盧生安 王 威 肖 力

(1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司, 浙江溫州 325003; 2.浙江大學(xué)濱海與城市巖土工程研究中心, 杭州 310058)

溫州地鐵工程埋深范圍內(nèi)的地基土屬典型的海積、沖海積、濱海沼澤相淤泥質(zhì)土,與上海、杭州、寧波等地區(qū)相比,其含水量更高(高達(dá)70%)、靈敏度更高、觸變性更大、土的抗剪強(qiáng)度和滲透性更低、變形性和壓縮性更高。采用盾構(gòu)法施工往往會(huì)引起盾構(gòu)隧道周圍土層的擾動(dòng),產(chǎn)生相當(dāng)大的工后附加沉降,影響盾構(gòu)隧道及周邊建、構(gòu)筑物的長(zhǎng)期服役性能。明確盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)影響,準(zhǔn)確快速預(yù)測(cè)擾動(dòng)所帶來的附加沉降量,有助于盾構(gòu)隧道在建設(shè)過程中采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工方法來保證其安全性和耐久性。

土的結(jié)構(gòu)是土?；驁F(tuán)粒(幾個(gè)或多個(gè)土顆粒聯(lián)結(jié)成的集合體)在空間的排列和它們之間的相互聯(lián)結(jié)。[1-2]天然土在沉積過程中和沉積后受到不同的地質(zhì)條件、沉積環(huán)境、觸變硬化、淋溶、膠結(jié)等物理化學(xué)作用,因而表現(xiàn)出異于重塑土的力學(xué)特性。[3-5]而原狀土的力學(xué)特性不同于重塑土的復(fù)雜因素通常被歸結(jié)為土的結(jié)構(gòu)性影響。[3-4]大量工程經(jīng)驗(yàn)[6-8]表明:施工擾動(dòng)越大,附加沉降越大。同時(shí),大量室內(nèi)試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土屈服應(yīng)力減小,壓縮性增大。[9-12]這表明擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,宏觀表現(xiàn)為壓縮性增大、強(qiáng)度降低,工程性質(zhì)相對(duì)于原狀土較差,因此客觀評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)性以及擾動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于工程建設(shè)有著重大的意義。

土體的擾動(dòng)是指外界作用引起土的應(yīng)力釋放,體積、含水量或孔隙壓力的變化,以及結(jié)構(gòu)性或組構(gòu)的變化。[13-15]李濤等認(rèn)為定量評(píng)價(jià)擾動(dòng)度的物理力學(xué)指標(biāo)須要滿足有明確物理意義、對(duì)擾動(dòng)敏感、易量測(cè)或推算的條件。[16]許多學(xué)者采用不同的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建立了土體擾動(dòng)度評(píng)價(jià)方法并且給出了受擾動(dòng)后力學(xué)參數(shù)變化量與擾動(dòng)度之間的關(guān)系。Ladd等認(rèn)為:飽和土樣的不排水模量受土體擾動(dòng)最為敏感,采用不排水模量的變化來評(píng)價(jià)土體擾動(dòng)程度。[17]Chen等在杭州湘湖地鐵車站倒塌的基坑周圍做了大量的靜力觸探試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn),認(rèn)為擾動(dòng)度是土體不排水抗剪強(qiáng)度的衰減率。[18]徐永福等認(rèn)為:超孔壓較大的情況下,土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度喪失,因此提出以豎向有效應(yīng)力的改變程度(即應(yīng)力擾動(dòng)度)來衡量盾構(gòu)開挖引起土體的擾動(dòng)程度。[19]王軍提出以不排水強(qiáng)度特征量來定量評(píng)價(jià)土體擾動(dòng)程度的方法。[20]但以上評(píng)價(jià)指標(biāo)都是基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及室內(nèi)試驗(yàn),無法提前預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工擾動(dòng)周圍土層的規(guī)律。孫鈞等認(rèn)為土體受擾動(dòng)的影響主要反映在土體應(yīng)力、應(yīng)變及其力學(xué)性狀的變化,可以采用剪應(yīng)變的變異來定量識(shí)別。[21]Meng等從剪應(yīng)變的角度來描述土體受擾動(dòng)的程度,定義擾動(dòng)度是土體受施工擾動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)變與破壞剪應(yīng)變的比值,研究了不同施工參數(shù)對(duì)寧波黏土的擾動(dòng)的影響。[22]

