黃明輝,陳樂意

(南昌航空大學土木建筑學院,南昌 330063)

引言

盾構(gòu)施工以其地質(zhì)適用性強、施工快速及對地層擾動小等特點[1-3]，在隧道工程設(shè)計與施工中備受青睞。富水地層選用盾構(gòu)技術(shù)進行隧道掘進，因開挖區(qū)域處于水位面以下，隧道臨近樁-土受應(yīng)力場與滲流場耦合作用，表現(xiàn)出地層損失、樁體變形及樁端承載力折減等負面影響，對隧道管片、地表土層及樁基安全產(chǎn)生較大影響[4-7]。

出于盾構(gòu)隧道的施工安全考慮，以往許多學者對盾構(gòu)隧道施工的樁土擾動影響展開過研究。張冬梅[8]等基于隧道圍巖、襯砌與壁后注漿體三者相對滲透系數(shù)關(guān)系，分別分析隧道完全滲漏、完全不滲漏兩種工況下圍巖與隧道擾動影響，并建立了隧道注漿行為影響的評估方法，以預(yù)測滲水條件下圍巖與隧道受力變形形式。陳書文等[9]以盾構(gòu)隧道穿越區(qū)域的某建筑物樁基為研究對象，對盾構(gòu)隧道側(cè)穿下的樁基變形和內(nèi)力影響展開分析，并提出隔離樁保護措施，研究表明有隔離樁保護的建筑樁基，其最大總位移和剪力均有較大程度減弱，驗證隔離樁的合理性。劉厚全等[10]基于某有盾構(gòu)隧道側(cè)穿的立交橋群樁基礎(chǔ)，利用有限元軟件建立三維仿真模型，通過對各步驟下的隧道施工模擬，對群樁受力形式和變形趨勢進行了細致的分析，得出盾構(gòu)隧道掘進對群樁變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。

針對盾構(gòu)隧道穩(wěn)定分析的相關(guān)研究已有較多成果，然而目前的學術(shù)研究多數(shù)并未考慮滲流場作用下的盾構(gòu)隧道擾動影響，且其研究多以單樁影響為主，針對群樁影響的相關(guān)研究還有很大不足，仍需展開進一步的探析。

1 隧道圍巖應(yīng)力-滲流耦合模型

圖1為隧道修正慣用法受力模式[11]，盾構(gòu)隧道掘進過程中，襯砌管片穩(wěn)定受地層抗力及水土壓力等多種因素疊加作用，由施工引發(fā)的圍巖擾動不可避免地會對原應(yīng)力場與滲流場分布產(chǎn)生影響。

圖1 隧道受力模式

根據(jù)有效應(yīng)力原理，盾構(gòu)隧道施工中由地下水滲流引起的隧道周圍土體孔隙水壓力消減、有效應(yīng)力增長，直接導(dǎo)致土骨架和土體孔隙變形，帶動隧道管片與臨近樁體與圍巖變形。同時由土骨架壓縮引起的土顆?？紫蹲兓醋饔糜谕馏w滲透系數(shù)，對土層滲流產(chǎn)生交互影響。據(jù)有限元與工程相關(guān)經(jīng)驗，在富含地下水地層中采用非降水形式進行隧道掘進施工時，普遍存在著應(yīng)力場、滲流場的耦合作用影響。作為應(yīng)力-滲流耦合模型中重要參數(shù)，應(yīng)力場與滲流場的總控制方程在數(shù)學模型中可表述為[12-14]

2 工程實例分析

2.1 項目概述

據(jù)國務(wù)院批復(fù)文件《南昌市城市快速軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃》，南昌市軌道交通將由5條規(guī)劃線路交錯組成，線路全長約168 km，并形成以1～3號線為主線路，4號、5號線為輔助線路的放射狀分布體系[15]。依照現(xiàn)有理論與施工經(jīng)驗，盾構(gòu)隧道下穿城市施工掘進勢必對上部地層、建筑群造成擾動。為探明非降水支護下的隧道施工影響，依托南昌市某區(qū)間隧道工程，對南昌典型地質(zhì)條件下的樁-土施工擾動形式展開探析。

該區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道形式為雙孔圓形隧道，隧道外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，管片寬1.2 m，厚度0.3 m。據(jù)隧道線路設(shè)計，盾構(gòu)隧道主要穿越地層為礫砂、強風化與中風化泥質(zhì)粉砂巖，并于該區(qū)間下穿某施工樁基，其中隧道左線距離樁體最近僅4.05 m。在盾構(gòu)下穿區(qū)域內(nèi)涉及的鉆孔灌注樁中，抽取兩排共計12根典型位置的樁體展開受力變形分析。各樁體均為已施工完畢狀態(tài)，其中鉆孔灌注樁直徑328 mm，樁長8 m，每組樁體橫向水平間距為1 m，隧道與前排樁位置關(guān)系剖面如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道與樁體位置關(guān)系示意(單位：m)

