張延杰

（云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650204）

0 引 言

關(guān)于盾構(gòu)隧道超挖土方引起地表沉降現(xiàn)象頻繁發(fā)生，其造成的后果也極為嚴(yán)重。對(duì)于超挖土的研究，張揚(yáng)等[1]從實(shí)施階段責(zé)任認(rèn)定和招投標(biāo)階段合同條款約定兩個(gè)方面提出超挖超填問(wèn)題的處理和預(yù)防措施，為超挖超填結(jié)算問(wèn)題提供參考。孫浩等[2]基于軟弱圍巖開(kāi)挖施工得出了控制爆破超欠挖及爆破振動(dòng)的重要措施。張海濤[3]針對(duì)青島地鐵隧道，得出“大小眼”方式成對(duì)布置周邊眼的鉆孔方法，可有效控制爆破施工對(duì)超欠挖的影響。阮松等[4]運(yùn)用層次分析法，建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，得出了地鐵盾構(gòu)隧道超限暗挖改造中各種風(fēng)險(xiǎn)因素的影響權(quán)重。佟艷清等[5]指出造成引水隧洞地質(zhì)超挖主要原因是施工管理、復(fù)雜地質(zhì)條件、炸藥爆破技術(shù)參數(shù)（方法）及現(xiàn)場(chǎng)管理等。陳穩(wěn)干[6]提出影響隧道超欠挖的因素主要有測(cè)量放線、鉆孔精度、爆破技術(shù)、地質(zhì)圍巖條件和施工管理。方俊波等[7]通過(guò)對(duì)比鑿巖臺(tái)車在初期支護(hù)緊跟掌子面及不緊跟掌子面等不同施工工況下長(zhǎng)短孔配套施工產(chǎn)生的超挖量，并采用長(zhǎng)短孔配套鉆孔爆破技術(shù)，可有效控制鑿巖臺(tái)車鉆爆時(shí)隧道的超挖量。梁超等[8]通過(guò)計(jì)算器簡(jiǎn)單編程，結(jié)合全站儀三維坐標(biāo)快速反算出待測(cè)點(diǎn)超欠挖情況，從而指導(dǎo)下部工序。綜上所述，現(xiàn)有隧道超挖土的研究成果主要集中在隧道爆破開(kāi)挖技術(shù)[9-10]，而針對(duì)措施方面主要有超挖區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)，欠挖部分進(jìn)行鑿除的施工經(jīng)驗(yàn)。然而針對(duì)成都地鐵盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工，由于砂卵石土層存在滯后沉降現(xiàn)象[11-12]，出土量參數(shù)控制不當(dāng)，造成盾構(gòu)超挖土，目前缺少行之有效的理論支撐和數(shù)值模擬手段，以對(duì)盾構(gòu)隧道超挖土進(jìn)行有效指導(dǎo)。因此采取數(shù)值模擬進(jìn)行超挖土影響的理論判定顯得尤為重要。

1 數(shù)值算例

計(jì)算選取成都地鐵3號(hào)線駟馬橋北站—駟馬橋站區(qū)間，其土層分布相對(duì)均勻，周圍無(wú)建（構(gòu)）筑物和地下管線的影響，并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)相對(duì)完整，因此以該施工段為背景建立計(jì)算模型。共進(jìn)行10環(huán)管片長(zhǎng)度的隧道模型模擬計(jì)算，隧道中線埋深11.6 m，盾構(gòu)穿越全斷面砂卵石層，開(kāi)挖隧道直徑為6 m，襯砌壁厚為300 mm；Abaqus三維有限元網(wǎng)絡(luò)模型的尺寸為：寬60 m、高59 m、縱深15 m，計(jì)算模型圖見(jiàn)圖1所示。具體土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1，其中砂卵石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，土體采用Druker-Prager本構(gòu)模型。邊界條件上表面為自由面，4個(gè)側(cè)面約束法向位移，底面為固定支座，共建立39 840個(gè)單元，43 638個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好，模型建立的正確性驗(yàn)證參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]。

