戴志成,封 坤,徐 凱,林 輝,吳文彪

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(dòng)化程度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在穿越河流、密集建筑物等復(fù)雜施工環(huán)境中廣泛采用[1]。然而盾構(gòu)掘進(jìn)不可避免會(huì)對(duì)土體和地下水產(chǎn)生擾動(dòng),從而引起地層的擾動(dòng)變形,對(duì)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(jìn)參數(shù)是進(jìn)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(jìn)參數(shù),確保盾構(gòu)順利掘進(jìn)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(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)的適應(yīng)性問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工程實(shí)測(cè)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(duì)天津某盾構(gòu)工程,對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)周圍地表沉降影響進(jìn)行了敏感性分析及風(fēng)險(xiǎn)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(xué)模型,研究了盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物內(nèi)力及沉降的影響。JENCK等[10]通過FLAC3D軟件對(duì)鄰近建筑物的隧道開挖進(jìn)行了研究,認(rèn)為鄰近建筑物的剛度對(duì)地表沉降有較大的影響,因此有必要對(duì)建筑物區(qū)域進(jìn)行加固防護(hù)。漆泰岳等[11]通過FLAC3D軟件對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。張恒等[12]依托深圳地鐵5號(hào)線,通過數(shù)值模擬的手段研究掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響,并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)應(yīng),認(rèn)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(duì)巖體裂解過程的影響,數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際基本吻合，即TBM的掘進(jìn)速率與巖體脆性呈正相關(guān)。

在模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面,王洪新等[14]根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果,推導(dǎo)了土壓盾構(gòu)施工中的平衡關(guān)系式和關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。江英超等[15]以φ800 mm模型盾構(gòu)機(jī)開展室內(nèi)全斷面砂土的掘進(jìn)試驗(yàn),并結(jié)合理論分析、數(shù)值分析,認(rèn)為土體狀態(tài)和盾尾注漿對(duì)地層沉降有重要影響。李明陽(yáng)等[16]針對(duì)廣州地鐵3號(hào)線某隧道區(qū)間,對(duì)復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)進(jìn)行了模擬,結(jié)合實(shí)際掘進(jìn)參數(shù),論證了分析方法的有效性。魏新江等[17]針對(duì)杭州地鐵1號(hào)線監(jiān)測(cè)結(jié)果,研究了掘進(jìn)參數(shù)之間的關(guān)系及掘進(jìn)參數(shù)對(duì)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(jìn)參數(shù)與地表沉降的關(guān)系。馮曉燕[19]針對(duì)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(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律。

綜上可見,目前針對(duì)盾構(gòu)隧道施工對(duì)環(huán)境擾動(dòng)行為的研究較多,但對(duì)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(duì)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(duì)不同土艙壓力、不同注漿壓力的工況進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合對(duì)實(shí)際工程的地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降及鄰近建筑物的變形進(jìn)行了對(duì)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(hào)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(jìn),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(yīng)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(jìn)順利及降低鄰近建筑物的風(fēng)險(xiǎn),施工前在始發(fā)段進(jìn)行了一系列加固保護(hù)：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(zhǎng)19 m,在鉆孔樁外側(cè)設(shè)置1排φ800@650高壓旋噴樁,樁長(zhǎng)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(jì)資料,計(jì)算選取了始發(fā)段的典型斷面,地層示意如圖4所示。計(jì)算采用FLAC3D有限差分軟件建立相應(yīng)三維流固耦合模型,模型中地表為自由面,并施加相應(yīng)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(jī)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(shí)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(jì)算涉及的地層參數(shù)及水力學(xué)參數(shù)來自《沙堤隧道地質(zhì)勘查報(bào)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(jì)資料,具體如表1所示。

圖4 計(jì)算斷面地層地質(zhì)條件示意(單位：m)

圖5 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

針對(duì)數(shù)值模型,計(jì)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：?jiǎn)未伍_挖模擬的循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m(1環(huán)管片)；改變單元性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hù)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(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)的整個(gè)開挖過程。根據(jù)文獻(xiàn)[20-21]中的盾構(gòu)開挖流固耦合數(shù)值模擬流程,每個(gè)開挖步內(nèi)先進(jìn)行力學(xué)計(jì)算,后進(jìn)行流固耦合計(jì)算至設(shè)定時(shí)間。計(jì)算中左線先始發(fā),右線后開挖,與實(shí)際施工一致。

