高度H的比值，計(jì)算見公式(1)。軟硬巖復(fù)合面積比B′是指隧道開挖斷面軟弱地層面積S′與隧道開挖斷面面積S的比值(也可由B換算得到)。

(1)

式中，B為地層軟硬巖復(fù)合高度比；h為軟巖高度；H為隧道斷面土層總高度。

2.2 選取盾構(gòu)隧道典型斷面

由于隧道右線先行施工，且左右線盾構(gòu)開挖面相距約134 m，影響較小。本文主要研究不同軟硬巖復(fù)合高度比地層中盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)隧道上浮及地表沉降的規(guī)律，為提高分析效率，所以可僅考慮右線隧道施工。

在盾構(gòu)穿越不同地層情況中，選取5個(gè)埋深約20 m的典型斷面，其分別位于右線1 272環(huán)、1 322環(huán)、1 346環(huán)、1 371環(huán)和1 395環(huán)。其中1 272環(huán)位于全斷面風(fēng)化巖地層中(軟巖)，1 322環(huán)、1 346環(huán)、1 371環(huán)位于不同軟硬巖復(fù)合高度比的復(fù)合地層中，1 395環(huán)位于全斷面硬巖地層中。相應(yīng)斷面對(duì)應(yīng)的B值分別為1、0.75、0.5、0.25、0(換算成軟硬巖復(fù)合面積比B′的值相應(yīng)為1、0.805、0.5、0.195、0)，如圖2、圖4所示。

2.3 有限元三維模型的建立與參數(shù)選取

依據(jù)選取的5個(gè)典型斷面，結(jié)合工程地質(zhì)勘查資料，采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件，分別構(gòu)建5種不同復(fù)合比地層下三維有限元模型，進(jìn)行模擬計(jì)算。模型幾何尺寸為85 m(x)×60 m(y)×96 m(z)，新建隧道長(zhǎng)96 m，直徑8.5 m，環(huán)寬1.6 m，環(huán)厚400 mm。模型邊界條件：所有側(cè)面限制其法向位移，底面設(shè)置為全約束，上表面為地表，以保證模型豎向變形不受邊界條件影響，建立的模型如圖5所示。

圖5 三維有限元計(jì)算模型(單位：m)

巖土體與混凝土襯砌管片采用實(shí)體單元C3D8R，模型共計(jì)21 000個(gè)單元。巖土本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，物理力學(xué)參數(shù)見表1。巖土體與襯砌管片之間的接觸面采用綁定接觸，襯砌管片(C50混凝土)根據(jù)規(guī)范彈性模量取為30 GPa，泊松比取為0.2。利用等代層[16]模擬盾構(gòu)注漿過程，考慮盾尾空隙與土層性質(zhì)，取等代層厚度為0.1 m。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.4 盾構(gòu)施工模擬

盾構(gòu)施工模擬：①第1步“殺死”隧道前方巖土，施加土倉(cāng)壓力穩(wěn)定開挖面，模擬盾構(gòu)開挖過程；②第2步考慮盾構(gòu)機(jī)身因素，等代層材料設(shè)置為盾殼參數(shù)。③第3步激活襯砌單元，模擬盾尾管片拼裝過程；④第4步激活彈性模量為0.58 MPa的漿液等代層單元，并在洞身單元面上均布徑向注漿壓力，模擬盾尾注漿；⑤第5步漿液初步硬化，彈性模量增至6.8 MPa；⑥第6步中漿液充分硬化，漿液彈性模量增至23 MPa，模擬盾尾脫離過程；⑦依次推進(jìn)重復(fù)開挖下一環(huán)。其簡(jiǎn)化流程如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)施工模擬簡(jiǎn)化流程

3 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降規(guī)律

隧道1 272環(huán)、1 322環(huán)、1 346環(huán)、1 371環(huán)及1 395環(huán)處分別是隧道斷面軟弱地層高度占隧道斷面總高度的比值為1、0.75、0.5、0.25、0時(shí)的5個(gè)典型斷面。

由圖7(a)可知，1 277環(huán)處B=1(全斷面軟巖地層)時(shí)，地表沉降槽口最大，影響范圍約3.5D(D為隧道直徑)。地表最大沉降值為13.5 mm，其值在5個(gè)典型斷面中最大。

