戴志成,封 坤,徐 凱,林 輝,吳文彪

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031; 2.粵水電軌道交通建設(shè)有限公司,廣州 510610)

引言

在我國大規(guī)模的城市地鐵隧道及越江跨海隧道建設(shè)中,盾構(gòu)法因其自動化程度高、適應環(huán)境能力強等優(yōu)點在穿越河流、密集建筑物等復雜施工環(huán)境中廣泛采用[1]。然而盾構(gòu)掘進不可避免會對土體和地下水產(chǎn)生擾動,從而引起地層的擾動變形,對周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響[2-3],尤其在盾構(gòu)始發(fā)階段,參數(shù)控制難且極易造成涌水、涌砂及地面沉降等事故[4-5]。合理的掘進參數(shù)是進行盾構(gòu)始發(fā)階段安全控制的重要途徑,因此,研究盾構(gòu)掘進參數(shù),確保盾構(gòu)順利掘進和周邊鄰近建(構(gòu))筑物的安全,是十分有必要的[6-7]。

近年來,針對盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)的適應性問題,國內(nèi)外學者采用理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬和工程實測等方法開展了一系列研究工作。在理論分析及數(shù)值模擬方面：鄭剛等[8]針對天津某盾構(gòu)工程,對盾構(gòu)掘進過程中掘進關(guān)鍵參數(shù)對周圍地表沉降影響進行了敏感性分析及風險分析。丁智等[9]基于土體損失理論,建立了淺基礎(chǔ)建筑物的力學模型,研究了盾構(gòu)施工對鄰近建筑物內(nèi)力及沉降的影響。JENCK等[10]通過FLAC3D軟件對鄰近建筑物的隧道開挖進行了研究,認為鄰近建筑物的剛度對地表沉降有較大的影響,因此有必要對建筑物區(qū)域進行加固防護。漆泰岳等[11]通過FLAC3D軟件對比了有無建筑物條件下的地層及建筑物沉降特征,揭示樓房與隧道不同空間位置下的相關(guān)沉降特征,得到建筑物沉降安全控制標準。張恒等[12]依托深圳地鐵5號線,通過數(shù)值模擬的手段研究掘進參數(shù)對地表沉降的影響,并與現(xiàn)場測試對應,認為控制注漿壓力、土艙壓力可以很好地控制地面沉降。Q.M.Gong[13]采用UDEC離散元軟件模擬巖體脆性對巖體裂解過程的影響,數(shù)值模擬的結(jié)果與實際基本吻合，即TBM的掘進速率與巖體脆性呈正相關(guān)。

在模型試驗及現(xiàn)場實測方面,王洪新等[14]根據(jù)模型試驗的結(jié)果,推導了土壓盾構(gòu)施工中的平衡關(guān)系式和關(guān)鍵掘進參數(shù)的數(shù)學關(guān)系。江英超等[15]以φ800 mm模型盾構(gòu)機開展室內(nèi)全斷面砂土的掘進試驗,并結(jié)合理論分析、數(shù)值分析,認為土體狀態(tài)和盾尾注漿對地層沉降有重要影響。李明陽等[16]針對廣州地鐵3號線某隧道區(qū)間,對復合地層土壓平衡盾構(gòu)掘進表現(xiàn)進行了模擬,結(jié)合實際掘進參數(shù),論證了分析方法的有效性。魏新江等[17]針對杭州地鐵1號線監(jiān)測結(jié)果,研究了掘進參數(shù)之間的關(guān)系及掘進參數(shù)對土體位移變化的規(guī)律。林存剛等[18]研究了杭州某過江隧道掘進參數(shù)與地表沉降的關(guān)系。馮曉燕[19]針對某隧洞工程,研究了地層中孤石與基巖爆破前后盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化規(guī)律。

