肖國(guó)微，王丁杰

（1、廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州510620；2、中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢430074）

0 引言

隨著我國(guó)城市地下綜合管廊（簡(jiǎn)稱“綜合管廊”）建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)法施工在綜合管廊中的應(yīng)用也日益普遍。盾構(gòu)在施工過程中，工程地質(zhì)條件是影響地層擾動(dòng)以及變形的重要因素。上軟下硬地層是盾構(gòu)施工中一種常見的復(fù)雜地質(zhì)條件，因上部軟弱土體強(qiáng)度較小，穩(wěn)定性較差，而下部硬巖力學(xué)性能較好，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中易使盾構(gòu)姿態(tài)失穩(wěn)，造成土體超挖，引起較大的地層損失，甚至嚴(yán)重的地表沉降等工程問題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)所引起的地表沉降等問題，做了一系列的研究與分析，并給出了相應(yīng)的工程建議。文獻(xiàn)［1-3］利用對(duì)盾構(gòu)隧道在上軟下硬的工程地質(zhì)條件下，施工引起的橫向地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析以驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可靠性。文獻(xiàn)［4-9］根據(jù)不同的地質(zhì)情況選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，合適的施工參數(shù)可以有效地提高掘進(jìn)效率，減少刀具磨損以及保持開挖面穩(wěn)定。

但以上研究只是針對(duì)籠統(tǒng)意義上的復(fù)合地層，所研究的復(fù)合土層僅是軟硬土比例各一半，未對(duì)地層形式進(jìn)行細(xì)化分析，與工程實(shí)際結(jié)合得不太貼切。本文采用在不同軟硬巖高度比的概念去分析支護(hù)壓力等施工參數(shù)，結(jié)合工程需求去精細(xì)化、優(yōu)化施工過程，減少對(duì)地層的擾動(dòng)和破壞，避免造成不必要的損失。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州某地下綜合管廊與道路快捷化改造配套工程是廣州市政府重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，全長(zhǎng)約為16.3 km，管廊盾構(gòu)段全場(chǎng)約2.65 km，隧道直徑為6 000 mm，管片厚度300 mm，內(nèi)徑5 400 mm，環(huán)寬1 500 mm，采用一臺(tái)直徑為6 300 mm的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，機(jī)身長(zhǎng)度為8 750 mm。

1.2 工程地質(zhì)

據(jù)地質(zhì)鉆探資料表明，盾構(gòu)段主要出露①第四系人工填土層、②第四系全新統(tǒng)沖積層、③第四系上更新統(tǒng)沖積層及④殘積層、基巖為⑤三疊系和⑧石炭系等沉積巖。始發(fā)段地層主要為①2人工填土層、③4流塑淤泥質(zhì)土、④2可塑粉質(zhì)粘土、⑧1強(qiáng)風(fēng)化帶石灰?guī)r、⑧2微風(fēng)化石灰?guī)r；如圖1 所示。

圖1 區(qū)間隧道地質(zhì)剖面Fig.1 Interval Tunnel Geological Profile

在盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)僅有低洼處分布有零星的地表水，對(duì)工程基本無影響。地下水主要為上層滯水以及巖溶裂隙水，上層滯水主要賦存于人工填土層，為第四系孔隙性潛水，但含水量有限；巖溶裂隙水主要賦存在石炭系的石灰?guī)r和炭質(zhì)頁(yè)巖溶蝕裂隙中，水位埋深一般介于1.40～3.50 m 之間，故在模型中設(shè)置水位為2.14 m，不考慮地下水與土體的耦合作用。

1.3 施工難點(diǎn)

由于盾構(gòu)掘進(jìn)路線中存在同一斷面巖性不均一的土體，這給掘進(jìn)施工造成極大的困難。盾構(gòu)隧道線路周邊管線及建構(gòu)筑較多，需減少地表沉降以確保眾多建構(gòu)筑物的安全。隧道穿越巖溶發(fā)育強(qiáng)度不一的灰?guī)r以及上軟下硬地層，易造成上部土體沉降量過大、刀具磨損嚴(yán)重、盾構(gòu)糾偏過大等問題。

2 地表沉降因素的分析以及施工參數(shù)的選定

2.1 地表沉降因素分析

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，引起地層損失以及地層固結(jié)沉降的因素是極其復(fù)雜的，其主要因素可總結(jié)為以下幾個(gè)方面［10-11］:

