王朋朋，商兆濤，夏琴 （蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

城市建設(shè)的迅速發(fā)展已使得地上空間難以滿足不斷增長(zhǎng)的建設(shè)需求，地下空間的開發(fā)成為不可忽視的趨勢(shì)。在此背景下，盾構(gòu)法因其高效、安全以及對(duì)環(huán)境的友好性等特點(diǎn)，逐漸演變?yōu)槌鞘兴淼澜ㄔO(shè)的首選技術(shù)[1]。然而，考慮到盾構(gòu)穿越地層地質(zhì)條件的多樣性，主要分為單一地層和軟硬復(fù)合地層，由此導(dǎo)致盾構(gòu)施工引起的周圍土體或巖體變形規(guī)律呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣性。在多種復(fù)雜地層中施工時(shí)，若施工參數(shù)（如掌子面壓力和注漿壓力等）無(wú)法正確調(diào)整，可能會(huì)導(dǎo)致開挖面破壞和地表塌陷，從而對(duì)施工安全和建筑物穩(wěn)定性構(gòu)成威脅[2]。

已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種研究方法，探討了盾構(gòu)穿越復(fù)合地層時(shí)的地表沉降規(guī)律。在數(shù)值模擬上，袁僑蔚、鄭世杰等[3-4]分別對(duì)盾構(gòu)穿越砂土地層和復(fù)合地層進(jìn)行了模擬研究。在模型試驗(yàn)方面，王俊等[5]通過(guò)室內(nèi)模型掘進(jìn)試驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬，針對(duì)砂卵石地層和上軟下硬地層，深入研究了由超挖引起的土體擾動(dòng)規(guī)律。而在解析法方面，盡管隨機(jī)介質(zhì)理論和Mindlin 解[6-7]更適用于均質(zhì)地層，但其被應(yīng)用于分析隧道開挖對(duì)地層的擾動(dòng)。

本文將大直徑盾構(gòu)穿越多種地層類型作為研究對(duì)象，綜合考慮了工程地質(zhì)條件和實(shí)際施工參數(shù)，構(gòu)建了精細(xì)的三維計(jì)算模型，通過(guò)調(diào)整掌子面砂巖層的比例，深入探討了盾構(gòu)穿越不同地層對(duì)地表沉降的影響。這些研究結(jié)果為應(yīng)對(duì)多樣化復(fù)雜地質(zhì)情況下的盾構(gòu)穿越提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

2 工程概況

蕪湖城南過(guò)江隧道位于安徽省蕪湖市，穿越長(zhǎng)江皖江段的“大拐彎”地段，是省內(nèi)首條過(guò)江隧道，其平面位置布置如圖1 所示?？偣こ涕L(zhǎng)度達(dá)5.965km，始于江北新城緯一路，止于江南主城連接大工山路。其中，盾構(gòu)段約占4.000km，道路標(biāo)準(zhǔn)為城市快速路，設(shè)置雙向六車道。工程選用了兩臺(tái)直徑為15.07m 的大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，隧道的內(nèi)徑為13.3m、外徑為14.5m，每塊管片的寬度為2.0m，隧道的最大縱坡限制在4%以內(nèi)。左右線隧道不同時(shí)始發(fā)，右線隧道先行掘進(jìn)，于2021 年11 月啟動(dòng)，左線于2022 年4 月始發(fā)。在正常施工條件下，左右線開挖面的縱向距離均大于100m，相互之間的影響較小?？紤]到后行掘進(jìn)的左線對(duì)右線開挖面的影響較小，并且右線開挖面的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更符合“V”型分布特征，本文選取右線先行隧道作為研究對(duì)象進(jìn)行研究。