表1 土層及材料主要參數(shù)

2.2 計(jì)算工況及監(jiān)測(cè)斷面

根據(jù)自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得到開挖面中心點(diǎn)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(xiàn)[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(jìn)行計(jì)算；為研究不同注漿壓力對(duì)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

為研究隧道始發(fā)掘進(jìn)對(duì)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(cè)斷面,并分別對(duì)建筑物基礎(chǔ)的4個(gè)角點(diǎn)處的沉降值進(jìn)行了監(jiān)測(cè),如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)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(shí)調(diào)整掘進(jìn)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(jìn)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(duì)平衡來保持開挖面的穩(wěn)定。在實(shí)際施工過程中,土艙壓力處在一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。當(dāng)其過高時(shí),會(huì)引起地層隆起產(chǎn)生擠壓破壞；過低時(shí),會(huì)導(dǎo)致土體發(fā)生失控的塑性流動(dòng),開挖面坍塌,引起過大地表位移；盾構(gòu)施工時(shí)盾殼與管片襯砌之間存在空隙,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)時(shí),脫出盾尾的管片將暴露在地層中,周圍土體向隧道圓心運(yùn)動(dòng)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(diǎn)對(duì)土艙壓力和注漿壓力對(duì)地表沉降的影響進(jìn)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(hù)壓力下左線開挖和雙線開挖完成后監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降曲線?？梢钥闯鲎缶€開挖完成時(shí),監(jiān)測(cè)斷面地表沉降以左線中線為軸呈近似“V”形分布；當(dāng)雙線都開挖完成時(shí),因?yàn)槭┕さ寞B加效應(yīng),沉降槽曲線加深加寬,左、右線地表沉降不完全對(duì)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(dāng)土艙壓力加到1.5σ0,地表沉降反而增大；土艙壓力達(dá)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(dāng)土艙壓力與前方掌子面的水土壓力相近時(shí),沉降控制效果較好,當(dāng)推力加大至1.5σ0,會(huì)對(duì)土體造成較大擾動(dòng),不僅無法有效控制地表沉降,且刀盤的擠壓作用也可能會(huì)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(hù)壓力下左線開挖完監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降曲線

圖8 不同支護(hù)壓力下雙線開挖完監(jiān)測(cè)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(hù)壓力下左線開挖、雙線開挖完成后監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降曲線。雙線都開挖完較單線開挖時(shí),地表沉降有一個(gè)疊加效應(yīng),沉降槽曲線加寬但不明顯,左、右線地表沉降不完全對(duì)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(huì)對(duì)地層造成擾動(dòng),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(huì)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(cè)斷面橫向沉降曲線

圖10 不同注漿壓力雙線開挖完監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降曲線

3 實(shí)測(cè)地表沉降分析

3.1 地表沉降值與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

實(shí)際施工中沙堤隧道左線掘進(jìn)140余環(huán)后,右線再始發(fā)掘進(jìn),且左線為臨近房屋的隧道,故本節(jié)主要針對(duì)左線開挖引起的擾動(dòng)影響進(jìn)行分析研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn),選取左線隧道中線DK7+422.3(對(duì)應(yīng)管片第22環(huán))處的1個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4-7和房屋地基的4個(gè)角點(diǎn)J1、J2、J3、J4進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),D4-7監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移的時(shí)程曲線如圖11所示。從圖11可以看出：在左線隧道掘進(jìn)過程中,地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降可以分為4個(gè)階段：前期擾動(dòng)(S1)、通過擾動(dòng)(S2)、停機(jī)影響(S3)、后期擾動(dòng)(S4)。因掘進(jìn)參數(shù)控制良好,前12環(huán)的施工對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降影響很小,量值在4 mm以內(nèi),前期擾動(dòng)范圍為刀盤前方5環(huán)(即12～17環(huán)),當(dāng)?shù)侗P通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí),沉降值開始急劇增加,在掘進(jìn)通過監(jiān)測(cè)斷面1環(huán)后,D4-7測(cè)點(diǎn)的位移為27.85 mm。隨后盾構(gòu)機(jī)停機(jī)1 d,對(duì)地表沉降影響較大,引起D4-7測(cè)點(diǎn)的位移為57.11 mm。

