徐世紅,牛云峰,陽(yáng)文通,陳 銳,譚芝文

(1.中建隧道建設(shè)有限公司 重慶市 401320;2.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司 重慶市 401320;3.中鐵二院咨詢(xún)監(jiān)理有限責(zé)任公司 成都市 610000)

0 引言

隨著盾構(gòu)技術(shù)的迅猛發(fā)展,中國(guó)已經(jīng)在逐步克服敏感地區(qū)、地質(zhì)復(fù)雜多樣地區(qū)的盾構(gòu)隧道建設(shè)難題,如上海、南京地區(qū)的軟土地層,北京地區(qū)的砂卵石地層以及重慶地區(qū)的回填土地層等[1]。這些地層對(duì)開(kāi)挖擾動(dòng)敏感,在修建隧道時(shí)容易發(fā)生大變形,尤其是當(dāng)盾構(gòu)隧道靠近鄰近建筑和管線(xiàn)時(shí),對(duì)地層變形控制要求極高。

近年來(lái),已有不少學(xué)者在盾構(gòu)隧道地層變形的相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的研究。姜安龍[2]基于彈性理論推導(dǎo)了盾構(gòu)施工變形計(jì)算公式,并依托實(shí)際工程分別研究了土艙壓力、刀盤(pán)和盾殼與土體的摩擦力、地層損失以及同步注漿壓力對(duì)地表變形的影響。鄧皇適等[3]基于Mindlin解推導(dǎo)了由注漿壓力非均勻分布引起的地表沉降計(jì)算公式,并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)驗(yàn)證了公式的合理性。鄭剛等[4]自行研制了砂土模型試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖和注漿的模型試驗(yàn),并采用Plaxis 2D軟件進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,研究結(jié)果符合Peck公式的預(yù)測(cè)規(guī)律。葉飛等[5]依托西安地鐵4號(hào)線(xiàn)區(qū)間盾構(gòu)隧道工程,采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,最終確定0.1MPa為該工程最合理的土艙壓力取值。孫闖等[6]依托上海某盾構(gòu)隧道工程,借助FLAC3D軟件模擬了不同注漿壓力工況下地表沉降槽的變化情況,研究結(jié)果表明0.2～0.3MPa的同步注漿壓力比較適合于該工程地質(zhì)情況。李俊猛[7]利用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D模擬了不同土艙壓力下盾構(gòu)施工的地層變形情況,研究結(jié)果表明,土艙壓力越接近于原始靜止土壓力,地表最大沉降量越小。

不同地區(qū)的地質(zhì)條件存在較大差異,尤其是重慶地區(qū)典型的回填土地層,往往存在壓實(shí)度較低和級(jí)配不良等問(wèn)題,為盾構(gòu)施工帶來(lái)了不確定性,也給地層變形的控制增加了難度,因此針對(duì)這一特殊地質(zhì)開(kāi)展研究具有重大的意義。鑒于此,依托重慶軌道交通五號(hào)線(xiàn)北延伸段工程,以土艙壓力這一影響因素為側(cè)重點(diǎn),針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越回填土區(qū)的情況建立三維數(shù)值模型,對(duì)不同土艙壓力條件下盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地層變形情況進(jìn)行研究,研究成果可為類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

重慶軌道交通五號(hào)線(xiàn)北延伸段工程中央公園西站-椿萱大道站區(qū)間(FCK5+114.8～FCK6+236.1)位于渝北區(qū),隧道大致沿利成大道地下敷設(shè),全長(zhǎng)1121.3m。區(qū)間隧道主要采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)開(kāi)挖直徑6.885m,盾構(gòu)管片外徑6.6m,內(nèi)徑5.9m,管片幅寬1.5m,厚度0.35m。其中,中央公園西站-椿萱大道站左線(xiàn)區(qū)間(左FCK5+743.7～左FCK6+199.3)及右線(xiàn)區(qū)間(右FCK5+752.7～右FCK6+212.7)穿越欠固結(jié)回填土區(qū),該區(qū)段的人工填土基本上以素填土為主,地質(zhì)剖面圖如圖1所示。素填土為雜色,以粘性土夾砂巖、泥巖碎(塊)石為主,骨架顆粒粒徑以20～600mm為主,局部大于1m,含量一般為20%～45%,在厚度較大的地段中下部塊(碎)石含量顯著增高,局部可達(dá)到50%～60%,粒徑也有所增大,局部存在架空現(xiàn)象,由淺及深呈松散～稍密狀,土體稍濕,地下水含量主要受大氣降水、城市地下排水管線(xiàn)滲漏補(bǔ)給影響,回填區(qū)厚0.5～44.5m,沿線(xiàn)填土堆填年限在1～3a左右。