2.2 地質(zhì)及水文條件

盾構(gòu)隧道區(qū)間內(nèi)地貌類型為贛江沖積平原Ⅱ級階地，區(qū)間隧道呈長條形分布，隧道穿越區(qū)域上部多為現(xiàn)有的市政道路與既有建筑物。根據(jù)隧道工程鉆探揭示，盾構(gòu)區(qū)間沿線勘探深度以內(nèi)地層主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫、礫砂、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖7個地層單元組成。隧道沿線地下水埋藏較淺，水位埋深4.90～8.20 m，其中各砂礫層均處于飽和狀態(tài)，土體滲透性較強。各地層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

3 有限元數(shù)值分析

3.1 模型建立

為探討盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)樁土破壞機理，采用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX建立盾構(gòu)隧道開挖支護的有限元仿真模型，并對此種關(guān)系下的樁土位移及沉降展開分析。為保證仿真數(shù)值模型精度和穩(wěn)定性的前提下能有效地提高有限元運算速率，模型劃分采納了以隧道管片為起始由密到疏的網(wǎng)格漸變劃分形式，整體生成以高質(zhì)量、穩(wěn)定性強的六面體網(wǎng)格單元為主、局部五面體和四面體網(wǎng)格單元為過渡的組合網(wǎng)格體系。模型共計生成43 271個共用網(wǎng)格節(jié)點和70 829個網(wǎng)格單元。隧道與樁位置關(guān)系有限元劃分模型如圖3所示。

圖3 隧道與樁-土有限元模型

根據(jù)以往工程經(jīng)驗及數(shù)值分析結(jié)果：盾構(gòu)隧道施工的影響范圍約為盾構(gòu)隧道直徑的3～5倍。因此模型建立依照隧道孔徑大小，在考慮有限元模型邊界效應(yīng)影響下，確定模型的劃分尺寸為70 m(X軸)×60 m(Y軸)×40 m(Z軸)范圍大小，并根據(jù)地質(zhì)鉆探成果進行分層計算。模型考慮地下水作用影響，水位線取地表以下5.38 m參與運算。假設(shè)隧道隔水性能優(yōu)良，土體介質(zhì)中由滲流引起的水力梯度、水頭、流速大小和方向不隨時間發(fā)生改變，對隧道模型進行穩(wěn)態(tài)滲流分析。

3.2 模型位移、滲流邊界

(1)位移邊界設(shè)置底部為全約束，限制水平向位移及豎向位移；側(cè)面僅限制水平向位移；模型頂面為自由面，不設(shè)置位移約束。

(2)滲流邊界設(shè)置底部為不透水邊界；考慮隧道兩側(cè)地下水滲流補給，在模型兩側(cè)邊界處按照水位高程設(shè)置節(jié)點水頭；模型底部為不透水邊界。隧道防水失效下，襯砌管片與圍巖之間接觸面(開挖面)為透水邊界。模型初始孔隙水壓力參照靜水壓力分布。

3.3 材料參數(shù)

土體材料選用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型[16-18]進行計算分析，隧道圍巖和注漿材料采用實體單元進行分析，并通過隧道支護分析步中改變圍巖力學屬性來模擬壁后同步注漿行為；結(jié)構(gòu)單元采用彈性模型進行分析，其中灌注樁選用梁單元模擬，因建筑樁基處于施工狀態(tài)，不考慮承臺約束及上部載荷影響。盾殼和襯砌管片采用板單元進行模擬。各單元材料參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.4 施工階段劃分

為對比性分析樁土變形機理，利用有限元單元網(wǎng)格的“激活”與“鈍化”功能依據(jù)施工條件，將盾構(gòu)隧道施工劃分為左線隧道施工貫通與全線施工貫通兩種工況，其中左右線隧道均為一次性貫通與支護，對各工況下的盾構(gòu)施工進行分步模擬，以探析樁基與鄰近土體隨盾構(gòu)掘進的變形發(fā)展趨勢，各階段下的計算步驟為：