2.1.1 掘進(jìn)壓力

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)施工時(shí)，挖掘面土體的水平支護(hù)力與原始側(cè)應(yīng)力的平衡關(guān)系決定著地表的沉降或隆起。當(dāng)土體受到的水平支護(hù)應(yīng)力過小時(shí)，掘進(jìn)面上方的土體為彌補(bǔ)地層損失而向隧道內(nèi)部移動(dòng)，從而導(dǎo)致土體沉陷；當(dāng)開挖面土體所受水平支護(hù)力大于原始側(cè)應(yīng)力時(shí)，則掘進(jìn)面上部土體會(huì)向前或向上位移，引起掘進(jìn)面前部土體隆起。

2.1.2 注漿壓力

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾部脫出后，因盾構(gòu)外徑和管片之間存在一定的間隙，造成土體應(yīng)力松弛，從而引起地層下沉，適宜的注漿壓力以及注漿量會(huì)在一定程度上對(duì)沉降量起到控制作用。其作用效果受注漿壓力以及漿液參數(shù)等因素影響，如若注漿壓力過小，則控制效果不明顯，反之，則會(huì)導(dǎo)致地表隆起。

2.1.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)在沿曲線或“仰頭”推進(jìn)時(shí)，需對(duì)盾構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行連續(xù)糾偏，而盾構(gòu)實(shí)際的挖掘面不是規(guī)則圓而是橢圓，會(huì)導(dǎo)致土體超挖的現(xiàn)象發(fā)生，增大了地層損失的可能性，進(jìn)而引發(fā)地表沉降。

2.2 模擬土層的選取

2.2.1 土層復(fù)合高度比

在分析過程中，為了能夠更好地對(duì)不同比例的上軟下硬復(fù)合地層進(jìn)行理解，引用軟硬復(fù)合地層高度比B的概念［5］，如圖2 所示。

圖2 某綜合管廊盾構(gòu)區(qū)間復(fù)合地層示意圖Fig.2 Composite Stratigraphic of a Integrated Tunnel Shield Section

軟硬復(fù)合地層高度比B 是指隧道斷面軟弱部分的高度與隧道斷面總高度（隧道直徑）之比：

式中：B 為軟硬復(fù)合地層的高度比；h 為上部軟弱地層的高度；H 為隧道斷面總高度。

2.2.2 分析斷面的選取

當(dāng)盾構(gòu)在不同地層中掘進(jìn)時(shí)，為了能夠使對(duì)比更加直觀和簡(jiǎn)便，選取5個(gè)埋深約為18 m的典型斷面，斷面（1）、斷面（2）、斷面（3）、斷面（4）、斷面（5）分別相對(duì)于隧道位置的354 環(huán)、398 環(huán)、446 環(huán)、485 環(huán)和527環(huán)，其斷面的軟硬土高度復(fù)合比依次為100%、75%、50%、25%、0%。分別在以上管片所對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以軸線為中心，測(cè)點(diǎn)以3 m、3 m、5 m的距離相隔，如圖3 所示。

圖3 隧道典型斷面位置示意圖Fig.3 Location of Typical Section of Tunnel

3 Midas 有限元模擬

依據(jù)關(guān)于軟硬復(fù)合地層高度比定義的闡述，結(jié)合實(shí)際地層分布情況以及地勘資料，本文選用Midas GTS 構(gòu)建5個(gè)不同高度比地層的三維有限元模型，來分析在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，支護(hù)壓力的選取對(duì)不同復(fù)合比地層的地層沉降影響分析。

3.1 模型的尺寸和網(wǎng)格劃分

本節(jié)擬建立5個(gè)大小為80 m（x）×140 m（y）×50 m（z）的隧道分析模型，單元數(shù)總共為36 963個(gè)。盾構(gòu)穿過軟硬復(fù)合高度比分別為100%（模型1）、75%（模型2）、50%（模型3）、25%（模型4）、0%（模型5）的典型斷面所在的地層。在三維有限元分析模型中，除盾殼、注漿層、隧道襯砌管片采用2D 板單元模擬外，其余材料均為3D 實(shí)體單元。其所分析的三維計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 有限元計(jì)算模型Fig.4 Finite Element Model

3.2 邊界條件

在盾構(gòu)隧道施工階段應(yīng)力分析中，主要有3 種邊界條件需要考慮；第1 種為位移邊界條件，即對(duì)模型土體周圍施加相對(duì)應(yīng)的約束（模型前后面約束x 方向移動(dòng)；左右面約束方向y 移動(dòng)；模型底部約束x、y、z 方向移動(dòng)），以此來防止模型的軸向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，Midas GTS的自動(dòng)位移邊界能夠滿足所研究對(duì)象的位移邊界需求。