圖1 過(guò)江隧道平面布置圖

隧道施工前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，隧道所穿越的地質(zhì)層主要包括粉砂、細(xì)砂、風(fēng)化粉砂巖、石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和凝灰角礫巖等，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，地質(zhì)縱斷面分布情況如圖2 所示。由地勘報(bào)告可知，主要地層的物理力學(xué)性質(zhì)詳見表1。由于隧道所處地層的物理力學(xué)特性存在較大的空間變異性，故其地層強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的不均勻性。在盾構(gòu)穿越多種復(fù)雜斷面的過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)（如掌子面的附加推力、扭矩、角度等）設(shè)置不合理，都可能導(dǎo)致盾構(gòu)工作面的不穩(wěn)定。對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地表沉降影響極其敏感，圍巖在此情況下很容易發(fā)生坍塌和變形，還可能引發(fā)涌水和突泥現(xiàn)象，這進(jìn)一步增加了沉降控制的難度。

表1 場(chǎng)區(qū)地層巖土參數(shù)

表2 盾構(gòu)及襯砌參數(shù)表

圖2 盾構(gòu)穿越段地質(zhì)剖面圖

本文以右線隧道掘進(jìn)為研究對(duì)象，盾構(gòu)分別穿越全斷面砂層、軟硬復(fù)合地層和全斷面巖層，施工現(xiàn)場(chǎng)全線布置地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3 所示，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)688DC 為盾構(gòu)穿越全斷面砂層位置。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 沉降控制數(shù)值模擬

3.1 建立有限元模型

本研究以雙線隧道盾構(gòu)施工為基礎(chǔ)，建立了以兩隧道軸線為中心對(duì)稱的三維有限元模型。一般情況下，盾構(gòu)施工引起的地表沉降影響范圍為隧洞兩側(cè)3～5 倍洞徑。為了模擬在不同地層中的掘進(jìn)，設(shè)定最大軸線埋深為50m 左右，故模型的尺寸設(shè)定為120m（長(zhǎng)）×60m（寬）×100m（高），基本涵蓋了掘進(jìn)過(guò)程中的影響范圍，同時(shí)在模型的建立過(guò)程中充分考慮了邊界效應(yīng)。模型中地層均被設(shè)置為水平均勻分布，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，埋深保持不變，主要通過(guò)調(diào)整隧道開挖面的砂層和巖層占比來(lái)研究盾構(gòu)穿越不同地層時(shí)對(duì)地表沉降的影響，圖4為砂巖占比為2:1和1:2的情況。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

通過(guò)在模型中土體與盾殼最外層設(shè)置接觸面，以模擬掘進(jìn)過(guò)程中盾殼與土體之間的摩擦作用。在掘進(jìn)正前方和盾尾處，通過(guò)設(shè)置面荷載來(lái)模擬掌子面的附加推力和盾尾注漿壓力。不同于中小直徑盾構(gòu)機(jī)，大直徑盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中的掌子面附加推力分布不均，在數(shù)值模擬中假設(shè)掌子面推力由上至下呈線性遞增，盾尾注漿壓力也根據(jù)注漿孔位置的不同由上至下遞增，荷載設(shè)置如圖5所示。

圖5 荷載布置圖

考慮到管片長(zhǎng)度為2m 一環(huán)，為了保證與實(shí)際開挖一致，在模擬中采用了2m 循環(huán)開挖的方式，每次向前開挖2m。在開挖過(guò)程中，掌子面施加由上至下線性遞增的水平推力，盾尾施加環(huán)向消散的注漿壓力。完成上一環(huán)開挖計(jì)算后，首先移除上一環(huán)的掌子面附加推力和盾尾注漿壓力，然后再向前開挖2m，并施加該環(huán)的掌子面附加推力和盾尾注漿壓力。依此循環(huán)向前進(jìn)行，直至開挖完成，共計(jì)30個(gè)開挖步。

3.2 選取盾構(gòu)參數(shù)

摩爾庫(kù)倫模型是一種普遍使用的巖土本構(gòu)模型，適用于在剪應(yīng)力下發(fā)生屈服，但剪應(yīng)力僅由最大和最小主應(yīng)力確定，并且第二主應(yīng)力不對(duì)屈服產(chǎn)生影響。在本模型中，土體采用摩爾庫(kù)倫模型，同時(shí)根據(jù)地勘結(jié)果按照表1 中的土體參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。采用空模型來(lái)模擬土體開挖，考慮到周圍土體與盾殼之間呈現(xiàn)剛性接觸，受荷載作用可能產(chǎn)生滑移和分離。因此，將法向剛度和剪切剛度設(shè)置為周圍“最硬”相鄰區(qū)域等效剛度的10倍。