以上研究往往針對(duì)于有一定沉積歷史的超固軟弱黏土,但對(duì)欠壓密的軟黏土并未進(jìn)行深入研究。因此,基于溫州市軌道交通M1線某區(qū)段的盾構(gòu)隧道施工的工程背景,通過研究評(píng)價(jià)該區(qū)域軟弱黏土的力學(xué)性狀和結(jié)構(gòu)性,建立地層-盾構(gòu)隧道三維彈塑性有限元模型,研究盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)規(guī)律以及擾動(dòng)度分布,計(jì)算施工引起的地表附加擾動(dòng)沉降,對(duì)有效預(yù)測(cè)類似工程案例的擾動(dòng)影響有一定的參考價(jià)值。

1 土樣特性

土樣取自溫州市軌道交通M1線溫州北站至金穗路站段的淤泥土層,在軌道兩側(cè)軌頂面線標(biāo)高內(nèi)選取8組代表性斷面,鉆孔編號(hào)依次為Z1、Z2、Z5、Z6、Z11、Z12、Z15、Z16,取樣深度基本位于距地表10 m左右范圍。為盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng),采用高度為30 cm,直徑為10 cm的薄壁取土器進(jìn)行取樣,通過千斤頂和反力架組成的推土器將土推出,在溫州大學(xué)開展基本物理性質(zhì)試驗(yàn)。其中,液塑限試驗(yàn)采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀法,試驗(yàn)步驟參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表1是土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo),Z1、Z2、Z5、Z12、Z15等5個(gè)孔位土樣含水率接近70%,而Z6、Z11、Z16則接近80%。8個(gè)孔位土樣的干、濕密度,相對(duì)密度孔隙比十分接近。圖1反映了土樣的稠度狀態(tài),土樣基本位于A線附近,B線以右。

A線:Ip=0.73(wL-20); B線:wL=50%。

2 一維壓縮性狀

(1a)

(1b)

(2a)

(2b)

其中eL=GswL

式中:eL是黏土液限的對(duì)應(yīng)孔隙比。

3 結(jié)構(gòu)性評(píng)價(jià)

許多學(xué)者通過對(duì)結(jié)構(gòu)性土的一維壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的土均具有較明顯的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,當(dāng)固結(jié)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí),其壓縮曲線較為平緩,壓縮性較小;當(dāng)固結(jié)應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí),壓縮曲線會(huì)出現(xiàn)驟降,壓縮性急劇增大;最后隨著固結(jié)應(yīng)力的不斷增大,其壓縮曲線最終會(huì)趨向于重塑土的壓縮曲線。因此,結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力是評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)性的重要參數(shù)。

Burland提出將結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與自重有效應(yīng)力的比值定義為屈服應(yīng)力比[5],陳云敏將其定義為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)[24],可以說明該比值能夠反映土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度強(qiáng)弱:

ηYSR=pc/p1

(3)

其中p1=∑γ′h

式中:ηYSR為屈服應(yīng)力比;pc為土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力;p1為土體的有效上覆應(yīng)力,γ′和h分別為土層的有效重度和厚度。

表2 土樣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)

Cotecchia 等提出了靈敏度架構(gòu)的概念[28],用以比較原狀天然結(jié)構(gòu)土與重塑土之間的力學(xué)行為。靈敏度可以作為黏土結(jié)構(gòu)性的直接評(píng)價(jià)方法,如上述的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度靈敏度。Chandler基于Burland的固有壓縮曲線理論提出了用應(yīng)力靈敏度來反映原狀土相較于重塑土的結(jié)構(gòu)抗力。[11]應(yīng)力靈敏度是原狀土的屈服應(yīng)力與屈服孔隙比下固有壓縮曲線所對(duì)應(yīng)的豎向有效應(yīng)力的比值:

