王京濤, 程樺,翟紅俠,郝英奇, 曹廣勇, 王寧青,余平

盾構穿越砂層對地表位移影響模型試驗研究

王京濤1, 2, 程樺1,翟紅俠1,郝英奇1, 曹廣勇1, 王寧青3,余平2

(1. 安徽建筑大學 安徽省建筑結構與地下工程實驗室, 安徽 合肥, 230601; 2. 合肥市軌道交通集團有限公司建設分公司, 安徽 合肥, 230601; 3. 銅陵寧青建筑勞務有限公司, 安徽 銅陵, 244000)

隧道盾構施工過程中不可避免遇到砂土地層, 砂土自穩(wěn)能力差, 掘進時易發(fā)生安全事故。通過在砂層中模擬盾構掘進及壁厚注漿, 研究平行隧道在埋深比和凈間距不同情況下施工階段地表位移的變化。研究結果表明, 左線開挖地表沉降曲線符合正態(tài)分布形式, 各階段沉降最大值同土體損失率呈線性關系, 土體損失率不變時, 地表沉降隨埋深比增加而減小, 平行隧道右線掘進時, 對既有左線地表上方產(chǎn)生位移影響, 最終沉降槽形狀相互交疊。壁后注漿過程中, 埋深比不變時, 位移值隨注漿率的增加而變大, 注漿率不變時, 注漿對地表抬升的效果隨埋深比增加而降低。

盾構掘進; 模型試驗; 地表沉降; 砂土地層; 壁后注漿

隧道盾構施工穿越砂土地層在城市軌道交通建設中較為常見, 由于砂土自穩(wěn)性差難以形成拱結構, 掘進時引起襯砌周圍土體位移, 地層中的土體位移會延伸至地表直至穩(wěn)定。地表沉降的主要原因是由于盾尾空隙和施工因素造成的地層損失, 若沉降值過大會對周圍環(huán)境造成安全隱患, 因此對盾構掘進過程中地表位移變化規(guī)律的研究尤為重要。

對于盾構施工引起地表位移變化的規(guī)律, 國內(nèi)外學者做過較多研究, Pcck[1]認為土體不排水時地表沉降槽體積與地層損失體積基本相同, 且沉降槽斷面形狀服從正態(tài)分布。鄭剛等[2]通過模型試驗研究了隧道開挖及注漿情況下地表變形的規(guī)律, 研究表明開挖后地表沉降可以用Peck公式預測, 最大沉降值與土體損失率之間呈線性關系。周小文等[3]研究了離心模型試驗下隧道開挖時地面沉降槽的形狀, 研究表明沉降槽的形狀與Peck提出的正態(tài)分布曲線吻合。而對于盾構開挖引起土體沉降目前主要通過壁后同步注漿的方式進行沉降控制, 補償因盾尾空隙造成的地層損失, 如馮寧寧[4]研究了注漿填充率不同情況下地表變形, 研究表明隧道埋深增加使得注漿對地表變形效果降低。

綜上所述, 研究主要針對單線隧道盾構施工引起地表變化的規(guī)律, 而目前對平行隧道盾構穿越砂層引起地表變化的規(guī)律尚缺乏研究。本文以合肥軌道交通5號線工程某平行隧道盾構區(qū)間為實例,通過相似原理設計了1g條件下的模型試驗(1g = 9.8 N/kg), 研究盾構掘進在左右線水平凈間距及埋深比不同情形下引起地表位移的變化規(guī)律。

1 模型試驗

1.1 試驗原理及相似關系

Altaee等[5]研究在1g情況下砂土地層中盾構模型試驗, 得出該情況下相似比理論, 本試驗以相似原理為基礎確定相似參數(shù)[6], 確定幾何相似比為60。

1.2 基本參數(shù)

試驗背景為合肥軌道交通5號線工程某區(qū)間段, 兩平行隧道間水平凈距約6 m, 盾構刀盤直徑為6.3 m, 襯砌由外徑6 m、內(nèi)徑5.4 m的混凝土管片拼裝而成。

1.3 盾構模型試驗裝置

盾構模型試驗箱如圖1所示, 箱體尺寸為1.5 m × 0.8 m × 0.7 m, 位移傳感器固定于橫梁上, 隧道模型兩頭連進出水管埋置于砂層中, 試驗箱的鋼板、玻璃擋板與砂之間存在摩擦, 但摩擦較小對模型試驗的影響可忽略[7]。

圖1 盾構模型試驗箱

1.4 模型材料

1.4.1 土體材料

試驗土體材料選取按國際土力學及巖土工程學會研究結果[8], 試驗土層選用標準砂, 通過篩分選取粒徑均小于0.85 mm, 干砂粒徑累計分布曲線如圖2所示。

為保證砂的均勻性, 通過砂雨法進行鋪灑, 落砂高度與密度關系如圖3所示, 選取落砂的高度為30 cm, 直剪試驗得砂的內(nèi)摩擦角為19.3°, 重度16.06 kN/m3, 原型與模型土體的參數(shù)如表1所示。

