楊 龍，徐 海 清，李 長(zhǎng) 冬，姚 文 敏，于 越

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430030)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市人口規(guī)模急劇增長(zhǎng)，給市內(nèi)交通運(yùn)輸帶來巨大的壓力，發(fā)展城市地下軌道交通成為一個(gè)必然的趨勢(shì)。地鐵隧道在盾構(gòu)開挖過程中，不可避免地對(duì)施工范圍內(nèi)的巖土體造成擾動(dòng)，尤其對(duì)于力學(xué)性質(zhì)較差的軟土地層，這種擾動(dòng)效應(yīng)更為顯著，引起地層大量沉降，危及周邊建筑物及地下管線等。目前武漢運(yùn)營的地鐵有10多條線路，在建與擬建線路多達(dá)10余條。武漢軟土分布廣泛且深厚[1]，給地鐵建設(shè)帶來較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)武漢軟土地質(zhì)條件特點(diǎn)，開展軟土地層盾構(gòu)施工沉降規(guī)律與控制研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于盾構(gòu)開挖引起的地表沉降，主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、數(shù)值模擬法等。經(jīng)驗(yàn)公式法早期有Peck[2]根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提出的Peck沉降經(jīng)驗(yàn)公式，后來的學(xué)者[3-7]基于此方法提出各種改進(jìn)的Peck公式以適應(yīng)各地的地質(zhì)條件。鐘俊輝[8]針對(duì)福州軟土地質(zhì)條件利用地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了盾構(gòu)施工沉降規(guī)律。關(guān)于解析法研究，Sagaseta[9]運(yùn)用彈性力學(xué)的方法推導(dǎo)了三維地面不排水條件下隧道開挖后地層位移場(chǎng)的解析解。其后Verruijt和Booker[10]在Sagaseta的基礎(chǔ)上考慮了隧道橢圓化變形的地層位移場(chǎng)計(jì)算公式。梁榮柱等[11]基于Mindlin解推導(dǎo)了考慮刀盤擠壓效應(yīng)導(dǎo)致軟土軟化進(jìn)而引起地表與深層土體位移的解析解。關(guān)于數(shù)值模擬法，陳自海等[12]利用ABAQUS軟件以杭州軟土地層為背景分析盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地面沉降的影響，認(rèn)為土艙壓力對(duì)地面沉降影響最大。張洋等[13]利用PLAXIS 3D分析大直徑盾構(gòu)施工地層參數(shù)對(duì)地面沉降的影響，得出地面沉降對(duì)地層模量參數(shù)最為敏感。趙耀強(qiáng)等[14]利用FLAC 3D分析了北京、杭州、南京、上海等地區(qū)典型地層盾構(gòu)始發(fā)沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)施工地表沉降影響較大，沉降控制需結(jié)合當(dāng)?shù)氐貙犹攸c(diǎn)開展專項(xiàng)研究。關(guān)于盾構(gòu)隧道軟土地層加固方面，朱建峰[15]根據(jù)佛山軟土地質(zhì)條件通過數(shù)值模擬、工程類比等多種手段，認(rèn)為盾構(gòu)施工前預(yù)加固能顯著改善地基條件與管片受力情況。龔彥峰等[16]根據(jù)水土耦合理論模擬了珠海某軟土盾構(gòu)隧道基地加固對(duì)工后沉降的影響，結(jié)果表明加固后能夠有效減小地面與拱頂沉降。目前不同地區(qū)盾構(gòu)施工沉降的研究取得豐碩成果，而盾構(gòu)施工沉降規(guī)律與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件密切相關(guān)，但結(jié)合武漢軟土地質(zhì)條件開展相關(guān)的研究較少，有必要開展進(jìn)一步研究。

本文以武漢地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間實(shí)際工程為背景，基于武漢的軟土地質(zhì)條件特點(diǎn)，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析了幾種典型軟土地質(zhì)斷面盾構(gòu)開挖引起的地面沉降規(guī)律，并對(duì)性質(zhì)較差軟土區(qū)段隧道洞內(nèi)注漿加固范圍開展了相關(guān)研究。研究成果可為武漢軟土地區(qū)以及類似地質(zhì)條件地區(qū)的地鐵建設(shè)提供一定的理論參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