(4)

圖5 應(yīng)力靈敏度

表3是各土樣應(yīng)力靈敏度計(jì)算結(jié)果,結(jié)合表中計(jì)算結(jié)果來看,各土樣的應(yīng)力靈敏度在9.56～43.19的范圍內(nèi)(除Z11-10外),均大于天然正常固結(jié)土的應(yīng)力靈敏度,說明該土樣在加載過程中比天然沉積土有更高的結(jié)構(gòu)附加抗力,這是由于該土樣具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性所致。而隨著土樣所承受固結(jié)壓力的不斷增大,壓縮曲線逐漸趨近于固有壓縮曲線,表明隨著固結(jié)壓力的不斷增大,土體的結(jié)構(gòu)性逐漸遭到破壞,壓縮性不斷增大,壓縮曲線最終趨近于重塑土。

表3 土樣應(yīng)力靈敏度

4 三維有限元模型分析

4.1 地層分布

溫州市軌道交通M1線溫州北站—金穗路站段盾構(gòu)隧道中心埋深16～20 m,該段局部地表填土較厚,最大埋深可達(dá)23 m左右。場(chǎng)地內(nèi)的軟土主要為上部淤泥和淤泥質(zhì)黏土,呈流塑狀,該類土層具低強(qiáng)度、高含水量、高壓縮性,有較明顯的蠕變、觸變特性,分布廣泛而連續(xù),厚度一般較大。盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥質(zhì)土。該層抗剪強(qiáng)度低,靈敏度高,施工擾動(dòng)后強(qiáng)度驟降,自穩(wěn)性能差。地層分布斷面如圖6所示。

4.2 有限元模型概況

選取溫州北站至金穗路站區(qū)間的某段65 m長(zhǎng)的區(qū)間作為研究對(duì)象,采用PLAXIS 3D對(duì)該區(qū)段的盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬。模型中包括土層、盾構(gòu)機(jī)外殼、盾尾、盾構(gòu)隧道襯砌以及開挖面,如圖7所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定該區(qū)段地層均為水平層狀,區(qū)間盾構(gòu)隧道上覆土層平均厚度為12.18 m。參考寧波桃渡路—鼓樓區(qū)間盾構(gòu)機(jī)[29]的外形尺寸,襯砌管片幅寬為1.2 m,外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,盾構(gòu)機(jī)全長(zhǎng)為8.4 m(相當(dāng)于7個(gè)襯砌環(huán))。為考慮盾構(gòu)機(jī)錐筒形所引起的地層變形,盾構(gòu)前6環(huán)按照-0.694‰的線性收縮率向盾尾逐漸收縮,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)錐形最大收縮率為0.5%。盾構(gòu)機(jī)第7環(huán)設(shè)置面收縮來考慮盾構(gòu)施工引起的地層損失。為消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,考慮影響范圍4～6倍的隧道直徑,地層模型x、y、z向的尺寸分別取60,150,60 m,其中x方向?yàn)榇怪庇诙軜?gòu)隧道軸線的橫向方向,y方向?yàn)槎軜?gòu)隧道軸向方向,而z方向?yàn)樨Q向。模型頂部為自由邊界,側(cè)邊界采用動(dòng)鉸支座約束,底邊界采用固定鉸支座約束。盾構(gòu)開挖面、盾尾和盾殼均采用不排水界面?；炷烈r砌和土層采用10結(jié)點(diǎn)楔形實(shí)體單元模擬,盾構(gòu)機(jī)外殼采用6結(jié)點(diǎn)板單元模擬,盾構(gòu)機(jī)與周圍土層之間的相互作用采用12結(jié)點(diǎn)的界面單元來模擬?？紤]到模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此取1/2模型進(jìn)行分析。