①地下水影響下的滲流場分析；②地層自重應(yīng)力場分析；③灌注樁施工，消除樁基施工過程的位移影響(激活樁單元，樁體位移清零)；④左線隧道開挖、盾殼預(yù)支護(鈍化開挖區(qū)域土體單元、激活盾殼單元)；⑤左線隧道支護(激活襯砌管片與注漿層單元，鈍化盾殼單元)；⑥左線隧道開挖支護完畢后的穩(wěn)定滲流與水力耦合分析(先后運行滲流場、應(yīng)力場耦合分析)；⑦右線隧道開挖、盾殼預(yù)支護(鈍化開挖區(qū)域土體單元、激活盾殼單元)；⑧右線隧道支護(激活襯砌管片與注漿層單元，鈍化盾殼單元)；⑨右線隧道開挖支護完畢后的穩(wěn)定滲流與水力耦合分析(先后運行滲流場、應(yīng)力場耦合分析)。

4 數(shù)值結(jié)果分析

為探明盾構(gòu)施工過程中樁體變形影響趨勢，取盾構(gòu)隧道左線貫通與雙線貫通兩種工況分別展開分析，經(jīng)有限元數(shù)值計算結(jié)果顯示，前后兩排樁體在隧道施工擾動下的受力形式與變形趨勢近似，故簡化數(shù)值模型后處理結(jié)果，只取前排樁變形進行分析，并參照圖2所示坐標軸正方向變形為正值繪制關(guān)系曲線。

4.1 近接樁體內(nèi)力位移影響

4.1.1 盾構(gòu)對樁體水平位移影響

根據(jù)有限元數(shù)值結(jié)果，提取圖4所示建筑樁體隨深度變化的水平位移關(guān)系曲線。左線盾構(gòu)隧道掘進過程中，受土體開挖卸荷引起的圍巖應(yīng)力釋放影響，周圍巖土體朝向隧道一側(cè)發(fā)生移動，由于樁體水平向受力不均導(dǎo)致其朝向左線盾構(gòu)隧道方向產(chǎn)生偏移，且樁1～樁6最大水平位移均出現(xiàn)在樁頂位置處。

圖4 隧道施工對樁身水平位移影響

樁1、樁2位于左右線盾構(gòu)隧道之間，左線隧道施工影響下，樁身受力失衡并朝向左隧道方向傾斜。右線隧道貫通后，右線施工對巖土體擾動與左線隧道施工影響部分抵消，樁身整體產(chǎn)生較大程度回彈。樁3、樁4位于右線隧道拱頂以上，右線隧道的貫通對其在水平方向的影響較小，樁體平均回彈量僅為0.09 mm。而余下兩樁均位于雙線隧道右上方，隧道施工對樁體水平向位移呈疊加影響，右線隧道施工對兩樁變形平均貢獻了1.24 mm的位移增值，增幅達46%。樁體穿越4個不同地層，由于各地層性質(zhì)不同，對樁體水平位移限制也略微有所不同。

在上述分析模型的基礎(chǔ)上考慮滲流場作用，揭示圖5所示樁身變形關(guān)系。圖中數(shù)據(jù)明顯可見各樁體差異性變化。樁1、樁2另受水壓力附加作用，右線隧道施工使兩樁較于未涉水時產(chǎn)生右向小幅偏移，滲流場對兩樁水平向變形整體貢獻較小。樁3、樁4受力性質(zhì)異于各樁，就樁體水平向附加變形而言，兩樁分別處于左右線隧道的強、弱擾動區(qū)域，右線隧道掘進施工及地下滲流場未對該樁偏移造成強烈擾動。樁5、樁6除受圍巖應(yīng)力推擠之外，樁身變形受水壓力附加作用，使其側(cè)向變形趨勢進一步擴大。地下水穩(wěn)定滲流場對建筑樁基水平向變形影響程度有限，近接樁-土水平向側(cè)移防護可適當而行。

圖5 滲流影響下樁身水平位移

4.1.2 盾構(gòu)對樁體沉降影響

圖6 隧道施工對樁身沉降影響

圖6所示為兩線隧道貫通后的樁體沉降關(guān)系曲線，在盾構(gòu)隧道施工過程中，樁體沉降持續(xù)產(chǎn)生，因樁身豎向剛度較大且樁端與圍巖表現(xiàn)為協(xié)同沉陷，故樁身各處沉降值相差微弱。樁體沉降與隧道軸線凈距離呈現(xiàn)密切相關(guān)。