綜上可見,目前針對盾構(gòu)隧道施工對環(huán)境擾動行為的研究較多,但對盾構(gòu)始發(fā)段尤其是在水下始發(fā)情況的研究較少。鑒于此,依托廣佛環(huán)線沙堤隧道工程,針對其在河道始發(fā)工況,基于流固耦合原理利用數(shù)值模擬方法對不同土艙壓力、不同注漿壓力的工況進行數(shù)值模擬,并結(jié)合對實際工程的地表實測數(shù)據(jù),對盾構(gòu)掘進對地表沉降及鄰近建筑物的變形進行了對比分析,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

沙堤隧道位于佛山禪城區(qū),其3號始發(fā)井地處城市老舊建筑密集區(qū),左右線隧道先后于原南北大涌河道始發(fā)掘進,始發(fā)端左側(cè)是禪西大道,右側(cè)為多棟民房,側(cè)穿的房屋與雙線隧道相應的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 沙堤隧道始發(fā)段位置示意

沙堤隧道施工因地處河道,地下水發(fā)育充分,且雙線隧道間距極小。為確保始發(fā)掘進順利及降低鄰近建筑物的風險,施工前在始發(fā)段進行了一系列加固保護：始發(fā)井端頭加固采用素混凝土地下連續(xù)墻+高壓旋噴樁的組合方式；鄰近建筑物處施作φ1 000@1 500鉆孔樁,樁長19 m,在鉆孔樁外側(cè)設(shè)置1排φ800@650高壓旋噴樁,樁長7.7～9.2 m。如圖2、圖3所示。

圖2 沙堤隧道豎井始發(fā)加固平面示意(單位：m)

圖3 沙堤隧道豎井始發(fā)加固橫斷面示意(單位：m)

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)沙堤隧道相關(guān)設(shè)計資料,計算選取了始發(fā)段的典型斷面,地層示意如圖4所示。計算采用FLAC3D有限差分軟件建立相應三維流固耦合模型,模型中地表為自由面,并施加相應水壓力荷載,模型前后面、左右面及底面采用法向位移約束條件(圖5)；因土壓平衡盾構(gòu)機土艙內(nèi)部土體可以控制地下水的涌入,故設(shè)定隧道掌子面為透水邊界,注漿層固結(jié)需要時間,也設(shè)為透水邊界,管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)為不透水邊界。本次計算涉及的地層參數(shù)及水力學參數(shù)來自《沙堤隧道地質(zhì)勘查報告》,管片襯砌、注漿材料、擋土墻、加固土體參數(shù)均來自相關(guān)設(shè)計資料,具體如表1所示。

圖4 計算斷面地層地質(zhì)條件示意(單位：m)

圖5 數(shù)值計算模型(單位：m)

針對數(shù)值模型,計算首先模擬加固結(jié)構(gòu)的施作,再模擬隧道開挖施作,具體設(shè)置如下：單次開挖模擬的循環(huán)進尺為1.6 m(1環(huán)管片)；改變單元性質(zhì)實現(xiàn)對注漿層和管片襯砌的模擬；通過在開挖面上施加梯形荷載以模擬掌子面的支護壓力,通過在拼裝完成的管片上施加環(huán)向力以模擬注漿壓力。本次模擬實現(xiàn)了盾構(gòu)掘進的整個開挖過程。根據(jù)文獻[20-21]中的盾構(gòu)開挖流固耦合數(shù)值模擬流程,每個開挖步內(nèi)先進行力學計算,后進行流固耦合計算至設(shè)定時間。計算中左線先始發(fā),右線后開挖,與實際施工一致。

表1 土層及材料主要參數(shù)

2.2 計算工況及監(jiān)測斷面

根據(jù)自重應力場計算得到開挖面中心點位置處土體側(cè)向水土壓力值約為150 kPa,即設(shè)σ0=150 kPa,根據(jù)文獻[22-23]分別取開挖面土艙壓力為0.5σ0，0.75σ0，σ0，1.25σ0，1.5σ0五種工況進行計算；為研究不同注漿壓力對施工的影響,取注漿壓力為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa五種工況進行數(shù)值計算。計算工況如表2所示。