圖7 盾構(gòu)隧道開挖模擬有限元數(shù)值模型

4.3 有限元模型參數(shù)取值方法

盾殼和襯砌采用各向同性線彈性模型,不考慮塑性變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表4。盾構(gòu)隧道開挖卸荷區(qū)域的軟土層(②1)采用小應(yīng)變硬化模型(HSS model)來模擬土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。HSS模型在HS模型的基礎(chǔ)上不僅可以考慮剪切硬化和壓縮硬化,同時(shí)還考慮土體小應(yīng)變剛度特性,而且增加了對(duì)土體小應(yīng)變情況下的剪切模量衰減行為的考慮。因此,HSS本構(gòu)模型能夠更好地適用于敏感環(huán)境下盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土層影響的數(shù)值分析。其他軟土地層(①、③1)采用硬化土模型(HS model),盾構(gòu)隧道上部的填土和下部相對(duì)強(qiáng)度高的卵石采用摩爾-庫侖來模擬。以上模型的參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告并結(jié)合文獻(xiàn)[30]進(jìn)行取值。土層材料參數(shù)見表5所示。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表5 土的物理力學(xué)參數(shù)

4.4 有限元模型工況模擬

在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中,開挖面支護(hù)力是施工控制參數(shù)。根據(jù)杭州地區(qū)的盾構(gòu)開挖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),開挖面支護(hù)力與理論計(jì)算的靜止土壓力比值為1.16～1.74,呈梯形分布。模擬中取開挖面支護(hù)力與靜止水土壓力的比值為1.5。盾尾注漿率Gr是通過在盾構(gòu)機(jī)最后一環(huán)設(shè)置收縮率Cg來進(jìn)行模擬,《PLAXIS 3D 2018參考手冊(cè)》[31]給出收縮率Cg的大小是相對(duì)于盾構(gòu)隧道截面積改變率的一半。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn),盾尾間隙一般是盾構(gòu)隧道截面積的2%[32]。因此,注漿率Gr和襯砌收縮率Cg的關(guān)系如式(5):

Gr=(1-100Cg)×100%

(5)

根據(jù)寧波地鐵1號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),一般地表沉降從距離該斷面3D(D為隧道直徑)開始發(fā)展,盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面通過6D后逐漸穩(wěn)定。依據(jù)Meng數(shù)值模擬的分析結(jié)果[22]設(shè)置,在數(shù)值模擬中詳細(xì)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)開挖10D(51環(huán)襯砌)的過程。將觀察面設(shè)置在距離初始開挖面4D的位置,如圖8所示。通過A—A斷面隨盾構(gòu)施工掘進(jìn)的力學(xué)響應(yīng)來總結(jié)盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)地層的擾動(dòng)規(guī)律。盾構(gòu)施工掘進(jìn)有限元模擬過程如表6所示。

表6 盾構(gòu)施工掘進(jìn)數(shù)值模擬步驟

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)分析模型示意 m

5 模型計(jì)算結(jié)果分析

5.1 地表沉降分析

圖9分別是盾構(gòu)機(jī)到達(dá)B—B斷面時(shí)盾構(gòu)隧道軸線上方地表縱向沉降曲線以及開挖面后方的橫向沉降槽曲線。從圖9可以看出:盾構(gòu)開挖面上方土體表現(xiàn)出輕微沉降(約為5 mm),而開挖面前方一定距離的土體在支護(hù)力的作用下發(fā)生隆起,其影響范圍大致在4D左右。開挖面后方地表沉降迅速發(fā)展,直到一段距離后地表沉降開始逐漸減小,隨后趨于平緩。這是由于盾構(gòu)機(jī)質(zhì)量較大,造成周圍土層出現(xiàn)了一定的沉降變形,而管片遠(yuǎn)輕于開挖土體和盾構(gòu)機(jī)的質(zhì)量,盾構(gòu)機(jī)離開后出現(xiàn)了一定程度的回彈。隨著盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離,地表沉降變化趨于平緩。圖9a表明,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)B—B斷面后,A—A斷面的地表沉降已基本穩(wěn)定,盾構(gòu)機(jī)的繼續(xù)開挖對(duì)該斷面幾乎沒有影響,因此可以表明盾構(gòu)機(jī)的開挖作用對(duì)該斷面不再造成擾動(dòng)。此時(shí)施工沉降達(dá)到了最大值,約27.2 mm。