兩線隧道貫通后，各樁體沉降均有所增加，右線隧道施工對樁體沉降表現(xiàn)為程度不一的疊加效應(yīng)。樁3、樁4位于右線隧道拱頂正上方，且與隧道管片相距較近，右線隧道施工造成的土層損失對其沉降影響最為顯著，其附加沉降值為6.93 mm，沉降增幅高達55.35%。余下兩組樁體沉降影響稍遜，右線隧道掘進產(chǎn)生的沉降影響均值分別為5.02，5.10 mm，增幅為40.97%與48.90%，右線隧道施工對樁基沉降表現(xiàn)為積極推動作用。

與前種工況相比，考慮滲流場影響的樁基沉降明顯加劇。模型運算狀態(tài)下，通過滲流分析得到的孔隙水壓力，作為初始條件作用在應(yīng)力場分析中，一方面降低圍巖黏結(jié)力、摩擦力等強度參數(shù)，另一方面經(jīng)物理化學以及力學等作用給圍巖施加靜、動水壓力，對隧道臨近圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[19]，加重隧道管片變形程度。在水壓力疊加作用下，隧道管片與壁后注漿體變形呈現(xiàn)可觀增長。由地層損失理論，為填補由水壓力疊加引起的這部分深層圍巖損失，直接帶動拱頂上方樁土產(chǎn)生進一步的協(xié)同附加沉降。

由圖7所示應(yīng)力滲流場下雙隧道貫通后的樁身豎向位移曲線可知，樁1至樁6均產(chǎn)生較大程度的附加位移。

圖7 滲流影響下樁身沉降

圖8 鉆孔灌注樁內(nèi)力分布形式

其中樁1、樁2平均沉降值增量為4.7 mm，樁3～樁4、樁5～樁6則分別達4.81 mm與4.95 mm，3組樁體在滲流影響下的沉降幅度分別達到27.72%，27.76%與32.18%，對樁基穩(wěn)定已有鮮明影響。為減小因樁基沉降對建筑物的影響，應(yīng)在允許范圍內(nèi)合理保證盾構(gòu)掘進速度[20]，嚴格控制注漿工藝[21]，并及時采取其他加固、隔離措施，保證上部主體結(jié)構(gòu)性能安全。

4.1.3 盾構(gòu)對樁體內(nèi)力影響

區(qū)間隧道施工狀態(tài)下，因地層損失而釋放產(chǎn)生的部分地層應(yīng)力被樁體吸收，直接表現(xiàn)為樁體內(nèi)力的改變與重分布，進而對其附加變形產(chǎn)生深遠影響。由于各樁均處于隧道施工斷面以上，盾構(gòu)影響區(qū)域內(nèi)每組樁體之間內(nèi)力變化趨勢相似，選取樁2、樁4、樁6進行內(nèi)力影響分析，探討未涉水狀態(tài)與顧慮滲流場影響兩種情況下，兩線隧道貫通后的樁體內(nèi)力變化差異。

圖8所示為灌注樁附加軸力與附加摩阻力沿圍巖深度的變化曲線。由圖中數(shù)據(jù)可知，樁身軸力在樁頂以下一定位置處發(fā)生突變。盾構(gòu)施工擾動下，上部樁體正摩阻力發(fā)揮作用，樁身軸力隨深度近似呈線性減小。下部樁體因處于盾構(gòu)強擾動影響區(qū)域，近接圍巖相對樁體發(fā)生急劇下沉而產(chǎn)生負摩阻力，此時樁周圍巖已難以擴散樁身軸力，并對樁體產(chǎn)生下拉荷載，導(dǎo)致樁身下部軸力增大和樁基承載能力的削弱。樁身受力中性點約在樁基埋深6 m左右，其中地下水的滲流作用對樁負摩阻力起到明顯促進作用，致使樁體下部軸力與負摩阻力拉大，影響樁體性能的正常發(fā)揮。

4.2 地層擾動影響

4.2.1 單線隧道貫通地層擾動

為直觀地分析盾構(gòu)施工對場地內(nèi)圍巖擾動狀況，取表層土體沉降展開分析。圖9所示為左線隧道貫通后的地表土層沉降狀況。圖中數(shù)據(jù)表明盾構(gòu)隧道施工對地層有較大程度擾動，施工前后地表各處發(fā)生不均勻沉降。左線隧道施工過程中，隧道上方土體產(chǎn)生明顯的“V”形沉降槽，拱頂上方地表土層出現(xiàn)沉降峰值，沉降影響沿背離隧道位置逐漸消散。在考慮滲流影響前后，土體沉降峰值分別為9.36，13.24 mm，沉降增幅達到29.31%，可見地下水滲流對地層沉降起到較大程度影響。

