王晟鵬，孫靖杰

1.西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏 拉薩 850000

2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 四川 成都 611756

目前，由于成都地區(qū)特殊的地質(zhì)特征，砂卵石地層具有高富水、砂層透鏡體分布不均、砂卵石含量高、卵石和漂石強度高、穩(wěn)定性差、透水性強、地面沉降不易控制等特點，在砂卵石層中盾構(gòu)隧道開挖后容易產(chǎn)生卵石顆粒擾動，導(dǎo)致在地鐵施工中出現(xiàn)較多地表沉降或者塌陷等工程問題。如成都地鐵1 號線錦江路段發(fā)生路面塌陷、地鐵2號線盾構(gòu)掘進發(fā)生多處地表滯后沉陷等工程問題[1]。砂層透鏡體在動力擾動下發(fā)生液化流失，這對地層變形將是災(zāi)難性的[2]，國外、國內(nèi)對透鏡體和漂石的研究相對較少。

文章研究在砂卵石地層中砂層透鏡體和漂石對地層損失引起地表沉降特征的影響變化規(guī)律，可用來指導(dǎo)實際工程的勘察、設(shè)計以及施工，使成都砂卵石地層中盾構(gòu)隧道施工更加安全、高效、經(jīng)濟，為成都市未來更大規(guī)模的地鐵建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 模型尺寸設(shè)計及材料選擇

根據(jù)幾何相似比原理[3]和在相關(guān)文獻(xiàn)[4]的研究基礎(chǔ)上確定隧道外徑尺寸相似比設(shè)置在15 ∶1，地鐵隧道外徑約為6m，取6m 為基準(zhǔn)進行相似模型設(shè)計。模擬試驗隧道洞徑為400mm，最終設(shè)計試驗箱體的幾何尺寸為長1500mm、寬900mm、高1200mm。采用相似級配法并結(jié)合19 號線二期工程項目中砂卵石粒徑篩分試驗粒徑的范圍區(qū)間劃分見表1。

表1 影響因素設(shè)置表

1.2 實驗影響因素確定

實驗方案一見表2，實驗方案二用漂石替換透鏡體。

表2 影響因素設(shè)置表

2 實驗過程

（1）按照相似比等比例進行模型土樣的配制。

（2）放置相應(yīng)體積的充水水袋于隧道中心正上方，模擬地層空洞，關(guān)閉所有排水通道的排水閥，將試驗土樣裝填在試驗箱體，待土體裝填到相應(yīng)高度時，分別在相應(yīng)位置放置砂層透鏡體（見圖1）或者漂石（見圖2），并對土體進行夯實，填土完成后布置位移傳感器。

圖1 隧道正左側(cè)砂層透鏡體

圖2 隧道正左側(cè)漂石

（3）將位移傳感器（見圖3）連接至信號接收裝置上對應(yīng)的通道，調(diào)試裝置，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，試驗開始后監(jiān)測數(shù)據(jù)并設(shè)置自動記錄數(shù)據(jù)直至試驗結(jié)束。

（4）打開充水水袋排水管的開關(guān)，排出水袋中液體形成地層空洞，同時運用應(yīng)變測試分析系統(tǒng)監(jiān)測和采集傳感器數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)試驗方案設(shè)計表，改變試驗中因素，重復(fù)上述步驟，得到新的試驗數(shù)據(jù)，完成設(shè)計的所有試驗方案。

圖3 位移傳感器

3 結(jié)果分析

3.1 不同隧道上覆土深度情況下的地表沉降

隧道埋深50cm，地層空洞體積為3000mL，漂石和砂層透鏡體在隧道正上方20cm 條件下的沉降分析分別見圖4、圖5。

圖4 含漂石情況地表沉降

圖5 含砂層透鏡體情況地表沉降

由圖4、圖5 可知，隧道正上方3 號位移傳感器的遲滯沉降反應(yīng)最為迅速，2 號和4 號變化速率相對變慢，且兩者在時間上有著較一致的變化趨勢；1 號和5 號位移傳感器遲滯沉降變化量最小，且變化速率最慢，可知在該試驗條件下，以隧道正上方的位置為中心，兩側(cè)相對位置在時間上有著較一致的變化趨勢。不同條件下漂石和砂層透鏡體地表沉降曲線對比見圖6。

圖6 不同條件下漂石和砂層透鏡體地表沉降曲線對比

由圖6 可知，改變隧道埋深，沉降曲線的形態(tài)基本保持不變，總體形態(tài)特征符合Peck[5]假定的高斯分布曲線，沉降槽寬度略有增大。地層位移主要出現(xiàn)在隧道正上方位置，隨著隧道埋深的增加，隧道上方深“V”沉降槽的下部快速向下延伸。

3.2 不同地層空洞體積大小情況下的地表沉降

在隧道埋深試驗得到的變化規(guī)律基礎(chǔ)上，以不同的地層損失情況為研究目標(biāo)，選取50cm、70cm、90cm 三種隧道埋深作為對比，以地層空洞體積3000mL、2000mL、1000mL 作為研究因素變量，在第一部分隧道埋深試驗方案的基礎(chǔ)上，進行不同地層損失情況下的地表沉降分析（見圖7）。

圖7 漂石和砂層透鏡體地層空洞不同引起的沉降對比

在試驗條件下，從橫斷面內(nèi)來看，地層空洞出現(xiàn)后地層沉降主要出現(xiàn)在隧道中心正上方，在隧道中心范圍影響外的位置沉降量顯著減小。這種情況主要是由于砂卵石地層的黏聚力小，空洞出現(xiàn)后砂卵石骨架無法長期維持平衡狀態(tài)，同時由于砂卵石地層具有松散、顆粒性強的特點，空洞擴散過程中地層結(jié)構(gòu)顆粒間呈點對點受力，在地層中力的傳遞范圍較小，地層空洞在橫斷面內(nèi)沉降才會主要出現(xiàn)在地層空洞的正上方。

4 結(jié)論

（1）從室內(nèi)模型試驗中可知，不同地層空洞大小所引起的地表沉降形態(tài)符合Peck 曲線。（2）地層空洞通過裝滿水的液囊排水的過程模擬空洞的產(chǎn)生，沒有實際施工中盾構(gòu)機掘進對地層的動態(tài)擾動，隨著地層空洞大小的增加，對應(yīng)情況下的最大地表沉降顯著增加。（3）隨著地層損失的增大，地表沉降量也逐漸增大，同時比較得出在相同的條件下，漂石和砂層透鏡體對比分析，漂石造成的遲滯沉降影響比砂層透鏡體更大，且造成的沉降量比較大。通過分析得出，選取的紅磚模擬的漂石體積過大，而砂層透鏡體在沒有水動力和盾構(gòu)擾動的情況下是較為穩(wěn)定的，故漂石的沉降效果更為明顯。