3.3 材料參數(shù)的設(shè)定

依據(jù)綜合管廊盾構(gòu)段詳細(xì)勘察報(bào)告以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，該盾構(gòu)隧道內(nèi)各土層、材料的參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 土層材料參數(shù)Tab.1 Soil Material Parameters

表2 材料參數(shù)Tab.2 Material Parameters

3.4 施工階段模擬

施工階段的模擬是以實(shí)際開挖工序?yàn)榛A(chǔ)，借助Midas GTS 施工階段應(yīng)力分析完成數(shù)值計(jì)算。注漿壓力以及千斤頂力的選定，均根據(jù)施工方案以及理論計(jì)算的優(yōu)化，如表3 所示。

表3 模擬開挖參數(shù)Tab.3 Simulated Excavation Parameters

4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

分別將5個(gè)典型斷面與其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其整體沉降云如圖5 所示。

圖5 模型整體沉降云圖Fig.5 Model Overall Settlement Cloud Map

受文章篇幅所限，本節(jié)僅取模型1 截面的沉降曲線進(jìn)行分析，為了減小邊界效應(yīng)，分析斷面為y=40的中間斷面，如圖6 所示。

圖6 模型1 斷面橫向沉降曲線Fig.6 Model 1 Lateral Settlement Curve

由圖7 可知：由于實(shí)際施工中的多重因素對(duì)地表沉降產(chǎn)生影響，典型斷面數(shù)值模擬的沉降槽與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稍有差異，但形態(tài)大體相同，均符合盾構(gòu)開挖致使地表沉降的分布形態(tài)規(guī)律。在隧道目標(biāo)斷面的軸線處對(duì)應(yīng)了地表沉降的最大值，隨著軟硬土復(fù)合高度比的逐漸減?。ㄜ浲梁穸戎饾u減?。?，其沉降值也在不斷降低，100%軟土模型斷面沉降值為4.09 mm，0%軟土的沉降值為2.20 mm。隨著分析模型軟硬土復(fù)合高度比的減小，與軸線距離相同點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的沉降量也逐漸減小，其沉降槽的寬度逐漸變小。

圖7 橫向地表沉降實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of Measured and Simulated Data of Axial Surface Subsidence

5 復(fù)合地層中的沉降控制措施

5.1 姿態(tài)控制應(yīng)對(duì)措施

盾構(gòu)在上軟下硬土地層中掘進(jìn)過程中，由于軟硬土的力學(xué)性質(zhì)差異會(huì)造成刀盤受力不均，盾構(gòu)的姿態(tài)容易改變，造成盾構(gòu)的姿態(tài)以及掘進(jìn)方向的控制較困難。因此采取以下措施：

⑴盾尾與主體的連接方式為鉸接式，以減小盾構(gòu)的長(zhǎng)徑比，使盾構(gòu)在調(diào)節(jié)方向時(shí)更加靈活。

⑵定期人工測(cè)量復(fù)核

為確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向的可靠性和精準(zhǔn)性，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)裝有SLS-T 盾構(gòu)激光導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Χ軜?gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、軸線以及位置關(guān)系等進(jìn)行精確的測(cè)量和顯示。除此之外，對(duì)該系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性的人工校核，以確保盾構(gòu)機(jī)能夠沿隧道軸線方向掘進(jìn)。

⑶在圓周方向設(shè)置4 組推進(jìn)油缸，每組油缸的推進(jìn)壓力可以單獨(dú)控制調(diào)節(jié)，方便進(jìn)行糾偏及偏選油壓，以便能夠及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)和掘進(jìn)方向。

⑷刀盤四周加裝8 把保徑刀，確保刀盤在主切削刀磨損后仍能保證開挖范圍，減少盾構(gòu)姿態(tài)糾偏或形成卡筒體情況。

5.2 刀盤受力不均的應(yīng)對(duì)措施

在盾構(gòu)的掘進(jìn)過程中，因刀盤直徑范圍內(nèi)的土體力學(xué)性能差異較大，易造成刀盤和刀具的不均勻磨損以及頻繁地更換刀具等問題，偏磨后的刀具在開挖過程中進(jìn)一步加大了盾構(gòu)姿態(tài)控制的困難程度。

⑴做好地質(zhì)勘探的補(bǔ)充工作，在地層起伏交界處進(jìn)行鉆孔取樣，查清上軟下硬地層的具體情況。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中根據(jù)碴土情況以及軟硬巖的比例，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