在上軟下硬復(fù)合地層中，當(dāng)B分別為0.75、0.5、0.25時(shí)，由圖7(a)可知，隨著地層軟硬巖復(fù)合高度比B值的減小，地表沉降槽寬度也隨之變小，地表影響范圍在3D～3.5D。地表沉降最大值分別為11.8、9.7、9.3 mm，可以看出當(dāng)?shù)貙榆浻矌r復(fù)合高度比B值減小時(shí)，地表沉降值將隨之減小。

B=0(全斷面硬巖地層)時(shí)，1 395環(huán)處地表沉降槽口寬度最小，地表沉降槽寬度影響范圍約為3D。地表沉降最大值為8.2 mm，其值在5種不同軟硬巖復(fù)合高度比地層中最小。

取1 272環(huán)、1 322環(huán)、1 346環(huán)、1 395環(huán)4個(gè)典型實(shí)測(cè)斷面(對(duì)應(yīng)的軟硬巖復(fù)合高度比B值分別為1、0.75、0.5、0)，將地表沉降實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。如圖7(b)～圖7(e)所示，4個(gè)典型斷面工程實(shí)測(cè)值與模擬值吻合程度較高，且符合隨著軟硬巖復(fù)合高度比B值的增大，地表最大沉降值隨之增大的規(guī)律，驗(yàn)證了該有限元模型數(shù)值計(jì)算的正確性與適用性。

圖7 地表沉降曲線分析與工程實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

3.2 隧道上浮變形規(guī)律

圖8表示的是盾構(gòu)掘進(jìn)至96 m時(shí)，新建隧道隧底上浮曲線?？梢钥闯?，在0～70 m區(qū)間內(nèi)，由于注漿及漿液硬化作用已完成，隧道上浮量已趨于穩(wěn)定，基本呈直線狀。而70～96 m區(qū)間內(nèi)，因?yàn)闈{液硬化作用具有一定的時(shí)效性，所以隧道上浮仍未穩(wěn)定，呈曲線狀。

圖8 不同軟硬巖復(fù)合高度比地層中隧底上浮曲線

當(dāng)B=1(全斷面軟巖地層)時(shí)，隧道上浮變形值較大，穩(wěn)定后為9.5 mm。主要是因?yàn)椋泿r地層中隧道圍巖強(qiáng)度底，為了保證圍巖穩(wěn)定，必須控制好注漿壓力與注漿量，軟巖地層相對(duì)注漿量較大，硬化作用時(shí)間長(zhǎng)，盾尾空隙依靠同步漿液填充達(dá)不到立刻穩(wěn)定隧道的要求，所以其隧道上浮量相應(yīng)比較大。

在上軟下硬復(fù)合地層中，當(dāng)B分別為0.75、0.5、0.25時(shí)，隧道上浮變形值分別為7.6、6.3、3.9 mm，介于B=0與B=1之間。由圖8可知，當(dāng)軟硬巖復(fù)合高度比B值減小時(shí)，隧道上浮量也隨之減小。

當(dāng)B=0(全斷面硬巖地層)時(shí)，隧道上浮變形較小，穩(wěn)定后僅為2 mm。主要是因?yàn)?，硬巖地層隧道圍巖強(qiáng)度高，注漿量相對(duì)減少，漿液硬化作用時(shí)間減少，隧道上浮量相應(yīng)會(huì)偏小。

由于隧道整體呈上浮趨勢(shì)，施工中根據(jù)不同軟硬巖復(fù)合比地層中隧道上浮趨勢(shì)的不同，對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。將盾構(gòu)高程姿態(tài)控制在設(shè)計(jì)軸線以下2～9 mm進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)低，避免隧道穩(wěn)定后上浮量過大。長(zhǎng)隆站—番禹大道站區(qū)間隧道工程中施工，采取措施后隧道上浮量均保持在5 mm內(nèi)。

4 復(fù)合地層中盾構(gòu)施工措施

針對(duì)佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆站—番禹大道站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程難點(diǎn)，根據(jù)前文的分析，提出了相應(yīng)的施工技術(shù)措施，主要包括以下4方面內(nèi)容。