圖11 左線隧道實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

如圖11所示因后期擾動(dòng)影響較小,故只對(duì)前3個(gè)階段位移進(jìn)行分析。各階段占總沉降比例如圖12所示,D4-7測(cè)點(diǎn)位移比值：S1∶S2∶S3=1∶1.93∶3.08。可以看出,當(dāng)盾構(gòu)采用合理的掘進(jìn)參數(shù),對(duì)地表沉降影響最大的是刀盤通過和停機(jī)的影響,因停機(jī)會(huì)對(duì)地表造成很大的沉降,施工中需盡量避免停機(jī)，如無法避免應(yīng)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(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處的豎向位移變化時(shí)程曲線如圖13所示。對(duì)比圖11、圖13,可以看出實(shí)測(cè)值要大于計(jì)算值,主要有如下幾個(gè)方面的原因：停工對(duì)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(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工實(shí)現(xiàn)全過程精確化模擬；實(shí)際施工中地質(zhì)條件復(fù)雜、施工影響因素更多。但模擬與實(shí)測(cè)的沉降變化規(guī)律及擾動(dòng)的影響范圍是基本一致的,因此，該模擬手段對(duì)實(shí)際工程具有一定指導(dǎo)作用。

圖13 左線隧道模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

對(duì)于建筑物基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)J1、J2、J3、J4,其實(shí)測(cè)時(shí)程曲線如圖14所示,數(shù)值模擬的時(shí)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(jìn)至離監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(gè)緩慢波動(dòng),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(dá)時(shí),J2、J4測(cè)點(diǎn)沉降達(dá)到近期最大值,停機(jī)對(duì)測(cè)點(diǎn)的沉降影響較小,在22環(huán)管片拼裝后大約4環(huán),測(cè)點(diǎn)的沉降基本穩(wěn)定,4個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值基本穩(wěn)定在3～5 mm。

圖14 房屋基礎(chǔ)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖15 房屋基礎(chǔ)模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

對(duì)比圖14、圖15,實(shí)際施工中土艙壓力和推力是動(dòng)態(tài)變化的,地基監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值稍大于計(jì)算值,但差別不大,且兩者的變化規(guī)律及擾動(dòng)影響范圍也是基本一致的。證明該模擬方法在實(shí)際工程中效果較好。

3.2 實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)分析

圖16、圖17為實(shí)際施工中左線隧道前50環(huán)掘進(jìn)中采用的土艙壓力和注漿壓力。由圖16可知,實(shí)際土艙壓力由上、下、左、右四部分組成。本工程盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的土艙壓力是動(dòng)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(dāng)兩者平均值等于左、右土艙壓力時(shí),證明盾構(gòu)處在穩(wěn)定掘進(jìn)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(jī)未完全進(jìn)入土層中,無法進(jìn)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(jìn)行。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入土層后,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際選用參數(shù)對(duì)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(shí)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(dāng)升高土艙壓力；注漿壓力建議值為0.3～0.4 MPa,實(shí)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(hào)井始發(fā)段為背景,采用FLAC3D流固耦合模塊建立了相應(yīng)模型,結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降、建筑物擾動(dòng)進(jìn)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(jìn)參數(shù)密切相關(guān)的,適當(dāng)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(duì)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(gè)合理值,超過以后對(duì)沉降的控制效果不大明顯。

(2)實(shí)測(cè)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(dòng)(S1)、通過擾動(dòng)(S2)、停機(jī)影響(S3)、后期擾動(dòng)(S4)4部分組成,根據(jù)隧道中線監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4-7的實(shí)測(cè)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(jī)對(duì)地表沉降影響很大,施工中需盡量避免停機(jī)，如無法避免應(yīng)提前做好防范措施；盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表及建筑物較為明顯的擾動(dòng)始于刀盤到達(dá)目標(biāo)斷面前5環(huán)(8 m),止于目標(biāo)斷面的管片拼裝后4環(huán)(6.4 m)。

(3)結(jié)合實(shí)測(cè)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(shí)際采用的掘進(jìn)參數(shù)仍有一定的調(diào)整空間。施工中應(yīng)根據(jù)地層情況,及時(shí)調(diào)整相關(guān)的掘進(jìn)參數(shù),減小施工造成的影響。