研究區(qū)段為武漢地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間，平面布置如圖1所示。該區(qū)間下穿工業(yè)廠房與密集的居民區(qū)建筑群，存在較大施工風(fēng)險(xiǎn)。隧道先開挖左線后開挖右線，施工周期相隔兩個(gè)多月，因此，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅分析單線開挖引起的地面沉降。隧道結(jié)構(gòu)采用C50預(yù)制管片錯(cuò)縫形式拼接，其中管片外徑為6 m，厚度為0.3 m，寬度為1.5 m。

圖1 研究區(qū)平面布置Fig.1 Plane layout of the research field

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該盾構(gòu)區(qū)間位于武漢長(zhǎng)江二級(jí)階地，屬于埋藏型階地。場(chǎng)地地形平坦開闊，第四系地層廣泛分布，厚度達(dá)42～63 m，詳細(xì)地層分布如圖2所示。場(chǎng)地內(nèi)主要地層有：① 雜填土、② 淤泥質(zhì)土、③ 黏土、④ 粉質(zhì)黏土、⑤ 粉細(xì)砂、⑥ 中粗砂、⑦ 強(qiáng)風(fēng)化的泥巖。由圖2可知：盾構(gòu)隧道沿線的地質(zhì)條件變化較大，且軟土厚度分布不均，局部厚達(dá)35 m，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易受擾動(dòng)產(chǎn)生大規(guī)模的沉降，對(duì)上部地面建筑物及附近地下管線等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為控制地面沉降提高隧道地基的承載力，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，在該區(qū)段增設(shè)了注漿孔環(huán)管片，利用袖閥管對(duì)隧道外部3 m范圍的軟土進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固，如圖2～3所示。

圖2 AA’-BB’區(qū)間縱斷面Fig.2 Longitudinal geological profile between section AA’ and BB’

1.3 地表沉降監(jiān)測(cè)布置

為及時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)施工過程中地面沉降情況，開展信息化施工，在隧道上方地面每隔20 m間距，沿隧道中心線布設(shè)7個(gè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采用徠卡全站儀、電子水準(zhǔn)儀等多種測(cè)量?jī)x器在施工過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直至地層變形區(qū)域穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫斷面布置如圖3所示。

圖3 地面沉降監(jiān)測(cè)布置Fig.3 Layout of monitoring points for ground surface settlements

2 不同軟土地層條件下盾構(gòu)施工沉降數(shù)值分析

2.1 地層模型建立

如圖2所示，該區(qū)間沿線地層條件變化較大，且軟土分布厚度不均。本文根據(jù)縱斷面圖2剖面線A1-A4，實(shí)際選取了4個(gè)具有代表性的軟土地質(zhì)橫斷面，建立隧道開挖的計(jì)算模型，如圖4所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究軟土地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)施工地面沉降的影響以及注漿加固對(duì)沉降的控制效果。

圖4 不同軟土地層盾構(gòu)開挖數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of shield tunnel excavation in different soft soil stratum

由圖4可以看出：A1斷面，隧道斷面一半通過軟土地層；A2斷面，隧道全斷面通過軟土地層，并與軟土地層底部相切；A3斷面，隧道全斷面通過軟土地層，且底部有一定厚度的軟土；A4斷面，軟土距隧道上方一定距離。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，對(duì)隧道外側(cè)3 m范圍內(nèi)的軟土進(jìn)行注漿加固。

本文采用ABAQUS有限元軟件分別計(jì)算這4個(gè)斷面在未注漿與注漿2種工況下盾構(gòu)施工引起的沉降，并與現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。為防止邊界效應(yīng)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，計(jì)算尺寸為70 m×55 m(長(zhǎng)×寬)，隧道埋深均為20 m，半徑3 m，厚度0.3 m。模型兩側(cè)設(shè)置法向約束，底部為固定約束。隧道開挖與支護(hù)采用ABAQUS中單元的鈍化與激活實(shí)現(xiàn)[17]。

