米 博，項彥勇

(1.城市地下工程教育部重點實驗室(北京交通大學)，北京 100044；2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

盾構法修建水下隧道已經廣泛應用于實際工程中，如武漢長江隧道、杭州錢江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道等。隨著水下隧道修建數(shù)量的增多，所需穿越的地層也越加復雜，如南京長江隧道[1]穿越的地層有：黏土地層、砂土地層、卵石地層以及黏-砂復合土地層等。開挖面穩(wěn)定性問題是盾構隧道修建過程中最為關心的問題，由于模型試驗法可以較直觀地反映有關過程的物理力學規(guī)律而被廣泛采用。然而大多數(shù)試驗研究的對象為單一砂土、黏土或卵石地層，關于黏-砂土地層水下盾構隧道開挖面穩(wěn)定性問題的研究鮮有報道。

針對砂土地層，李君等[2-6]進行了重力模型試驗，研究了干砂地層開挖面的失穩(wěn)模式和支護力變化規(guī)律。呂璽琳等[7-8]通過離心模型試驗，對飽和砂土地層開挖面的失穩(wěn)機制進行了深入研究。Chen等[9-11]分別開展了離心模型試驗和重力模型試驗，通過開挖面排水在砂土地層中產生穩(wěn)態(tài)滲流場，研究了開挖面的失穩(wěn)模式以及有效支護壓力隨開挖面位移的變化規(guī)律，探究了開挖面極限有效支護壓力與開挖面-地層水頭差的關系。

針對黏土地層，Mair[12]通過離心模型試驗，研究了開挖面的主動破壞失穩(wěn)模式。徐佳偉等[13-14]開展了離心模型試驗，通過離心機對泥漿進行固結，研究了具有一定含水率的軟黏土地層開挖面的主動破壞模式和被動破壞模式以及相應的極限支護壓力。Ng等[15]開展了離心模型試驗，研究了經過離心機超重力(100g)固結后的飽和黏土地層開挖面的被動破壞機理以及支護壓力和孔隙水壓力隨開挖面位移的變化規(guī)律。

針對砂卵石地層，范祚文等[16]采用小型土壓平衡盾構機模型，研究了鄰近建筑物和埋深對地表沉降規(guī)律以及開挖面極限支護壓力和失穩(wěn)模式的影響。胡雄玉等[17]采用小型土壓平衡盾構機模型，研究了砂卵石地層和砂土地層開挖面的破壞模式，詳細對比了兩種地層的破壞特性。呂璽琳等[18]通過重力模型試驗，對飽和圓礫地層開挖面的失穩(wěn)變化過程進行了深入研究。

上述研究主要是針對單一土地層，缺乏針對黏-砂復合土地層開挖面穩(wěn)定性問題的試驗研究。本文針對飽和含黏粒砂土地層淺埋盾構隧道開挖滲流穩(wěn)定性問題，通過模型試驗，量測了開挖面的水土壓力以及附近地層的沉降量和孔隙水壓力，研究了不同黏土含量以及有無滲流對開挖面穩(wěn)定性的影響。

1 試 驗

1.1 試驗設計

如圖1所示，基于米博等[11]的試驗裝置，飽和含黏粒砂土地層淺埋盾構隧道開挖滲流試驗模型主要由模型箱、水循環(huán)系統(tǒng)、盾構隧道與開挖面模型、飽和地層模型和量測系統(tǒng)組成。

圖1 試驗模型及測點布置(mm)

模型箱底面和背面均采用5 mm厚的鋼板，其他各面均采用20 mm厚的有機玻璃板。其中，x、y、z分別表示沿隧道模型縱向、橫向、豎向的坐標；δ表示支護板后移距離；Δ表示開挖面-地表水頭差。

水循環(huán)系統(tǒng)由進水管、水泵和出水管組成，可將水由開挖面運送至地層表面。測壓管接入隧道模型內部，實時監(jiān)測開挖面水頭，通過調節(jié)水泵閥門產生所需的開挖面-地表水頭差。

盾構隧道模型采用厚度為20 mm的半圓形截面鋁筒制成，開挖面模型由前板和支護板組成。前板固定，采用厚度為20 mm、開孔率為31.36%的半圓形帶孔有機玻璃板制成，模擬對開挖面前方土體起一定支撐作用的盾構刀盤；支護板由兩片鋼絲網以及鋼絲網之間的海綿和鋼條骨架構成，可以通過絲杠和轉輪控制其向后移動，模擬開挖面支護壓力不足。

1.6 統(tǒng)計方法 統(tǒng)計不同年齡段女性的高危HPV感染率(各個年齡組中高危HPV陽性病例數(shù)／這一年齡組總人數(shù)×100%)。高危HPV各亞型感染率指該亞型單獨或和其他亞型共同出現(xiàn)的感染率，多重感染重復計算。例如某患者檢測結果為HPVl6、