表2 計算工況

為研究隧道始發(fā)掘進對地面沉降及建筑物的影響,在y=22環(huán)設(shè)置了橫向監(jiān)測斷面,并分別對建筑物基礎(chǔ)的4個角點處的沉降值進行了監(jiān)測,如圖6所示。

圖6 監(jiān)測斷面及測點布置

2.3 影響地表沉降的因素分析

在盾構(gòu)施工的過程中,選用合理的盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置、及時調(diào)整掘進的姿態(tài)是保證盾構(gòu)施工的重要條件。土壓平衡式盾構(gòu)向前掘進主要是通過控制土艙內(nèi)部壓力與前方土體水土壓力的相對平衡來保持開挖面的穩(wěn)定。在實際施工過程中,土艙壓力處在一個動態(tài)的變化過程。當其過高時,會引起地層隆起產(chǎn)生擠壓破壞；過低時,會導致土體發(fā)生失控的塑性流動,開挖面坍塌,引起過大地表位移；盾構(gòu)施工時盾殼與管片襯砌之間存在空隙,當盾構(gòu)機前進時,脫出盾尾的管片將暴露在地層中,周圍土體向隧道圓心運動產(chǎn)生位移,從而引起地表沉降,而通過注漿可以控制地面的沉降。故本節(jié)將重點對土艙壓力和注漿壓力對地表沉降的影響進行參數(shù)分析。

2.3.1 土艙壓力的影響

圖7、圖8分別為不同支護壓力下左線開挖和雙線開挖完成后監(jiān)測斷面橫向沉降曲線?？梢钥闯鲎缶€開挖完成時,監(jiān)測斷面地表沉降以左線中線為軸呈近似“V”形分布；當雙線都開挖完成時,因為施工的疊加效應,沉降槽曲線加深加寬,左、右線地表沉降不完全對稱,后開挖的右線沉降大于左線。

由圖8分析可知：土艙壓力由0.5σ0增加到1.25σ0,雙線開挖后最大地表沉降從19.87 mm減至9.13 mm,變化速率從快到慢,當土艙壓力加到1.5σ0,地表沉降反而增大；土艙壓力達到σ0后,地表沉降控制已經(jīng)不明顯,證明土艙壓力可以控制地表沉降且當土艙壓力與前方掌子面的水土壓力相近時,沉降控制效果較好,當推力加大至1.5σ0,會對土體造成較大擾動,不僅無法有效控制地表沉降,且刀盤的擠壓作用也可能會使前方土體出現(xiàn)較大隆起,綜合考慮,建議在始發(fā)階段土艙壓力取σ0～1.25σ0。

圖7 不同支護壓力下左線開挖完監(jiān)測斷面橫向沉降曲線

圖8 不同支護壓力下雙線開挖完監(jiān)測斷面橫向沉降曲線

2.3.2 注漿壓力的影響

圖9、圖10為不同支護壓力下左線開挖、雙線開挖完成后監(jiān)測斷面橫向沉降曲線。雙線都開挖完較單線開挖時,地表沉降有一個疊加效應,沉降槽曲線加寬但不明顯,左、右線地表沉降不完全對稱,后開挖的右線最大沉降大于左線。

由圖10分析可知：注漿壓力由0.1 MPa增加到0.5 MPa,雙線開挖后最大地表沉降依次為-13.15 mm增至-9.59 mm,變化速率從快到慢；土艙壓力從0.4 MPa增加至0.5 MPa后,地表最大沉降減小了0.18 mm,沉降槽寬度基本一致。盾構(gòu)施工會對地層造成擾動,加上超挖等影響,注漿壓力太小并不能保證將漿液充分填充盾尾間隙,而過大的注漿壓力可能會破壞管片襯砌。綜上,建議始發(fā)階段的注漿壓力取0.3～0.4 MPa。