圖9 左線隧道貫通地表沉降

4.2.2 雙線隧道貫通地層擾動

圖10所示為雙線隧道貫通后的地表土層沉降狀況，地表土體沉陷隨右線隧道施工持續(xù)發(fā)生，其沉降范圍進一步增寬，沉降峰值由左隧道拱頂上方轉(zhuǎn)移至雙隧道拱頂上方，沉降形式由“V”形分布轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢”形分布。右線貫通后，地表沉降增幅最大達到36.02%，進一步驗證了施工力學行為對樁-土沉降的疊加影響。

由于場地內(nèi)有較大厚度的砂礫石層，地層土體松散且自穩(wěn)能力弱，當有地下水滲流影響時，土體受擾易發(fā)生變形，產(chǎn)生明顯的沉降加劇。在考慮滲流影響前后，雙線隧道貫通下的土體沉降峰值分別為14.63 mm與21.50 mm，滲流影響下的沉降增幅達到31.95%。為防止地基過大變形對既有建筑物造成損傷，應(yīng)采取地面預(yù)注漿、在隧道與既有建筑之間的地基采取有效加固措施，將地基變形保持在可控范圍內(nèi)。

4.3 孔壓分布影響

4.3.1 隧道隔水良好

作為隧道密封防水的重要防線，襯砌管片與壁后注漿因具備穩(wěn)定有效的防水與加固功能而在隧道工程滲漏控制中常被采用。在該項目隧道工程中，將隧道注漿層與襯砌管片的組合體系視為理想封閉體，經(jīng)計算可得滲流場下的孔隙水壓力分布等值線、隧道中心豎向與中心水平向孔隙水壓力分布如圖11所示。因模型土介質(zhì)流體中的總水頭由位置水頭與壓力水頭構(gòu)成，設(shè)定模型總水頭保持不變。而水位面以上區(qū)域因位置水頭大于總水頭，造成水位面以上壓力水頭出現(xiàn)負值。圖中數(shù)據(jù)可知，當隧道隔水效果良好時，孔隙水壓力在水平方向呈層狀分布。而與水平方向孔壓變化相比，孔隙水壓力在豎直方向呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，其隨著土體深度增加而持續(xù)增大。

圖11 強隔水效果孔隙水壓力分布形式

4.3.2 隧道防水失效

富水地層中進行盾構(gòu)隧道施工，由于注漿孔、管片間隙的水土滲透，將導(dǎo)致隧道臨近土體滲流場改變及孔隙水壓力的持續(xù)變化。為探析隧道防水失效襯下圍巖孔隙水壓力分布規(guī)律，定義隧道襯砌管片與圍巖之間接觸面(開挖面)為完全透水邊界，將其視為滲流自由面參與水力耦合分析，此時隧道注漿層與襯砌管片滲透系數(shù)與其接觸的圍巖屬性一致。隧道防水失效下的孔隙水壓力分布見圖12。

圖12 防水失效下孔隙水壓力分布

由圖12可知，隧道滲漏打破原滲流場初始平衡，隧道開挖完成之后，孔隙水壓力分布有較大程度改變，滲流場以隧道拱頂為中心呈“雙漏斗”分布狀態(tài)，孔隙水壓力沿1倍隧道直徑范圍內(nèi)呈現(xiàn)劇烈衰減，此時地下水透過注漿層與管片間隙排出土體，導(dǎo)致隧道四周各測點孔隙水壓力消散，形成明顯的“環(huán)形”降壓帶。防水失效下孔隙水壓力改變將直接促進臨近圍巖固結(jié)，不利于隧道穩(wěn)定支護，施工時應(yīng)采取有效措施增加襯砌防水效能和隧道抗?jié)B能力，以增強隧道安全性能。

5 結(jié)論

采取有限元分析方法，對應(yīng)力-滲流耦合作用下孔壓分布、臨近樁-土擾動進行研究和論述，得出結(jié)論如下。

(1)盾構(gòu)隧道下穿樁基施工時，樁基產(chǎn)生較大程度的附加變形，樁體下部軸力增長并產(chǎn)生負摩阻力，抑制樁體性能發(fā)揮。

(2)考慮流固耦合影響下的樁基與土體沉降明顯增加，沉降量最大增幅分別達到32.18%，31.95%；左右線隧道施工后，隧道拱頂上地表出現(xiàn)明顯沉降槽，分別呈“V”形、“W”形分布，其沉降影響沿背離隧道方向逐漸減小。

(3)隧道防水失效下，隧道施工內(nèi)壁形成滲流自由面，周邊圍巖內(nèi)部孔隙水壓力分布呈現(xiàn)明顯衰減，并沿隧道水平向出現(xiàn)孔壓降壓帶。