2.2 巖土計(jì)算參數(shù)選取

巖土參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告獲得(見表1)。其中，C50管片環(huán)考慮到管片間接頭連接，剛度乘以折減系數(shù)0.7[18]，等效為均質(zhì)線彈性模型，土層則采用彈塑性模型與摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖5為4個(gè)斷面在隧道開挖后地面沉降曲線，其中A1～A3斷面處隧道與軟土地層相交。洞內(nèi)注漿加固后，地面最大沉降量均控制在12 mm以內(nèi)，且沉降曲線與實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，有效減小了隧道縱向的差異沉降。當(dāng)未進(jìn)行注漿加固時(shí)，A1～A3斷面地面的最大沉降量均超過隧道規(guī)范控制值25 mm[19]。

圖5 典型軟土地層斷面開挖沉降曲線Fig.5 Settlements curves of typical sections in soft soil stratum

A4斷面未對(duì)地層注漿加固而沉降量較小，表明隧道穿越的地層條件對(duì)施工沉降有較大影響，性質(zhì)較差的軟土地層中開挖易產(chǎn)生較大的地面沉降，而采用注漿加固能夠顯著地改善地面沉降，如A1斷面最大沉降量由42.09 mm減小為11.45 mm。

為對(duì)比軟土地層條件對(duì)盾構(gòu)隧道開挖引起地面沉降的影響，匯總了4個(gè)典型斷面隧道在未加固時(shí)開挖后的地面沉降曲線(見圖6)。從圖6可看出地層條件對(duì)地面沉降量有顯著影響，按照沉降量大小排序有：A4

圖6 A1-A4斷面地面沉降曲線Fig.6 Settlement curves of section A1-A4

3 盾構(gòu)隧道穿越不同軟土地層分布對(duì)地面沉降影響

為進(jìn)一步研究盾構(gòu)隧道穿越不同軟土地層分布的沉降規(guī)律，根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)剖面概化出圖7共計(jì)8種軟土地層斷面，計(jì)算模型的尺寸同圖4，包括隧道與軟土地層底部相離、相切、相交等8種工況，對(duì)應(yīng)的工況列于表2。為分析方便，隧道中心與軟土地層底部距離L換算為與隧道半徑r的比值，當(dāng)軟土在隧道中心以下，該比值為正，反之為負(fù)。

表2 不同軟土地層分布的隧道開挖工況Tab.2 Excavation of shield tunnel in different distribution of soft soil stratum

圖7 不同軟土地層分布斷面(圖中斷面從左至右分別為B1～B80)Fig.7 Cross sections of typical distribution of soft soil stratum

利用ABAQUS對(duì)這8個(gè)斷面進(jìn)行隧道開挖的數(shù)值模擬，地面沉降計(jì)算結(jié)果示于圖8。當(dāng)隧道與軟土地層頂部相離至相切時(shí)，即圖8中B1-B2對(duì)應(yīng)曲線，地面沉降均在20 mm以內(nèi)，表明盾構(gòu)隧道未通過軟土地層，此時(shí)軟土未受明顯擾動(dòng)，引起的地面沉降較小。當(dāng)隧道與軟土地層相交時(shí)，即圖8中B3-B8對(duì)應(yīng)曲線，地面沉降隨著隧道通過斷面軟土比例的增加而急劇增大，直至全斷面通過軟土，沉降達(dá)到最大值，超過60 mm，但增加量趨于減小，表明施工引起的地面沉降與軟土受擾動(dòng)面積正相關(guān)，而隧道下方軟土厚度對(duì)盾構(gòu)施工地面沉降的影響不大。

圖8 不同軟土地層分布的地面沉降曲線Fig.8 Ground surface settlements curves in different distribution of soft soil stratum

圖9為對(duì)比地面最大沉降量與軟土地層分布的關(guān)系。按隧道與軟土地層之間位置關(guān)系可分為三大類：第一類為隧道未通過軟土地層，此時(shí)軟土受擾動(dòng)較小，沉降量最小；第二類為隧道部分通過軟土地層，隨著斷面軟土比例增加，沉降量迅速增加；第三類為隧道全斷面通過軟土地層，此時(shí)軟土擾動(dòng)面積最大，沉降量達(dá)到最大，但隨著隧道底部軟土厚度增加沉降影響趨于穩(wěn)定。