圖9 不同注漿壓力左線開挖完監(jiān)測斷面橫向沉降曲線

圖10 不同注漿壓力雙線開挖完監(jiān)測斷面橫向沉降曲線

3 實測地表沉降分析

3.1 地表沉降值與監(jiān)測結(jié)果對比

實際施工中沙堤隧道左線掘進140余環(huán)后,右線再始發(fā)掘進,且左線為臨近房屋的隧道,故本節(jié)主要針對左線開挖引起的擾動影響進行分析研究。根據(jù)現(xiàn)場實際布設(shè)的監(jiān)測點,選取左線隧道中線DK7+422.3(對應管片第22環(huán))處的1個地表監(jiān)測點D4-7和房屋地基的4個角點J1、J2、J3、J4進行分析，監(jiān)測點布置如圖6所示。

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),D4-7監(jiān)測點豎向位移的時程曲線如圖11所示。從圖11可以看出：在左線隧道掘進過程中,地表監(jiān)測點沉降可以分為4個階段：前期擾動(S1)、通過擾動(S2)、停機影響(S3)、后期擾動(S4)。因掘進參數(shù)控制良好,前12環(huán)的施工對監(jiān)測點沉降影響很小,量值在4 mm以內(nèi),前期擾動范圍為刀盤前方5環(huán)(即12～17環(huán)),當?shù)侗P通過監(jiān)測斷面時,沉降值開始急劇增加,在掘進通過監(jiān)測斷面1環(huán)后,D4-7測點的位移為27.85 mm。隨后盾構(gòu)機停機1 d,對地表沉降影響較大,引起D4-7測點的位移為57.11 mm。

圖11 左線隧道實測監(jiān)測點沉降時程曲線

如圖11所示因后期擾動影響較小,故只對前3個階段位移進行分析。各階段占總沉降比例如圖12所示,D4-7測點位移比值：S1∶S2∶S3=1∶1.93∶3.08?？梢钥闯?當盾構(gòu)采用合理的掘進參數(shù),對地表沉降影響最大的是刀盤通過和停機的影響,因停機會對地表造成很大的沉降,施工中需盡量避免停機，如無法避免應提前做好防范措施。

圖12 不同階段沉降占總沉降比例

數(shù)值模擬中D4-7監(jiān)測點對應位置處的豎向位移變化時程曲線如圖13所示。對比圖11、圖13,可以看出實測值要大于計算值,主要有如下幾個方面的原因：停工對土體沉降造成很大影響,大約占總沉降的51.23%；軟件中很難對土壓平衡盾構(gòu)施工實現(xiàn)全過程精確化模擬；實際施工中地質(zhì)條件復雜、施工影響因素更多。但模擬與實測的沉降變化規(guī)律及擾動的影響范圍是基本一致的,因此，該模擬手段對實際工程具有一定指導作用。

圖13 左線隧道模擬監(jiān)測點沉降時程曲線

對于建筑物基礎(chǔ)監(jiān)測點J1、J2、J3、J4,其實測時程曲線如圖14所示,數(shù)值模擬的時程曲線如圖15所示。從圖14可以看出,房屋基礎(chǔ)的沉降與地表沉降具有類似的規(guī)律,沉降值變大出現(xiàn)在刀盤掘進至離監(jiān)測點5環(huán)左右的位置,在9環(huán)～12環(huán)拼裝過程中,基礎(chǔ)的沉降有一個緩慢波動,數(shù)值在1～5 mm。沉降在12環(huán)后開始急劇增加,在刀盤到達時,J2、J4測點沉降達到近期最大值,停機對測點的沉降影響較小,在22環(huán)管片拼裝后大約4環(huán),測點的沉降基本穩(wěn)定,4個測點的數(shù)值基本穩(wěn)定在3～5 mm。

