李述培

(中鐵十八局集團(tuán) 第五工程有限公司，天津 300459)

近些年來，我國的城市建設(shè)取得了非凡成就，城鎮(zhèn)化建設(shè)的同時(shí)也帶來了諸多問題，如交通擁擠、環(huán)境污染等.為了緩解地面交通壓力，城市交通逐漸向地下空間挺進(jìn)，地鐵與軌道交通應(yīng)運(yùn)而生，北京、上海、南京、廣州等38 個(gè)城市相繼興起地鐵工程建設(shè).截至2019 年，我國地鐵運(yùn)營總里程已突破5 000 km，見圖1.盾構(gòu)法施工是城市地下隧道的主要施工方法之一，但是由于地質(zhì)情況復(fù)雜，開挖面的穩(wěn)定性預(yù)測和控制是一項(xiàng)非常困難的工作.因此，開展不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道施工開挖面的穩(wěn)定性研究對于地鐵建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3].

圖1 我國地鐵運(yùn)營總里程變化曲線

地鐵隧道開挖，不僅對地表建筑物有擾動(dòng)影響，也會(huì)對既有隧道產(chǎn)生干擾，如何合理安排施工成為地鐵建設(shè)的重要課題[4-5].經(jīng)多方研究表明，不同的地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工開挖面的破壞形式及受力狀況是不同的，需要針對具體情況作相應(yīng)的分析計(jì)算[6-9].地下巖層在滲流作用下其強(qiáng)度和穩(wěn)定性會(huì)大大降低，對于盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性影響也十分顯著，工程實(shí)踐表明滲流破壞是隧道建設(shè)的主要危害之一[10-12]，對此，王闖[13]、馮立坡等[14]采用流固耦合方法對盾構(gòu)隧道施工開挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行了探討分析，獲得了一些有用的研究成果.

含水復(fù)合地層的力學(xué)行為十分復(fù)雜，在滲流作用下對于開挖面的穩(wěn)定性影響更加復(fù)雜，本文選擇最常見的灰?guī)r-砂土復(fù)合地層作為地鐵隧道施工的對象，并考慮滲透水作用，對盾構(gòu)隧道施工開挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期為類似工程提供參考.

1 工程概況

某市X號(hào)地鐵線處于沖洪積平原和丘陵山地地區(qū)，地鐵區(qū)間線路主要采用盾構(gòu)法施工，沿線地層均為復(fù)合地層，其中：K17+100～K20+710 段主要為黏土-卵石-砂層；K20+710～k21+610 段主要為灰?guī)r-砂土層，局部地層有地下滲水；K21+610～K26+230 段主要為黏土-卵石-細(xì)砂層，該段砂土層的主要特征為呈棕褐色，砂質(zhì)不純不均，含水率高，密度較大；灰?guī)r的主要特征為風(fēng)化程度較高，巖溶、節(jié)理發(fā)育明顯，存在裂隙水，自穩(wěn)性較差.故本文選取典型的砂土-灰?guī)r復(fù)合地層進(jìn)行開挖面穩(wěn)定性分析.

2 數(shù)值分析模型的建立

利用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行建模分析，模型的長(x方向)×寬(y方向)×高(z方向)=60 m×50 m×85 m，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，模型共計(jì)包括52 880 個(gè)單元以及56 040 個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2.模型邊界條件設(shè)置如下：模型表面為自由面且施加水壓力，對隧道軸線施加y方向的水平約束，對yz對稱面施加x方向的水平約束，在模型底部施加z方向的豎向約束；隧道襯砌邊界設(shè)置為不透水的邊界，開挖面邊界則設(shè)置為透水型邊界；計(jì)算中土體本構(gòu)模型選取Morh-coulomb 模型，襯砌選用線彈性模型.在分析時(shí)，調(diào)整灰?guī)r層和砂土層的上下關(guān)系，即上硬下軟地層為灰?guī)r-砂土，下硬上軟地層為砂土-灰?guī)r，盾構(gòu)直徑為10 m，砂土、灰?guī)r以及管片的材料設(shè)置參數(shù)見表1.

圖2 數(shù)值分析模型示意

表1 材料相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 灰?guī)r-砂土復(fù)合地層分析

取隧道埋深分別為10、20和30 m進(jìn)行分析，得到了不同支護(hù)力比λ(λ為盾構(gòu)隧道開挖面的支護(hù)力與盾構(gòu)隧道開挖前總側(cè)壓力之比)下開挖面水平位移的變化情況，見圖3.其中，豎向直徑為隧道開挖直徑，以中心為圓點(diǎn)，向上半徑為正，向下半徑為負(fù).從圖3 可以看出，上硬-下軟復(fù)合地層隧道開挖面變形主要集中于砂土地層；同等埋深下，支護(hù)力比越大，開挖面的水平位移越??；在相同支護(hù)力比情況下，埋深越大，開挖面的水平位移值越??；當(dāng)埋深為10 m，支護(hù)力大于等于0.5 時(shí)，其水平位移較小，可忽略不計(jì)，但當(dāng)支護(hù)力比小于等于0.4 時(shí)，水平位移值急劇增加，且最大變形位置處于-4 m(開挖面下方3 m)處；當(dāng)埋深為20 m，支護(hù)力比大于等于0.4 時(shí)，其水平位移較小，但當(dāng)支護(hù)力比小于等于0.3 時(shí)，水平位移值急劇增加，且最大變形位置處于-3 m 處；當(dāng)埋深為30 m，支護(hù)應(yīng)力大于等于0.2 時(shí)，其水平位移較小，但當(dāng)支護(hù)力比小于等于0.1 時(shí)，水平位移值急劇增加，且最大變形位置處于-3 m 處.