圖9 最大沉降量與軟土地層分布之間的關(guān)系Fig 9 Relationships between the maximum settlements and distribution of soft soil stratum

4 洞內(nèi)注漿加固厚度對(duì)地面沉降控制效果分析

隧道洞內(nèi)注漿加固一般適用于當(dāng)?shù)孛孀{作業(yè)空間受限制時(shí)，在隧道內(nèi)通過袖閥管等對(duì)隧道外側(cè)一定范圍的土體進(jìn)行注漿來改善土體強(qiáng)度。前面的分析表明，隧道全斷面通過性質(zhì)較差的淤泥質(zhì)軟土?xí)r易產(chǎn)生較大的地面沉降。在實(shí)際工程中，注漿加固能提高隧道地基承載力，但會(huì)耗費(fèi)大量的經(jīng)濟(jì)成本，因此有必要開展注漿加固范圍的研究。筆者以A3斷面為例，如圖10所示，分析隧道外側(cè)加固厚度對(duì)地面沉降控制效果的影響，厚度分別為隧道外側(cè)1，2，3，4，5 m等5種工況。

圖10 隧道洞內(nèi)注漿加固示意Fig.10 Sketch of grouting reinforcement in the shield tunnel

圖11為地面最大沉降量與隧道加固范圍之間的關(guān)系曲線，隨著加固范圍的增大，地面的沉降量逐漸減小，但加固效果也會(huì)逐漸減小。當(dāng)隧道加固范圍超過2 m時(shí)，盾構(gòu)隧道施工沉降量控制在規(guī)范[19]控制值25 mm，而注漿量范圍過大時(shí)，如超過4 m時(shí)地面會(huì)輕微隆起，而當(dāng)注漿范圍超過5 m，此時(shí)地面隆起量接近10 mm。由此可見，注漿加固能夠顯著改善地面沉降，但加固范圍過大會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)且會(huì)擠壓地層引起較大的地面隆起，2 m的加固范圍能夠?qū)⒊两悼刂圃谝?guī)范允許值內(nèi)，但考慮到未來地鐵安全平穩(wěn)運(yùn)營，此區(qū)間實(shí)際加固范圍3 m留有一定的安全儲(chǔ)備，是偏安全與合理的。

圖11 地面最大沉降量與洞內(nèi)注漿加固厚度關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between the maximum settlements and thickness of grouting reinforcement

5 結(jié) 論

本文依托武漢地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)隧道工程，考慮武漢地區(qū)的軟土地質(zhì)條件特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，分析了不同軟土地質(zhì)條件對(duì)隧道施工過程中地面沉降的影響規(guī)律，同時(shí)對(duì)軟土地層注漿加固范圍也進(jìn)行研究，結(jié)論如下。

(1) 隧道開挖過程中，地質(zhì)條件對(duì)隧道沉降有著顯著影響：當(dāng)隧道通過性質(zhì)較差易受施工擾動(dòng)的軟土等地層時(shí)，地面易產(chǎn)生顯著沉降；而當(dāng)隧道穿越地層變化較大的地層，易產(chǎn)生不均勻沉降，應(yīng)采取注漿等工程措施減小這種差異沉降。

(2) 軟土地層開挖產(chǎn)生的地面沉降量與隧道開挖斷面中軟土面積占比正相關(guān)，因此在隧道線路設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減小隧道與軟土等工程性質(zhì)較差地層的相交，可從隧道線路設(shè)計(jì)的角度減小地面沉降。

(3) 注漿加固能夠顯著改善地層的沉降，隨著注漿范圍增大，地面沉降會(huì)逐漸減小甚至?xí)霈F(xiàn)隆起，對(duì)于直徑為6 m左右的軟土地層盾構(gòu)隧道，注漿加固范圍宜取3 m較為合理。

(4) 本文基于武漢軟土地層開展研究，研究成果可為類似地區(qū)軟土地層的地鐵線路建設(shè)中地面沉降控制提供一定的參考。本文未考慮軟土地層在隧道運(yùn)營期間地鐵往復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的蠕變沉降，今后將進(jìn)一步開展深入研究。