地層模型材料由黏土與粒徑為0.425～0.850 mm的黑色機制石英砂分別按照黏-砂比(mc/ms)為0、0.1、0.2混合并充分攪拌而成，試驗測得的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

量測系統(tǒng)由用于量測開挖面飽和土壓力的微型土壓力盒(量程100 kPa，精度0.1 kPa)、開挖面前方地層孔隙水壓力的微型滲壓計(量程15 kPa，精度0.075 kPa)、地層模型內部沉降的聯(lián)測系統(tǒng)(量程200 mm，精度3 μm)、地層模型表面沉降的位移傳感器(LVDT，量程100 mm，精度0.1 mm)以及相應的數(shù)據采集系統(tǒng)組成。

1.2 試驗方案

如圖1和表2所示，隧道埋深為隧道直徑D的2倍。針對不同的地層黏-砂比，開展了開挖面-地表相對水頭差(Δ/D)分別為0、1和1.67以及黏-砂比(mc/ms)分別為0、0.1和0.2的模型試驗。

表2 試驗參數(shù)

調節(jié)水泵閥門，維持測壓管水位與地表水位的差值在整個試驗過程中不變。逆時針轉動轉輪，使開挖面支護板逐步向后移動，每步1 mm(移動速率為0.1 mm/s)累計向后移動60 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 黏土含量和滲流對開挖面失穩(wěn)模式的影響

圖2為支護板位移對地表沉降的影響，其中，v表示地表沉降值?？梢钥闯?，地表沉降隨開挖面支護板位移(或開挖面體積損失)的增大先緩慢增大后快速增大，對應于開挖面前方地層失穩(wěn)范圍先逐漸增大后基本達到了極限。

圖2 開挖面支護板位移對地表沉降的影響(A點)

對比圖2中曲線可知，無滲流(Δ/D=0)時，黏土含量的增大會使地表最大沉降值略微增大，有滲流(Δ/D=1)時，黏土含量的增大會使地表最大沉降值明顯增大；這主要是由于滲流條件下，滲透水流會攜帶一部分黏粒進入開挖倉使得土體密度明顯降低，土體在滲透力的作用下得到壓縮使地表沉降明顯增大，黏土含量越大這種攜帶作用越明顯。

為分析地層失穩(wěn)模式，對試驗所測地層沉降數(shù)據進行擬合，認為失穩(wěn)區(qū)域為1 mm(約為0.003D)等值線所圍部分。圖3為不同滲流條件下地層黏-砂比對縱截面和橫截面(x=34 cm)(試驗發(fā)現(xiàn)，在x=34 cm附近地表沉降最大，故選取該截面)地層極限失穩(wěn)范圍的影響。由圖3(c)和3(d)可知，滲流對地層極限失穩(wěn)范圍的影響具有明顯的一致性，或增大或減小；以D組試驗為例，如圖3(d)所示，相對于無滲流條件(試驗D-1，Δ/D=0)，不同開挖面-地表水頭差(試驗D-2，Δ/D=1；試驗D-3，Δ/D=1.67)均會使地層極限失穩(wěn)范圍減??；鑒于這種一致性，主要針對Δ/D=0(A組無滲流試驗)和Δ/D=1(B組有滲流試驗)這兩種情況進行詳細對比分析。

定義隧道模型開挖面底部和頂部失穩(wěn)土體邊界面與水平方向的夾角為失穩(wěn)破裂角。以試驗A-3為例，如圖3(a)所示，開挖面前方破裂角α1、開挖面后方破裂角α2、橫向破裂角α3對極限失穩(wěn)范圍起決定作用。為便于對比分析，將各試驗的3個失穩(wěn)破裂角列于表3。

圖3 隧道模型中心縱截面(y=0)和開挖面前方橫截面(x=34 cm)地層極限失穩(wěn)范圍

表3 盾構隧道模型失穩(wěn)土體破裂角

由圖3和表3可知，無滲流(Δ/D=0)時，開挖面前方破裂角α1和橫向破裂角α3均會因地層黏-砂比的增大而減小，而開挖面后方破裂角α2(α2=30°±4°)變化不大，整體地層極限失穩(wěn)范圍隨黏-砂比的增大而增大，這主要是由于黏-砂比的增大會明顯降低土體強度；有滲流(Δ/D=1)時，開挖面前方破裂角α1和橫向破裂角α3均會因黏-砂比的增大而增大，而開挖面后方破裂角α2(α2=34°±4°)變化不大，整體地層極限失穩(wěn)范圍隨黏-砂比的增大而減小，這主要是由于黏-砂比的增大會明顯減小土體的滲透系數(shù)，使得滲流對地層的影響范圍減小。

