陳威 朱威 吳爽

（1、華北科技學(xué)院，北京101601 2、江蘇縱橫工程顧問(wèn)有限公司，江蘇 宿遷223800）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高，城市建設(shè)也在迅猛發(fā)展，城市用地規(guī)模和人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是一二線城市城市人口規(guī)模急劇增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車數(shù)量迅速增長(zhǎng)，而城市道路基礎(chǔ)設(shè)施明顯滿足不了需求。充分利用地下空間是解決城市地面交通擁堵問(wèn)題，推動(dòng)城市較好較快發(fā)展以及保護(hù)環(huán)境的最佳方式。

砂卵石地層廣泛分布在我國(guó)華北以及西南部地區(qū)[1-2]。砂卵石地層具有粘聚力幾乎為零，卵石分布具有隨機(jī)性，強(qiáng)度高以及高靈敏度等特點(diǎn)。在砂卵石地層中采用盾構(gòu)法施工時(shí)，地層受到擾動(dòng)超挖等影響會(huì)造成地層損失，細(xì)顆粒砂大量流失，卵石接觸形成孔洞，容易發(fā)生沉降或塌陷，對(duì)地面建筑造成不可逆轉(zhuǎn)的影響[3-4]，因此有必要對(duì)砂卵石地層隧道盾構(gòu)施工引起的地層變形以及地面沉降進(jìn)行分析，以期對(duì)類似工程提供參考和幫助。

1 工程概況及地層特性

北京地鐵16 號(hào)線萬(wàn)壽寺站- 國(guó)家圖書(shū)館站區(qū)間隧道全長(zhǎng)1489.947m?？v斷面上，萬(wàn)壽寺站- 國(guó)家圖書(shū)館站區(qū)間為倒“V”字坡，埋深范圍16～22m。盾構(gòu)施工從國(guó)家圖書(shū)館站始發(fā)，區(qū)間分別下穿南長(zhǎng)河、紫竹院內(nèi)湖、廣源大廈停車場(chǎng)，側(cè)穿紫竹橋橋樁，鄰近人濟(jì)山莊大樓等建筑。盾構(gòu)管片厚0.3m，內(nèi)徑5.8m，外徑6m，環(huán)寬1.2m，采用錯(cuò)縫拼接方式拼裝。

區(qū)間地質(zhì)情況：雜填土層，厚度為1～7m，分布不均；粉土層，厚度約為2m，埋深約為3～8m；粉質(zhì)粘土層，厚度為2～4m，共有三層，埋深約為4m，10m，12m；砂卵石地層，厚度較大，埋深范圍約為10～25m，包含卵石和粉細(xì)砂，夾雜少量的粉質(zhì)粘土。盾構(gòu)隧道主要穿越砂卵石地層，隧道覆土厚度為16～22m，盾構(gòu)從國(guó)家圖書(shū)館站向中間風(fēng)井掘進(jìn)，地層壓力逐漸增大。

2 大粒徑卵石

本段區(qū)間隧道范圍內(nèi)，分布的卵石層（主要為卵石⑤層、卵石⑦層、卵石⑨層和卵石1○層）中不均勻分布有大粒徑的漂石，其分布規(guī)律在空間上具有隨機(jī)性，無(wú)明顯的成層規(guī)律。根據(jù)附近人工探井資料和本次鉆探結(jié)果，本區(qū)間附近地表下10.0～25.00m 之間普遍分布卵石，粒徑＞20mm 的卵石約含64.07%，局部分布有大漂石，漂石的分布隨機(jī)性較強(qiáng)，其中在地面下20.0～25.00m 范圍內(nèi)，漂石含量較多，最大粒徑不小于300mm。大粒徑卵石會(huì)對(duì)隧道開(kāi)挖和注漿加固產(chǎn)生較大影響，處理不妥會(huì)對(duì)地表環(huán)境造成很大影響。