在實(shí)際施工過(guò)程中，同步注漿壓力被設(shè)定為0.3～0.5MPa，同時(shí)會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。同步注漿量充填系數(shù)范圍在180%～250%。基于實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中的掌子面附加推力參數(shù)，將數(shù)值模擬中的推力設(shè)定為200kPa。推力會(huì)沿隧道拱頂?shù)焦暗拙€性遞增20kPa/m。盾尾注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，設(shè)定為200～300kPa。環(huán)形應(yīng)力被分為三部分，上部注漿孔壓力為200kPa，中部注漿孔為250kPa，底部注漿孔為300kPa。

3.3 驗(yàn)證模型

為了驗(yàn)證模型合理性，本文選取668DC 監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，該斷面為盾構(gòu)穿越全斷面砂層，砂層占比為100%，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，地表橫向沉降在砂層占比為100%的數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布規(guī)律基本一致，呈“V”型分布，最大地表沉降值都在隧道軸線處。其中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉降值略大于模擬值，可能是由于隧道開挖過(guò)后隧道軸線處地表仍處于蠕變狀態(tài)，沉降持續(xù)緩慢增加，而模擬過(guò)程中未考慮到蠕變效應(yīng)。盡管隧道軸線處最大沉降值存在一定差異，但通過(guò)地表沉降監(jiān)測(cè)值和模擬值的整體分布規(guī)律以及最大沉降值差異不明顯，證明了本文模型作為后續(xù)研究模型的合理性。

圖6 模型驗(yàn)證結(jié)果圖

4 砂巖占比對(duì)地表沉降影響分析

為了研究隧道開挖面砂巖層占比對(duì)地表沉降的影響，將模型中隧道掌子面的埋深保持不變，通過(guò)改變軟硬地層厚度分別研究砂巖層占比不同時(shí)隧道掘進(jìn)對(duì)地表沉降的影響。同時(shí)由于隧道開挖過(guò)程中掌子面附加壓力會(huì)隨著開挖面土層情況的不同而改變大小，故也考慮附加推力對(duì)地表沉降的影響，具體工況見表3。

表3 計(jì)算工況

4.1 隧道縱斷面地表沉降分析

盾構(gòu)施工在不同開挖步下對(duì)隧道縱斷面地表沉降影響曲線如圖7 所示，在開挖到第2 環(huán)時(shí)，對(duì)隧道軸線上方地表沉降影響較小，在距離隧道起始開挖面8m 處的沉降僅有2mm。當(dāng)盾構(gòu)分別開挖至第9、12、15 和18 環(huán)時(shí)，距離起始開挖面24m 處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值為4.69mm、 6.26mm、 7.79mm 和9.18mm，軸線地表最大沉降值分別增加33.4%、24.4%和17.8%。說(shuō)明隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面附近時(shí)，開挖對(duì)地表沉降影響逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越監(jiān)測(cè)斷面后，對(duì)沉降的影響逐漸減小。當(dāng)開挖至30 環(huán)時(shí)，各隧道軸線縱斷面地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離開挖面越遠(yuǎn)，對(duì)沉降影響越小。