⑵在上軟下硬地層中，因上層土體力學(xué)性能相對(duì)較差，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)易出現(xiàn)上抬現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)合理控制千斤頂?shù)耐七M(jìn)油壓，以確保盾構(gòu)機(jī)能按照設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)。

⑶在上軟下硬地段掘進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)采用高推力、低轉(zhuǎn)速，以減少刀具與巖土分界面的沖擊，以期達(dá)到降低磨損的效果。

5.3 盾構(gòu)機(jī)具的防磨損措施

由于盾構(gòu)機(jī)在含高強(qiáng)度巖層中進(jìn)行長(zhǎng)距離的掘進(jìn)，刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)都會(huì)受到較為嚴(yán)重的磨損，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，如何避免盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部位的嚴(yán)重磨損，是本工程中需要解決的重難點(diǎn)問題。

⑴通過在刀盤前端及土倉(cāng)內(nèi)注入足量的流塑狀粘土，對(duì)刀盤、刀具以及碴土之間起到全面的潤(rùn)滑作用，以達(dá)到改善碴土和易性的目的，形成不透水的塑流性土層，建立良好的土壓平衡形態(tài)，從而減低機(jī)具的磨損程度，提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

⑵在盾構(gòu)機(jī)選型中適當(dāng)加大刀盤開率，選用鑲嵌合金塊的寬刃滾刀和重型齒刀，其中心為魚尾刀，周邊為單刃滾刀，滾刀兩側(cè)同一軌跡線加焊貝殼刀來保護(hù)滾刀（貝殼刀比滾刀短5～10 mm）；實(shí)踐證明此措施能夠有效降低無功消耗，提高盾構(gòu)的掘進(jìn)效率。

⑶推進(jìn)時(shí)采用土壓平衡模式掘進(jìn)，其推進(jìn)速度、掘進(jìn)壓力以及扭矩等施工參數(shù)要根據(jù)軟硬土比例的不同進(jìn)行調(diào)整和控制，還應(yīng)經(jīng)常轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向。通過嚴(yán)格盾構(gòu)掘進(jìn)壓力、推進(jìn)速度、推力以及刀盤扭矩等參數(shù)，既可保持開挖面的平衡和穩(wěn)定，又有利于保護(hù)刀具、降低磨損。

⑷加強(qiáng)刀盤的整體耐磨性，在刀盤面、進(jìn)碴口、刀盤輪緣等部位進(jìn)行焊接耐磨塊等處理。

⑸進(jìn)行有計(jì)劃的刀具檢查、更換，根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的變化判斷刀具的磨損量和適應(yīng)性。

⑹合理調(diào)整發(fā)泡劑參數(shù)，以改善碴土的流動(dòng)性及降低土倉(cāng)的溫度，能夠有效地降低刀具磨損以及偏磨的程度。

6 結(jié)論

通過模擬分析的土體沉降情況與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)后有較好的吻合，從而得出一些關(guān)于上軟下硬土的結(jié)論。其總結(jié)如下：

⑴沉降曲線以隧道軸線為對(duì)稱軸，且在隧道軸線處對(duì)應(yīng)著地層沉降的最大值。其地層沉降形態(tài)呈近似正態(tài)曲線分布，與peck 沉降槽大致相似。

⑵因地層軟硬土復(fù)合高度比不同，目標(biāo)橫斷面的沉降槽的寬度和沉降量也不盡相同，隨著開挖面范圍內(nèi)的上軟下硬土的復(fù)合高度比的增大，其沉降量也逐漸增大。

⑶在全軟土地層掘進(jìn)過程中，因土層地質(zhì)條件較差，掘進(jìn)壓力控制值較小，其地層沉降和隆起值均較大；反之，在全硬土地層中，地質(zhì)條件較好的情況下，對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)壓力較大，其地層沉降和隆起值均減小，其結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合。

⑷當(dāng)掘進(jìn)距離大于1 倍的盾構(gòu)外徑時(shí)，其地表沉降量較小；在盾構(gòu)1 倍外徑以內(nèi)至過斷面以后，地表沉降量持續(xù)大幅度增加，但在2～3 倍盾構(gòu)外徑以外增幅降低并逐漸趨于穩(wěn)定。

⑸結(jié)合工程中盾構(gòu)區(qū)間的施工技術(shù)方案、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及有限元模擬數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析和總結(jié)，給出相應(yīng)的施工措施，以期達(dá)到控制地表沉降的要求。