3 砂卵石地層盾構(gòu)引起的地層變形機(jī)理

砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散，顆粒粒徑大小不均，顆粒間無(wú)膠結(jié)力，粘聚力幾乎為零。卵石分布隨機(jī)，無(wú)規(guī)律，卵石間空隙大，被砂礫填充。地層受力主要以卵石點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸進(jìn)行傳力，屬于壓應(yīng)力傳遞，卵石之間的細(xì)小顆粒以及水分使得顆粒之間存在嚙合摩擦力[5-6]。

由于砂卵石地層具有松散的特性，所以在外界擾動(dòng)作用下卵石之間的嚙合摩擦力很容易發(fā)生改變，因此砂卵石地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定地層。此外在無(wú)水情況下，地層受力靠顆粒骨架傳力，地層具有較高的靈敏度，受力敏感。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)時(shí)必然會(huì)造成圍巖擾動(dòng)，如果掌子面壓力不足或者排土量大于削土量，那么位于掌子面上方便會(huì)產(chǎn)生較大空洞區(qū)。由于卵石地層的骨架效應(yīng)較好，在空洞區(qū)會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)土拱，在一定時(shí)間內(nèi)具有自穩(wěn)性，地層中的細(xì)沙會(huì)從卵石顆粒間下落，當(dāng)這個(gè)臨時(shí)拱再受到擾動(dòng)時(shí)又會(huì)被破壞，拱上方土體塌落又會(huì)形成新的臨時(shí)拱。如此反復(fù)，由于隧道開(kāi)挖引起的地層損失將傳至上一土層最終傳至地面形成沉降或塌陷。

4 盾構(gòu)施工地層變形表現(xiàn)形式

盾構(gòu)法施工引起的地層變形按照時(shí)間效應(yīng)主要可以分為五個(gè)階段：由于盾構(gòu)機(jī)擾動(dòng)或掌子面壓力過(guò)大引起的開(kāi)挖面之前位置的沉降或隆起，稱為先行沉降；受到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)影響導(dǎo)致的地層損失所引起的沉降或隆起，稱為到達(dá)時(shí)沉降；盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)檢測(cè)斷面，到整個(gè)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)是產(chǎn)生的沉降，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中盾殼與土體之間產(chǎn)生滑動(dòng)剪切，導(dǎo)致土體產(chǎn)生側(cè)向滑移，由此產(chǎn)生的地層變形稱為通過(guò)時(shí)沉降；盾構(gòu)機(jī)的盾殼直徑要略大于管片直徑，因此會(huì)產(chǎn)生空隙導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放，產(chǎn)生彈塑性變形，由此產(chǎn)生的地層變形稱為盾尾空隙沉降；施工結(jié)束后土體應(yīng)力重分布，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，受到擾動(dòng)的土體也會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，產(chǎn)生次固結(jié)沉降，稱為長(zhǎng)期固結(jié)沉降。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)地層信息選取合適區(qū)段進(jìn)行研究，利用Midas 軟件建立了一個(gè)（長(zhǎng)×寬×高）70m×24m×50m 的模型，如圖所示。根據(jù)文獻(xiàn)巖土體視為半空間無(wú)限體，隧道對(duì)于大于其3～5 倍范圍的土體影響較小，模型以外變形不予考慮。模型前后、左右和底面分別設(shè)置y 方向、x 方向和z 方向的約束，頂面為自由面。模型施加自重應(yīng)力，采用摩爾- 庫(kù)倫模型模擬巖土材料，采用彈塑性單元模擬管片，管片厚度為300mm，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比0.2。模擬施工采用開(kāi)挖- 盾殼支護(hù)- 管片支護(hù)的流程，共24 步。