圖1 模型正面圖Fig. 1 Model diagram

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

按照?qǐng)D2所示的方法，取盾構(gòu)中間某一開(kāi)挖環(huán)，采用擴(kuò)大該環(huán)開(kāi)挖半徑的方式來(lái)模擬盾構(gòu)超挖施工。模擬范圍是基于成都富水砂卵石地層隧道開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)的滯后沉降現(xiàn)象，開(kāi)挖在一段時(shí)間后對(duì)應(yīng)地表形成空洞塌方，其塌方面積基本在1倍盾構(gòu)直徑的范圍，或小于1倍隧道洞徑范圍，如圖2（a）所示，以擴(kuò)大模型的中間環(huán)邊緣上半部分作為盾構(gòu)施工超挖土狀況的模擬對(duì)象，分析超挖土造成的地表沉降影響。通過(guò)圖3演示盾構(gòu)超挖引起的空洞往地表延伸的施工模擬過(guò)程，進(jìn)而掌握距地表不同距離下的空洞對(duì)地表沉降的影響。

圖2 局部擴(kuò)大開(kāi)挖環(huán)處半徑的盾構(gòu)超挖施工模擬Fig. 2 Simulation of over-excavation construction of shield tunnel with partially enlarged excavation ring radius

圖3 空洞往地表延伸的施工模擬Fig. 3 Construction simulation of the cavity extending to the surface

由圖4可知，盾構(gòu)超挖掘進(jìn)對(duì)地表沉降的影響大于正常掘進(jìn)下的地表沉降，其沉降量增加了1倍左右，兩者的總體沉降均在10 mm以內(nèi)。觀察不同的空洞與地表間距下地表沉降，其沉降變化雖有差異，但規(guī)律不夠明顯。因此需要改變模型參數(shù)，繼續(xù)分析超挖土對(duì)地表沉降的影響。

圖4 盾構(gòu)隧道軸線縱向地表沉降值Fig. 4 Longitudinal surface settlement value of the shield tunnel axis

改變盾構(gòu)開(kāi)挖模型的土層參數(shù)，其砂卵石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按照?qǐng)D2（b）的展示，以擴(kuò)大模型的中間環(huán)邊緣的1/4作為盾構(gòu)施工超挖土狀況的模擬對(duì)象；通過(guò)圖5演示盾構(gòu)超挖引起的空洞不斷往地表方向延伸的施工過(guò)程，分工況進(jìn)行模擬，進(jìn)而掌握距地表不同距離下的空洞對(duì)地表沉降的影響。具體土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[14]，土體采用Druker-Prager本構(gòu)模型。共進(jìn)行10環(huán)管片長(zhǎng)度的隧道模型模擬計(jì)算。隧道中線埋深11.6 m，地下水位埋深-8 m，盾構(gòu)穿越全斷面砂卵石層，其地表以下分布的土層依次為雜填土、黏土、細(xì)砂、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖。共建立35 040個(gè)單元，38 493個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 空洞往地表延伸的施工模擬Fig. 5 Construction simulation of the cavity extending to the surface

觀察圖6可知，盾構(gòu)超挖掘進(jìn)對(duì)地表沉降的影響大于正常掘進(jìn)下的地表沉降，其沉降量增加了1倍左右，并且超挖掘進(jìn)的地表總體沉降均超過(guò)10 mm。最大沉降發(fā)生在第6開(kāi)挖環(huán)處，即發(fā)生在超挖所在開(kāi)挖環(huán)位置。觀察不同的空洞與地表間距下地表沉降，其沉降差異較為明顯，除空洞距地表3.5 m工況的沉降曲線顯示地表軸線處最大沉降發(fā)生在第6開(kāi)挖環(huán)的附近，其余工況的最大沉降均發(fā)生在第6開(kāi)挖環(huán)處，并且沉降曲線的變化趨勢(shì)相同?？斩磁c地表間距對(duì)地表軸線位置沉降的影響中，最大沉降曲線發(fā)生在距地表5 m的工況，而非空洞距地表最近的1 m工況位置，表明當(dāng)空洞發(fā)生在偏離隧道軸線的位置時(shí)，其空洞與地表間距對(duì)地表軸線位置沉降的影響規(guī)律不與間距的大小成正比例關(guān)系。