圖1 中椿區(qū)間回填土段地質(zhì)剖面圖

由于盾構(gòu)施工隧道所穿越的回填土地層屬于級(jí)配不良的土石混合體,其施工穩(wěn)定性和自主承載能力較差,且隧道埋深較淺,施工期間如果出現(xiàn)土艙壓力過(guò)大的情況則極易引起地表隆起現(xiàn)象,而土艙壓力偏小又可能導(dǎo)致掌子面不穩(wěn)定,土體下移從而引發(fā)地層的不均勻沉降,而地鐵隧道往往處于城市主干道之下,上述兩種情況都將對(duì)市政交通及周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。由此看來(lái),回填土區(qū)盾構(gòu)施工存在很大的風(fēng)險(xiǎn),而土艙壓力作為控制地層變形的關(guān)鍵因素之一,其影響機(jī)理和合理范圍的確定具有較高的研究?jī)r(jià)值。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

考慮到尺寸效應(yīng)和計(jì)算效率問(wèn)題,土體模型尺寸可取為3～5倍洞徑左右,采用有限元軟件ABAQUS建立尺寸為50m×40m×30m的三維模型,其中50m為模型寬度,40m為模型深度,盾構(gòu)開(kāi)挖模擬每次進(jìn)尺6m(即4環(huán)),開(kāi)挖5次,共進(jìn)尺30m。模型的邊界條件設(shè)置情況是以底面和側(cè)面為位移邊界,限制垂直于各面方向的水平移動(dòng),地表作為自由邊界。填土深度取15m,其下基巖均為泥質(zhì)砂巖,隧道上覆填土厚度為3.86m。模擬過(guò)程考慮土體開(kāi)挖時(shí)的應(yīng)力釋放效應(yīng)和漿液的硬化過(guò)程,利用溫度場(chǎng)控制可改變土體和漿液在不同分析步中的材料參數(shù),將應(yīng)力釋放后的土體楊氏模量折減60%。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),漿液注入時(shí)呈流動(dòng)狀態(tài),彈性模量在0.9MPa左右;24小時(shí)后漿液硬化,彈性模量在4MPa左右;28d后長(zhǎng)期固化,彈性模量可達(dá)到400MPa以上,考慮到開(kāi)挖步長(zhǎng)較短,可取漿液硬化后的彈性模量為4MPa更符合工程實(shí)際。利用荷載模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)土艙壓力和同步注漿壓力的控制,根據(jù)施工單位專(zhuān)項(xiàng)方案將注漿壓力設(shè)置為0.3MPa;根據(jù)圍巖壓力計(jì)算式q=γh[8](式中γ為圍巖重度,單位為N/m3;h為隧道埋深,單位為m)可得掌子面中心圍巖壓力為146kPa,以此為參考,先施加150kPa土艙壓力進(jìn)行初步模擬。模型中各項(xiàng)材料的基本參數(shù)設(shè)置情況詳見(jiàn)表1,模型情況如圖2所示。

表1 模型材料參數(shù)

圖2 數(shù)值模型示意圖(半無(wú)限空間體)

2.2 豎向位移響應(yīng)分析

圖3展示了開(kāi)挖完成后地層的豎向位移云圖。由圖3可知,在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖完成后,地表1倍洞徑左右的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的沉降,沉降槽的幅寬在3倍洞徑左右,最大沉降值為12.35mm,由于開(kāi)挖引起的地應(yīng)力釋放效應(yīng),隧底出現(xiàn)隆起現(xiàn)象,最大隆起值為20.85mm。模擬規(guī)律符合一般工程經(jīng)驗(yàn),所得地層變形也滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制值[9]。

圖3 豎向位移云圖及輸出路徑示意圖

為進(jìn)一步分析地層變形在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的變化規(guī)律,在如圖3所示的位置設(shè)定豎向位移輸出路徑(15m附近),可得到各開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的地表變形曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 不同開(kāi)挖步的地表變形曲線(xiàn)圖