圖3 上硬下軟地層不同埋深和支護(hù)力比下隧道開挖面水平位移

對開挖面極限支護(hù)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示.從表2 可以看出，隨著隧道埋深比的不斷增加，隧道開挖面的極限支護(hù)力逐漸降低，基本呈線性減小，破壞位置有向上變化的趨勢，但不明顯.

表2 上層砂土下層灰?guī)r地層開挖面極限支護(hù)力

在滲流作用下，不同滲透系數(shù)k時(shí)開挖面的水平位移見圖4.從圖4 可以看出，不同滲透系數(shù)下，極限支護(hù)力比均為0.3，且破壞位置均位于開挖面下方約3 m 處；當(dāng)滲透系數(shù)小于等于1e-6 m/s 時(shí)，在極限支護(hù)力比下，最大位移量僅為615 mm；當(dāng)滲透系數(shù)大于1e-6 m/s 時(shí)，極限支護(hù)力比的最大水平位移量為1 250 mm 左右.

圖4 上硬下軟地層不同滲透系數(shù)下隧道開挖面水平位移

3.2 砂土-灰?guī)r復(fù)合地層分析

同理，仍然取隧道埋深分別為10、20 和30 m進(jìn)行分析，得到了不同支護(hù)力比λ 下開挖面水平位移的變化情況，見圖5.從圖5 可以看出，當(dāng)隧道處于上軟下硬復(fù)合地層時(shí)，隧道開挖面的主要變形仍然集中于砂土地層，但是灰?guī)r層的變形較上硬下軟地層時(shí)大；同等埋深下，支護(hù)力比越大，變形越?。幌嗤ёo(hù)力比下，埋深越大，變形量越??；埋深為10、20 和30 m 時(shí)，隧道開挖面水平位移發(fā)生突變的極限支護(hù)力比分別為0.4、0.3 和0.2，對應(yīng)的破壞位置分別為開挖面以上1 m、中心線上以及開挖面以上1 m.

圖5 上軟下硬地層不同埋深和支護(hù)力比下隧道開挖面水平位移

對開挖面極限支護(hù)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示.從表3 可以看出，隨著埋深比的不斷增加，隧道開挖面的極限支護(hù)力逐漸降低，也基本呈線性減小，破壞位置位于開挖面上方0～1 m，但規(guī)律不是特別明顯.

表3 上層灰?guī)r下層砂土地層開挖面極限支護(hù)力

經(jīng)分析得到的不同滲透系數(shù)下開挖面的水平位移情況見圖6.由圖6 可知，不同滲透系數(shù)下，開挖面的最大水平位移位于開挖面中心上部約1-2 m 處；滲透系數(shù)越大，隧道開挖面水平位移量越大；當(dāng)滲透系數(shù)小于等于1e-6 m/s 時(shí)，其水平位移量變化不大；當(dāng)滲透系數(shù)大于1e-6 m/s 時(shí)，水平位移快速增加；當(dāng)滲透系數(shù)為1e-4 m/s 時(shí)，最大水平位移量達(dá)2 310 mm，約為k=1e-6 m/s 時(shí)的2 倍.

圖6 上軟下硬地層不同滲透系數(shù)下隧道開挖面水平位移

4 盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定控制措施

城市軌道交通一般埋深較淺，地層變化較快，圍巖自穩(wěn)性較差，在地下水滲流作用下，更易發(fā)生局部不穩(wěn)定現(xiàn)象(如流土流砂)，從而造成開挖面坍塌事故.根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合前人研究成果，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：1)采用最新的TRT 技術(shù)(地震波反射追蹤技術(shù))進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確掌握復(fù)合地層、不良地層的性質(zhì)、位置和規(guī)模等信息；2)采取一定措施，對溶洞、軟土層等進(jìn)行超前地質(zhì)加固；3)盾構(gòu)刀盤盡量選擇復(fù)合刀盤，并配置全盤滾刀，定期進(jìn)行檢測，以保證可以順利通過軟硬巖地層；4)對土倉壓力和出土量進(jìn)行嚴(yán)格控制；5)對渣土進(jìn)行改良，將泡沫注入方式由管路混合改為混合箱混合；6)采取管片雙液注漿法；7)對地表沉降、周圍建筑物、圍巖情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù).

5 結(jié)論

1)當(dāng)為上硬下軟地層時(shí)，盾構(gòu)開挖面的變形主要集中于砂土層，破壞位置在開挖面以下3～4 m；當(dāng)為上軟下硬地層時(shí)，破壞位置位于開挖面中心以上0～2 m.

2)相同埋深下，支護(hù)力比越大，隧道開挖面水平位移越?。幌嗤ёo(hù)力比下，埋深越大，隧道開挖面水平位移量越小；上硬下軟地層不同埋同埋深下對應(yīng)的極限支護(hù)力比為0.4、0.3 和0.1，上軟下硬地層時(shí)為0.4、0.3 和0.2.

3)隨著滲透系數(shù)的增加，隧道開挖面的變形量逐漸增大，2 種復(fù)合地層對應(yīng)的臨界滲透系數(shù)均為1e-6 m/s，若滲透系數(shù)大于此值后，隧道開挖面變形量顯著增加.