結合圖3、表3和圖2可知，當黏-砂比較小(mc/ms<0.1)時，滲流的作用主要表現(xiàn)為增大地層極限失穩(wěn)范圍，地表最大沉降值只是略有增大。以試驗A-1(mc/ms=0，Δ/D=0)和B-1(mc/ms=0，Δ/D=1)為例，相較試驗A-1，試驗B-1開挖面前方破裂角α1和橫向破裂角α3分別減小了44%和45%，而地表最大沉降值僅增大了15%；當黏-砂比較大(mc/ms≥0.1)時，滲流主要增大地表最大沉降值，而極限失穩(wěn)范圍有所減小。以試驗A-3(mc/ms=0.2，Δ/D=0)和B-3(mc/ms=0.2，Δ/D=1)為例，相較試驗A-3，試驗B-3地表最大沉降值增大了79%，而開挖面前方破裂角α1和橫向破裂角α3分別增大了33%和43%。

2.2 黏土含量和滲流對開挖面有效土壓力的影響

圖4 有效土壓力與支護板位移的關系

圖5為滲流和地層黏-砂比對開挖面極限有效土壓力的影響，其中，γd表示土體干重度?？梢钥闯觯瑹o滲流和有滲流條件下，開挖面極限有效土壓力與黏-砂比均基本呈線性增加關系；相較無滲流條件，有滲流條件下，開挖面極限有效土壓力明顯增大，且隨著黏-砂比的增大，這種增大程度逐漸增大。

圖5 滲流和黏-砂比對開挖面極限有效土壓力的影響

2.3 黏土含量和滲流對地層孔隙水壓力的影響

無滲流條件下，地層孔隙水壓力基本維持靜止水壓力不變，故僅對滲流條件下地層孔隙水壓力分布進行對比分析。圖6為滲流條件下不同黏-砂比地層，開挖面中軸線上開挖面前方地層孔隙水壓力的分布，其中，u表示孔隙水壓力?？梢钥闯觯_挖面前方地層孔隙水壓力會因地層黏-砂比的增大而增大，這主要是由于地層黏-砂比越大，滲透系數(shù)越小，滲流的影響范圍越?。婚_挖面前方地層孔隙水壓力會因開挖面支護板位移(或開挖面體積損失)的增大而增大，這主要是由于隨著支護板位移的增大，開挖面附近地層變得較為松散，土體孔隙率增大，在滲透水流的攜帶作用下，小顆粒土體(主要為黏土顆粒，對比圖7中E、F兩個區(qū)域可得)逐漸集中于開挖面附近土體孔隙中，使得開挖面附近土體滲透系數(shù)變小。故在實際工程中，可以將開挖面前方地層孔隙水壓力值的變化作為調整開挖面支護力大小的一個參考參數(shù)。

圖6 盾構隧道模型開挖面中軸線前方地層孔隙水壓力分布

圖7 滲流對黏粒的攜帶作用(試驗B-2)

3 結 論

1)滲流條件下，地層黏-砂比越大，滲透系數(shù)越小，滲流的影響范圍越小，開挖面前方地層孔隙水壓力越大；隨著開挖面體積損失的逐漸增大，集中于開挖面附近的小顆粒土體(主要為黏土顆粒)逐漸增多，開挖面附近土體的滲透系數(shù)逐漸減小，開挖面前方地層孔隙水壓力逐漸增大。

2)滲流會使開挖面極限有效土壓力明顯增大，且隨黏-砂比的增大，這種增大程度逐漸增大；開挖面極限有效土壓力與地層黏-砂比基本呈線性增加關系。

3)地層極限失穩(wěn)范圍主要取決于開挖面前方破裂角、開挖面后方破裂角以及橫向破裂角，其中，開挖面后方破裂角受地層黏土含量和滲流的影響較小。

4)無滲流時，由于地層黏-砂比的增大會明顯降低土體強度，地層極限失穩(wěn)范圍會因黏-砂比的增大而增大；有滲流時，由于黏-砂比的增大會使?jié)B流對地層的影響范圍減小，地層極限失穩(wěn)范圍會因黏-砂比的增大而減小。

5)對于地層黏-砂比較小(<0.1)的情況，滲流主要增大極限失穩(wěn)范圍；對于黏-砂比較大(≥0.1)的情況，滲流主要增大地表最大沉降值。

上述研究改進了對含黏粒砂土地層淺埋盾構隧道開挖滲流穩(wěn)定性的認識，可以為實際工程以及有關的穩(wěn)定性極限分析提供參考。

值得說明的是，本文所研究地層的黏-砂比較小，黏粒大部分處于砂?？紫吨?，內摩擦角較大；針對地層黏-砂比進一步增大，增大到砂粒懸浮于黏土中的情況，有待進一步的研究。