圖2 干砂粒徑累計分布曲線

1.4.2 模型試驗隧道

隧道模型材質(zhì)為有機玻璃, 根據(jù)相似比制作隧道模型外徑= 100 mm、壁厚15 mm, 隧道與外裹橡膠膜間注水體積的變化模擬隧道開挖和注漿的過程, 隧道模型如圖4所示, 原型與模型隧道的參數(shù)如表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 隧道參數(shù)對比表

圖4 隧道模型

1.5 平行隧道和監(jiān)測點布置

首先保持平行隧道間凈距為1, 將隧道布置在拱頂埋深為1、2和3的位置, 相當于隧道埋深比/取1、2、3, 再調(diào)整平行隧道間凈距為2、3, 共進行9組試驗。試驗主要研究地表位移的變化, 地表位移值通過激光位移傳感器讀數(shù)差值獲取, 布設精度為0.07mmHG-C1100型激光傳感器, 測點間距如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布置圖

1.6 試驗方法

(1) 排液法模擬隧道開挖。國內(nèi)外學者對盾構模型試驗開挖方法做過較多研究[9], 本次試驗采用排液法模擬開挖土體卸載和地層損失的過程[10], 由于隧道模型剛度大, 開挖卸載對地表影響較小, 因此試驗中忽略了土體卸載影響, 主要討論平面位置上盾尾空隙形成地層損失從而引起地表變化的影響。

盾構掘進時產(chǎn)生的盾尾空隙形成地層損失, 通過在隧道和橡膠膜之間排水模擬盾構開挖后土體損失的過程, 根據(jù)實際施工時盾尾空隙體積占隧道體積約10%, 計算得出試驗中盾尾空隙體積約235.5 ml。因此, 采用排液法模擬掘進過程中未及時同步注漿造成的地層損失, 首先在隧道與橡膠膜間注235.5 ml的水, 再將隧道埋入砂層中, 各階段排出隧道體積2% (47.1 ml) 的水, 從10%遞減至0%相當于土體損失率為10%, 實現(xiàn)左、右線隧道開挖的模擬。

(2) 模擬壁后注漿。實際盾構開挖時襯砌與土體間的建筑空隙通過同步注漿進行填充, 模型試驗在隧道和橡膠膜之間注水模擬壁后注漿過程, 試驗注漿率為120%～140%, 研究土體損失后注漿階段地表恢復的情況, 這里所指的注漿率為實際注漿量與理論開挖空隙的比值[11]。

圖6 C/D = 3左線開挖各個階段地表沉降曲線

2 試驗結果分析

2.1 左線隧道開挖

(1) 地表沉降曲線擬合分析。為研究左線開挖地表沉降變化規(guī)律, 進行了平行隧道間凈距為1且埋深比不同情況下試驗, 土體損失各個階段地表沉降值能夠通過高斯曲線擬合, 擬合曲線如圖6所示, 發(fā)現(xiàn)擬合程度較好, 驗證了Peck對沉降槽計算的合理性。并且各個階段沉降槽基本關于隧道中心線= 10對稱, 埋深比一定時, 沉降量隨土體損失率的增加而變大; 土體損失率一定時, 地表沉降隨著埋深比的增加而減小, 原因是由于砂層內(nèi)部產(chǎn)生了土拱效應[12]。埋深比增加沉降影響到地表的距離近似為4.2、6.4和9.8, 可知開挖對地表影響的范圍隨著埋深比的增加而變大。

(2) 地表沉降最大值和沉降槽寬度系數(shù)變化規(guī)律。各個階段土體損失后最大地表沉降值位于拱頂上方地表處, 圖7為不同埋深比時最大地表沉降值隨著土體損失率變化曲線, 可見隨著埋深比增加沉降速率降低, 最大沉降值與土體損失率之間基本上呈線性關系, 驗證了Shahin[13]等對砂土進行盾構開挖時得出最大沉降值與土體損失率之間的關系。

對以上土體損失各個階段地表沉降曲線求二階導得到拐點的橫坐標, 拐點到隧道中心線的距離即為沉降槽寬度系數(shù)。隨土體損失率變化曲線如圖8所示, 可知埋深比一定時隨著土體損失率的增加沉降槽寬度系數(shù)略有變小, 土體損失率一定時隨著埋深比增加沉降槽寬度系數(shù)變大, 使得沉降槽寬度越寬, 此處沉降槽寬度指對地表造成不利影響的距離[14], O'Reilly[15]認為實際工程中沉降槽寬度可以取6, 試驗中不同埋深比下對地表絕對影響的距離分別為7.9、6.5和6.9, 較為符合的驗證了O'Reilly對沉降槽寬度的取值。

圖7 最大地表沉降隨土體損失率變化曲線

圖8 沉降槽i隨土體損失率變化曲線

2.2 右線隧道開挖

(1) 隧道凈距不同情況下地表沉降規(guī)律。隧道左右線凈距不相同時, 左右線分別掘進結束后, 地表沉降曲線如圖9, 左右線開挖均會對互相上方地表產(chǎn)生影響, 但隨著隧道凈間距變大相互間影響逐變小, 且左右線沉降槽逐漸獨立, 不同于左線開挖時地表位移及沉降槽寬度變化。