圖6 盾構(gòu)隧道軸線縱向地表沉降值Fig. 6 Longitudinal surface settlement value of shield tunnel axis

觀察圖7可知，盾構(gòu)超挖掘進(jìn)對(duì)開(kāi)挖斷面的地表沉降的影響大于正常掘進(jìn)下的地表沉降，其沉降值和沉降影響范圍均有所增加，并且沉降變化較大位置集中在距隧道軸線0～4 m范圍內(nèi)，即發(fā)生在空洞所在的空間位置。觀察不同的空洞與地表間距下地表沉降，其沉降差異距隧道軸線0～4 m范圍內(nèi)較為明顯，其空洞距地表1 m工況的沉降曲線發(fā)生明顯變化，距隧道軸線0～4 m范圍處的地表沉降發(fā)生突變，該處地表坍塌，突變位置處的空洞埋深與隧道頂部埋深的比值為11.3%。模擬結(jié)果表明空洞埋深小于隧道頂部埋深的11.3%，地表會(huì)發(fā)生瞬間塌落。

圖7 盾構(gòu)掘進(jìn)第6環(huán)橫向地表沉降值Fig. 7 Lateral surface settlement value from the shield tunneling to the 6th ring

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖環(huán)土方超挖，按照盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)挖處與同步注漿位置相隔4～6環(huán)的距離，可以借助砂卵石地層中盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地表滯后沉降特點(diǎn)，須在盾尾注漿孔鄰近至超挖環(huán)時(shí)，加大同步注漿量，并隨后進(jìn)行二次注漿彌補(bǔ)。如開(kāi)挖環(huán)處土方超挖，隨即地表發(fā)生明顯沉降的情況，須及時(shí)進(jìn)行地面打孔注漿；地面注漿不允許的情況下須通過(guò)土倉(cāng)對(duì)掌子面注入高濃度泥漿等彌補(bǔ)措施。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of soil layers

2 結(jié) 論

借助數(shù)值模擬方法，通過(guò)對(duì)擴(kuò)大某一開(kāi)挖環(huán)半徑的方式來(lái)模擬盾構(gòu)超挖施工，通過(guò)挖除不同埋深的土體單元，用來(lái)演示盾構(gòu)超挖引起的空洞往地表延伸的施工模擬過(guò)程，模擬分析得到了超挖土和滯后沉降工況對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。

數(shù)值計(jì)算得出當(dāng)空洞發(fā)生在偏離隧道軸線的位置時(shí)，其空洞與地表間距對(duì)地表軸線位置沉降的影響規(guī)律不與間距的大小成正比例關(guān)系。提出砂卵石地層EPB盾構(gòu)施工空洞埋深小于隧道頂部埋深的11.3%，地表會(huì)發(fā)生瞬間塌落，其空洞埋深與隧道頂部埋深的位置比，為隧道超挖土形成空洞對(duì)地表沉降影響的機(jī)理研究提供參數(shù)線索。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)超挖，須在盾尾注漿孔鄰近至超挖環(huán)時(shí)，加大同步注漿量和二次注漿彌補(bǔ)。如開(kāi)挖環(huán)處土方超挖隨地表發(fā)生明顯沉降的情況，進(jìn)行地面打孔注漿或通過(guò)土倉(cāng)對(duì)掌子面注入高濃度泥漿等彌補(bǔ)措施。