4.1 軟巖地層施工措施

由3.1節(jié)與3.2節(jié)分析可知，在全斷面軟巖地層中(B=1時(shí))，隧道上浮量與地表沉降曲線數(shù)值均較大，所以施工中主要控制重點(diǎn)是采取措施控制隧道上浮與地表沉降。

(1)啟動(dòng)保壓模式掘進(jìn)，確保盾構(gòu)開挖穩(wěn)定，并減小地面沉降量。

(2)結(jié)合數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，將盾構(gòu)高程姿態(tài)控制在設(shè)計(jì)軸線以下約9 mm，控制隧道上浮。

(3)合理控制注漿壓力，確保同步注漿質(zhì)量，并及時(shí)采取二次補(bǔ)充注漿，確保盾尾空隙填充豐滿，減小地表沉降值及隧道上浮值。

4.2 硬巖地層施工措施

由3.1分析可知，在全斷面硬巖地層中(B=0時(shí))，因?yàn)槎軜?gòu)施工中開挖面較穩(wěn)定，且隧道上浮量與地表沉降均較小，所以工程中主要控制重點(diǎn)是采取如下措施保護(hù)刀具，減小磨損量，延長(zhǎng)刀具使用壽命。

(1)對(duì)刀具形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)采用欠壓模式掘進(jìn)，可以減小刀盤扭矩、提高掘進(jìn)速度，減小刀具磨損量，從而保護(hù)刀具。

(3)采用泡沫劑進(jìn)行渣土改良，提高土粒壓縮性能，提高掘進(jìn)速度，以達(dá)到減小刀具磨損量的目的。

4.3 不同軟硬巖復(fù)合比地層施工措施

(1)根據(jù)盾構(gòu)隧道在不同復(fù)合地層中相應(yīng)上浮趨勢(shì)特征，將盾構(gòu)高程姿態(tài)控制在設(shè)計(jì)軸線以下3～6 mm，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，確保隧道上浮值在控制要求內(nèi)。

(2)采用保壓模式掘進(jìn)，保證開挖面穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整土壓力，確保上部軟巖地層的穩(wěn)定與盾構(gòu)施工安全。

(3)向土艙內(nèi)注入泡沫劑或膨潤(rùn)土改良渣土，增加土體流動(dòng)性，防止出現(xiàn)“泥餅”現(xiàn)象。

4.4 工程實(shí)際效果

實(shí)際工程中針對(duì)不同地層采取不同施工措施后，盾構(gòu)每次換刀掘進(jìn)距離可達(dá)130環(huán)以上，每月掘進(jìn)約200 m。最終隧道上浮量控制在5 mm以內(nèi)，地面沉降值普遍小于10 mm，軟巖地層中沉降最大值也保證在15 mm內(nèi)。

5 結(jié)論

針對(duì)佛莞城際鐵路長(zhǎng)隆站—番禹大道站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程難點(diǎn)，結(jié)合有限元計(jì)算及工程實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

(1)在上軟下硬復(fù)合地層中，盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響具有較大的差異，B值越大，地表沉降值也越大。B=1與B=0時(shí)相比，地表沉降最大差值為5.3 mm。

(2)在上軟下硬復(fù)合地層中，盾構(gòu)施工對(duì)隧道上浮量也具有明顯差異，B值越大，隧道上浮值也越大。復(fù)合比B=1與B=0時(shí)相比，隧道上浮值相差7.5 mm。依據(jù)不同軟硬巖復(fù)合高度比地層中隧道上浮趨勢(shì)的差異，工程中對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)低，有效地控制了隧道上浮量。

(3)根據(jù)不同B值地層中盾構(gòu)施工影響分析，給出了相應(yīng)的施工措施。B=0(全斷面硬巖地層)時(shí)，以控制刀盤磨損為主，采用欠壓模式等施工方式。B=1(全斷面軟巖地層)時(shí)，以控制隧道上浮、地表沉降及開挖面穩(wěn)定為主，采用了保壓推進(jìn)、合理注漿、調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)等施工措施。