觀(guān)察曲線(xiàn)可知,當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至6m時(shí),監(jiān)測(cè)路徑上的豎向位移為正值,隧道中心線(xiàn)上位移值最大,約為0.8mm,說(shuō)明在盾構(gòu)經(jīng)過(guò)前地層變形表現(xiàn)為隆起,推測(cè)這是由于隧道埋深較淺,推進(jìn)過(guò)程中土艙壓力對(duì)前方土體影響較大所致;當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至12m時(shí),掌子面距監(jiān)測(cè)斷面僅為3m,此時(shí)隧道中心線(xiàn)處的隆起減小為0.4mm左右,中心線(xiàn)兩側(cè)的隆起少量增加,地表出現(xiàn)了沉降趨勢(shì);當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至18m時(shí),盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至監(jiān)測(cè)路徑正下方,地表出現(xiàn)了沉降槽,隧道中心線(xiàn)處的沉降值為1.4mm,模型兩側(cè)的地表繼續(xù)表現(xiàn)為隆起,推測(cè)其原因是受到注漿壓力的影響和模型邊界效應(yīng)的限制;當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至24m時(shí),盾殼前移,脫出了監(jiān)測(cè)路徑正下方,隧道中心線(xiàn)處的最大沉降增加到2.4mm,增加了近70%;當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖至30m時(shí),隧道中心線(xiàn)的最大沉降值突增到7.7mm,又增加了2倍左右,模型兩側(cè)的隆起量也發(fā)生下降,推測(cè)其原因是受剪力滯后效應(yīng)的影響,以及模型尺寸有限,開(kāi)挖30m后貫穿了整個(gè)地層,從而導(dǎo)致該開(kāi)挖步地表沉降量的大幅增加。綜上所述,盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地層變形的影響可分為盾構(gòu)到達(dá)前、經(jīng)過(guò)時(shí)和通過(guò)后三個(gè)階段,在盾構(gòu)到達(dá)前地層出現(xiàn)少量隆起,盾構(gòu)經(jīng)過(guò)時(shí)地表出現(xiàn)明顯的沉降槽,盾構(gòu)通過(guò)后地表最大沉降還將持續(xù)增加70%左右。

2.3 土艙壓力對(duì)地層變形的影響分析

為研究不同土艙壓力對(duì)地層變形影響的差異,設(shè)置了如表2所示的5種工況分別進(jìn)行模擬,分別提取不同土艙壓力下開(kāi)挖完成后的最終沉降曲線(xiàn)如圖5所示。

表2 數(shù)值模擬工況表

圖5 不同土艙壓力掘進(jìn)完成后的沉降曲線(xiàn)圖

觀(guān)察5種工況下的最終沉降曲線(xiàn)可知,土艙壓力越大,模型兩側(cè)的地表隆起量越大,地表最大隆起量通常出現(xiàn)在隧道兩側(cè)7.15m處,距隧道約1倍洞徑;當(dāng)土艙壓力從0.1MPa提高到0.125MPa時(shí),最大地表沉降量降低了0.4mm左右,此時(shí)達(dá)到最小值,隨著土艙壓力繼續(xù)增大,隧道中心線(xiàn)處的地表沉降值也繼續(xù)增加。由此可見(jiàn),地表隆起一定程度上是受到土艙壓力的影響,土艙壓力越大,隧道兩側(cè)的地表隆起量越大;當(dāng)土艙壓力較小時(shí),盾構(gòu)掘進(jìn)完成后的隧道中心線(xiàn)處的最大地表沉降量隨著土艙壓力的增大而增大,當(dāng)土艙壓力超過(guò)圍巖壓力后,最大地表沉降量隨土艙壓力的增大而減小。綜上所述,0.125MPa為適合本工程的最佳土艙壓力。

3 結(jié)論

依托重慶軌道交通五號(hào)線(xiàn)北延伸段工程,基于ABAQUS建立三維數(shù)值模型對(duì)不同土艙壓力下盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了模擬,通過(guò)對(duì)各開(kāi)挖階段的豎向位移云圖和沉降曲線(xiàn)進(jìn)行分析,得出了如下結(jié)論:

(1)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中引起的地表沉降槽幅寬在3倍洞徑左右,最大地表沉降量為12.35mm,最大拱底隆起量為20.85mm,滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范控制值要求。

(2)盾構(gòu)到達(dá)前地層出現(xiàn)少量隆起,盾構(gòu)經(jīng)過(guò)時(shí)其上方地表將出現(xiàn)明顯的沉降槽,盾構(gòu)通過(guò)后地表最大沉降還將持續(xù)增加70%左右。

(3)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,隨著土艙壓力的增大,地表隆起量也增大,而地表沉降量表現(xiàn)為先減小后增大,說(shuō)明土艙壓力并非越大越好,尤其是在隧道埋深較淺的情況下,其土艙壓力設(shè)置值略低于圍巖壓力時(shí)為最佳,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,該工程條件下土艙壓力取約為0.125MPa時(shí)對(duì)地層變形的影響最小。