圖7 不同開挖步下隧道軸線縱斷面地表沉降圖

4.2 掌子面不同砂巖層占比對(duì)地表橫斷面沉降影響分析

考慮到盾構(gòu)穿越地質(zhì)情況異常復(fù)雜，分別穿越全砂層、砂巖復(fù)合地層以及全巖層，其中穿越砂巖復(fù)合地層距離長(zhǎng)、施工難度大、對(duì)地表沉降控制要求高。圖8 為模擬穿越不同地層時(shí)掌子面砂巖占比的地表橫斷面沉降曲線圖。由圖8可知，盾構(gòu)穿越各種地層時(shí)，地表橫斷面沉降曲線呈現(xiàn)出“V”型分布，其中隧道中心線上方地表沉降值最大，依次向兩邊遞減，當(dāng)遞減至3 倍洞徑以外后，地表沉降趨近于0，說(shuō)明盾構(gòu)開挖對(duì)3～5倍洞徑外的地層影響很小。掌子面砂巖層占比為1:0、2:1、1:1、1:2和0:1時(shí)地表最大沉降值分別為12.52mm、8.39mm、4.85mm、2.43mm 和0.62mm，地表沉降分別減小49.2%、72.9%、99.5% 和291.9%。當(dāng)掌子面全部為砂層時(shí)，地表沉降最大，當(dāng)掌子面砂層逐漸減小直至全部為巖層時(shí)，地表沉降急速降低。這主要是由于相較于砂層，巖層具有較高的力學(xué)性能，可以產(chǎn)生一定的圍護(hù)作用，可以為開挖面提供較為穩(wěn)定的支撐。

圖8 掌子面不同砂巖層占比地表橫斷面沉降圖

4.3 掌子面附加推力對(duì)地表橫斷面沉降影響分析

當(dāng)盾構(gòu)穿越軟硬復(fù)合地層時(shí)，地表沉降小于全砂層，此時(shí)掌子面附加推力可以適當(dāng)減小，將推力共設(shè)置8 組，其中300～100kPa 等距減小?？紤]到推力減小至某一值后可能導(dǎo)致掌子面前方地表突然坍塌，故將小于100kPa后的推力減小值逐漸縮小，以便找到致使掌子面失穩(wěn)地面坍塌時(shí)的附加推力。圖9 為不同大小掌子面附加推力時(shí)地表沉降曲線圖。由圖9 可知，當(dāng)掌子面推力依次降低至100kPa 時(shí)，沉降值相較于300kPa時(shí)僅增加2.79mm；當(dāng)沉降值降低至68kPa 時(shí)，沉降值相較于推力為100kPa時(shí)增加至 24.56mm，增加量為16.75mm，增長(zhǎng)了214.7%；當(dāng)推力降低至60kPa 時(shí)，地表最大沉降值達(dá)到128.27mm，地表出現(xiàn)坍塌。由此可知，當(dāng)掌子面附加推力低于100kPa 時(shí)極易導(dǎo)致地表沉降量過(guò)大，造成地表失穩(wěn)塌陷，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中需要控制好推力。

圖9 不同掌子面附加推力下地表橫斷面沉降圖

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)開挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面時(shí)對(duì)地表沉降影響小，沉降值僅為2mm，當(dāng)開挖面逼近監(jiān)測(cè)斷面時(shí)對(duì)地表沉降影響最大，且隨著開挖的進(jìn)行，仍會(huì)產(chǎn)生沉降，但速率逐漸降低。

當(dāng)掌子面砂巖層占比不同時(shí)，對(duì)地表沉降的影響隨著巖層的增加而逐漸減小，當(dāng)全部為砂層時(shí)，地表最大沉降值為12.52mm，隨著巖層比例的增加，沉降逐漸減小，分別減小49.2%、72.9%、99.5%。當(dāng)掌子面全部為巖層時(shí)，地表最大沉降僅為0.62mm。

在盾構(gòu)穿越軟硬復(fù)合地層時(shí)，掌子面推力對(duì)地表沉降影響較大，當(dāng)推力在100～300kPa 時(shí)地表沉降保持在5.00～7.81mm；當(dāng)掌子面推力小于100kPa 時(shí)對(duì)地表沉降影響增大，且敏感度極高；當(dāng)沉降值降低至68kPa 時(shí)，沉降值相較于推力為100kPa 時(shí)增長(zhǎng)了214.7%；當(dāng)推力降低至60kPa 時(shí)，地表最大沉降值達(dá)到128.27mm，地表出現(xiàn)坍塌。