圖14 房屋基礎(chǔ)實測監(jiān)測點沉降時程曲線

圖15 房屋基礎(chǔ)模擬監(jiān)測點沉降時程曲線

對比圖14、圖15,實際施工中土艙壓力和推力是動態(tài)變化的,地基監(jiān)測點的實測值稍大于計算值,但差別不大,且兩者的變化規(guī)律及擾動影響范圍也是基本一致的。證明該模擬方法在實際工程中效果較好。

3.2 實際掘進參數(shù)分析

圖16、圖17為實際施工中左線隧道前50環(huán)掘進中采用的土艙壓力和注漿壓力。由圖16可知,實際土艙壓力由上、下、左、右四部分組成。本工程盾構(gòu)掘進過程中的土艙壓力是動態(tài)變化的,上土艙壓力值穩(wěn)定在240～250 kPa,下土艙壓力值基本穩(wěn)定在70～80 kPa,左、右土艙壓力值基本穩(wěn)定在120～140 kPa。上、下土艙變化呈相反變化規(guī)律,當兩者平均值等于左、右土艙壓力時,證明盾構(gòu)處在穩(wěn)定掘進狀態(tài)。從圖17可知,始發(fā)端前6環(huán),為防止地下水涌入及維持端頭穩(wěn)定,注漿壓力偏高,后期注漿壓力維持在0.4 MPa左右。

圖16 左線0～50環(huán)土艙壓力曲線

圖17 左線0～50環(huán)注漿壓力曲線

鑒于始發(fā)段初始幾環(huán)盾構(gòu)機未完全進入土層中,無法進行注漿,為防止涌水、涌砂、地面塌陷等事故出現(xiàn),建議選用較大土艙壓力、注漿壓力,以保障始發(fā)順利進行。當盾構(gòu)機完全進入土層后,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與實際選用參數(shù)對比可知：始發(fā)階段土艙壓力建議選用150～187.5 kPa(即1～1.25倍的開挖面水土壓力值),實際采用的土艙壓力平均值在150 kPa左右,調(diào)整空間在27.5 kPa左右,即施工中可以再適當升高土艙壓力；注漿壓力建議值為0.3～0.4 MPa,實際采用的參數(shù)在0.39～0.42 MPa,調(diào)整空間在0.1 MPa左右。

4 結(jié)論

以廣佛環(huán)線沙堤隧道3號井始發(fā)段為背景,采用FLAC3D流固耦合模塊建立了相應模型,結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場掘進參數(shù)和沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),對盾構(gòu)施工引起的地表沉降、建筑物擾動進行深入研究,并得出以下結(jié)論。

(1)從數(shù)值模擬結(jié)果來看,地表沉降是與掘進參數(shù)密切相關(guān)的,適當增大土艙壓力、注漿壓力都可以減小地表的沉降；土艙壓力的增大比注漿壓力對地表的影響更加明顯；無論是土艙壓力還是注漿壓力都有一個合理值,超過以后對沉降的控制效果不大明顯。

(2)實測結(jié)果顯示,盾構(gòu)施工引起的地表沉降及建筑物沉降由前期擾動(S1)、通過擾動(S2)、停機影響(S3)、后期擾動(S4)4部分組成,根據(jù)隧道中線監(jiān)測點D4-7的實測數(shù)據(jù),前3部分位移比值為S1∶S2∶S3=1∶1.93∶3.08?？梢钥闯?，停機對地表沉降影響很大,施工中需盡量避免停機，如無法避免應提前做好防范措施；盾構(gòu)掘進對地表及建筑物較為明顯的擾動始于刀盤到達目標斷面前5環(huán)(8 m),止于目標斷面的管片拼裝后4環(huán)(6.4 m)。

(3)結(jié)合實測結(jié)果與模擬結(jié)果：始發(fā)階段土艙壓力建議選用1～1.25倍的開挖面水土壓力值,注漿壓力建議選用0.3～0.4 MPa,實際采用的掘進參數(shù)仍有一定的調(diào)整空間。施工中應根據(jù)地層情況,及時調(diào)整相關(guān)的掘進參數(shù),減小施工造成的影響。