6 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析

隧道縱向地表沉降歷時(shí)曲線與上文提到的變形曲線趨勢(shì)一致，也大致可分為五個(gè)階段，但由于數(shù)值模擬無(wú)法真實(shí)模擬出土拱效應(yīng)，所以模擬數(shù)據(jù)與下文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有所差別，但整體走勢(shì)一致。隧道開(kāi)挖對(duì)橫向地層影響較小，反彎點(diǎn)距開(kāi)挖軸線較近，所表現(xiàn)出的凹陷很明顯。盾殼上部收到的壓力為負(fù)，盾殼兩邊所受壓力較大。這是由于土拱效應(yīng)形成盾殼上部出現(xiàn)空洞，土拱的拱腳作用于盾殼兩邊，導(dǎo)致盾殼兩邊所受壓力較大。

7 盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

萬(wàn)壽寺站～國(guó)家圖書(shū)館站區(qū)間盾構(gòu)隧道每10～20 環(huán)在地表設(shè)置一個(gè)橫向檢測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置8～12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。3 個(gè)隧道軸線正上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。三個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降歷時(shí)曲線基本一致，都可以分為上文述的五個(gè)階段，現(xiàn)取DB24-08 測(cè)點(diǎn)進(jìn)一步分析。

第Ⅰ階段的沉降量較小，在開(kāi)挖面前方約有0.25mm 的隆起現(xiàn)象，這是由于掌子面的壓力稍大引起的，而在距刀盤前較遠(yuǎn)處已產(chǎn)生地層變形說(shuō)明砂卵石地層具有敏感性，隨后由于盾構(gòu)開(kāi)挖的擾動(dòng)在刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)之前已有一部分的先行沉降，這部分的沉降量較小。

隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，刀盤到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置，切削土體導(dǎo)致地層損失，地表沉降速率變大，沉降量迅速增長(zhǎng)，約為6mm。

在盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)時(shí)由于前一階段土體已有地層損失，在此階段由于卵石的特殊屬性，地層產(chǎn)生了臨時(shí)性的平衡土拱，抵抗了地層的進(jìn)一步變形。

在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)由于存在盾尾空隙以及臨時(shí)拱的破壞導(dǎo)致地層變形進(jìn)一步的增加，而且增加速率較大，其中在第Ⅳ階段可以看出有一小段的平臺(tái)段，根據(jù)上文介紹這是由于臨時(shí)拱在破壞后，地層進(jìn)一步變形，而地層損失又會(huì)導(dǎo)致此臨時(shí)土拱之上又產(chǎn)生新的臨時(shí)土拱，從而阻礙了地層的進(jìn)一步變形。

在第Ⅴ階段，由于盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離了檢測(cè)面，盾構(gòu)機(jī)對(duì)此位置的土體影響很小，土體應(yīng)力重分布，產(chǎn)生固結(jié)沉降，同時(shí)也伴隨著蠕變現(xiàn)象，最終地層趨于穩(wěn)定。

圖1 實(shí)測(cè)點(diǎn)沉降量歷時(shí)曲線

圖2 測(cè)點(diǎn)DB24-08 沉降量隨開(kāi)挖面變化關(guān)系曲線

8 結(jié)論

以北京地鐵16 號(hào)線萬(wàn)壽寺站～國(guó)家圖書(shū)館站區(qū)間隧道土壓平衡式盾構(gòu)法掘進(jìn)為研究對(duì)象，結(jié)合土拱效應(yīng)理論以及砂卵石的特殊性質(zhì)對(duì)砂卵石地層隧道開(kāi)挖引起的地表沉降進(jìn)行分析及規(guī)律總結(jié)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）由于砂卵石地層的特殊性質(zhì)，砂卵石地層對(duì)于擾動(dòng)具有敏感性，盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)引起的地表沉降具有明顯的滯后性，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)沉降曲線有一段平臺(tái)，地表沉降不明顯。（2）砂卵石地層地表橫斷面沉降槽較窄，反彎點(diǎn)距隧道中心較近，表現(xiàn)出明顯的凹陷型。（3）在盾構(gòu)機(jī)脫出后沉降速率迅速變大，但由于土拱效應(yīng)存在，沉降曲線不連續(xù)。這一階段的沉降累計(jì)值較大，沉降速率大，具有較大的危害性。