(2) 不同埋深比的地表沉降規(guī)律。隨著埋深比的增加, 右線開挖結束后形成平行隧道時地表沉降曲線變緩, 但對地表影響的范圍變大, 且除疊加部分外, 其余處的地表沉降值隨著埋深比的增加均減小。

2.3 左線隧道壁后注漿

(1) 地表位移變化規(guī)律分析。盾構掘進同時進行壁后注漿可以有效地控制地層損失, 通過分析國內(nèi)盾構掘進實例, 表明注漿填充最終使得地層損失率保持在0.2%～3%[16]。本試驗通過注水模擬壁后同步注漿過程, 研究注漿率對地表位移的影響, 左線注漿各階段地表位移變化曲線如圖10所示, 可見注漿使得地表抬升, 隨埋深比增加, 注漿對地表影響范圍變大。

圖9 凈距1D右線開挖結束地表沉降曲線

圖10 C/D = 3左線注漿階段地表位移曲線

(2) 地表位移最大值變化規(guī)律分析。在埋深比不同情況下, 地表位移最大值隨著注漿率變化曲線如圖11所示, 位移最大值與注漿率呈線性關系, 隨著埋深比變大位移速率下降。

圖11 地表抬升最大值隨注漿率變化曲線

2.4 右線隧道壁后注漿

注漿對地表抬升使得地層損失率減小, 注漿結束后最終地表變化曲線如圖12、13所示, 圖中包括開挖后地表沉降曲線和注漿地表位移曲線。可見埋深1時注漿120%時, 地表基本恢復最初位置; 埋深2注漿140%時, 沉降恢復70%～80%, 隨埋深比增加注漿對地表位移效果減小。

3 結論

本文通過盾構施工模型試驗, 研究盾構隧道掘進及壁后注漿地表位移規(guī)律, 結論如下:

圖12 凈距1D地表位移變化對比曲線

圖13 凈距2D地表位移變化對比曲線

(1) 左線隧道掘進時, 土體損失各階段地表沉降曲線符合Peck提出的正態(tài)分布, 地表沉降最大值同土體損失率基本呈線性關系。地表沉降值隨埋深比/的增加而減小, 當隧道埋深一定時, 沉降槽寬度系數(shù)隨土體損失率增加而變小; 當土體損失率不變時, 沉降槽寬度系數(shù)隨埋深比的增加而變大, 對地表影響范圍變大;

(2) 平行隧道在右線盾構掘進過程中會對既有左線產(chǎn)生影響, 相對于單線掘進時, 使得沉降槽相互交疊, 由單線“V”狀變?yōu)?“W”狀, 并且隨著埋深比的增加, 右線開挖結束后地表沉降曲線變緩, 影響范圍變大;

(3) 壁后注漿階段, 在埋深比一定時, 隨埋深比增加注漿對地表影響的范圍變大, 注漿各階段最大位移值與注漿率之間呈線性關系, 抬升速率隨埋深比的增加而降低。注漿結束后,/= 1時的地表沉降基本上恢復原狀, 隨著埋深比的增加注漿對地表抬升效果降低。

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Model test study on influence of shield passing through sand layer on surface displacement

Wang Jingtao1, 2, Cheng Hua1, Zhai Hongxia1, Hao Yingqi1, Cao Guangyong1, Wang Ningqing3, Yu Ping2

(1. Anhui Provincial Building Structure and Underground Engineering Laboratory, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2. Hefei Rail Transit Group Co Ltd, Hefei 230601, China; 3.Tongling Ningqing Construction Labor Service Co Ltd, Tongling 244000, China)

In the process of tunnel shield construction, it is inevitable to encounter sand strata, which has poor self-stability and are prone to safety accidents during tunneling. By simulating shield excavation and wall thickness grouting in sand beds, the changes of surface displacement in the construction stage of parallel tunnels under different buried depth ratios and net spacing are studied. The results show that the surface settlement curve of left-line excavation conforms to the normal distribution form, and the maximum settlement at each stage is linear with the soil loss rate. When the soil loss rate is constant, the surface settlement decreases with the increase of buried depth ratio. When the right line of the parallel tunnel is excavated, the displacement above the surface of the existing left line is affected, and the final settlement trough shape overlaps with each other. In the process of grouting after wall, when the buried depth ratio is constant, the displacement value increases with the increase of grouting rate. And when the grouting rate is constant, the effect of grouting on surface uplift decreases with the increase of buried depth ratios.

shield excavation; model test; surface subsidence; sand stratum; grouting after wall

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.01.016

U 455.43

A

1672–6146(2021)01–00075–06

王京濤, wangjingtao@hfgdjt.com。

2020–09–30

合肥市軌道交通科研項目(2014CGFZ3107)。

(責任編校: 張紅)