a—地表縱向沉降; b—開挖斷面地表橫向沉降槽。

5.2 盾構(gòu)施工擾動(dòng)規(guī)律

一般來說,盾構(gòu)隧道輪廓線周圍土體與盾構(gòu)距離較近而受到最為劇烈的擾動(dòng),可以認(rèn)為該位置的土體已完全擾動(dòng)成為重塑土,擾動(dòng)度達(dá)到了100%。因此將盾構(gòu)隧道輪廓線周圍土體在盾構(gòu)施工時(shí)的最大剪應(yīng)變視為臨界剪應(yīng)變,擾動(dòng)度的計(jì)算式如式(6):

ηsd=γs/γc

(6)

式中:γs為盾構(gòu)隧道施工引起的剪應(yīng)變大小;γc為臨界剪應(yīng)變。

圖10是盾構(gòu)隧道施工掘進(jìn)過程數(shù)值模擬中監(jiān)控?cái)嗝鍭—A擾動(dòng)區(qū)的發(fā)展演變過程。以盾構(gòu)掘進(jìn)的方向?yàn)檎较?距離監(jiān)控?cái)嗝鍭—A的環(huán)數(shù)來表示盾構(gòu)開挖面的位置。將擾動(dòng)的發(fā)展分為三個(gè)階段,即初步發(fā)展階段、快速發(fā)展階段以及穩(wěn)定階段。初步發(fā)展階段是指開挖面尚未達(dá)到監(jiān)控?cái)嗝?在這一階段,盾構(gòu)隧道周圍地層初步發(fā)展,主要是由于支護(hù)力的擾動(dòng)作用。從圖10可見:當(dāng)開挖面距離監(jiān)控?cái)嗝?3環(huán)時(shí),擾動(dòng)開始發(fā)展,但僅僅局限于拱頂位置,這是由于拱頂位置的圍壓相對(duì)于拱底和拱腰位置較小,在開挖面支護(hù)力的作用下,產(chǎn)生了更大的正超靜孔隙水壓力,從而破壞了土顆粒之間的聯(lián)結(jié),更容易形成擾動(dòng)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)一步掘進(jìn)時(shí),拱頂、拱底以及拱腰位置均有所擾動(dòng)?？傮w而言,初始階段擾動(dòng)范圍較小,擾動(dòng)程度不大。當(dāng)開挖面達(dá)到監(jiān)控?cái)嗝婧?開始進(jìn)入快速發(fā)展階段,快速發(fā)展階段是指盾構(gòu)機(jī)身逐漸經(jīng)過監(jiān)控?cái)嗝娴倪^程。在這一階段中,擾動(dòng)主要是由于盾構(gòu)機(jī)身呈錐形導(dǎo)致的卸荷所引起的。擾動(dòng)范圍快速發(fā)展,擾動(dòng)區(qū)在豎向和水平向都有明顯的擴(kuò)張,擾動(dòng)區(qū)形狀由初始的圓形逐漸變成“眼睛”形(水平向范圍大于豎向范圍)。在這一過程中,擾動(dòng)程度也得到了一定的發(fā)展,但增長(zhǎng)量并不大。第三階段是指盾構(gòu)機(jī)身離開監(jiān)控?cái)嗝娴倪^程。當(dāng)盾尾達(dá)到監(jiān)控?cái)嗝鏁r(shí),擾動(dòng)范圍達(dá)到了最大,擾動(dòng)程度劇烈上升,這是由于卸荷和注漿共同發(fā)揮作用所導(dǎo)致的,其形狀仍呈現(xiàn)“眼睛”形,但擾動(dòng)程度相較于第二階段有了明顯的增大。隨后,擾動(dòng)發(fā)展逐漸穩(wěn)定,擾動(dòng)程度和擾動(dòng)范圍只有小范圍的增大,這是由于盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離監(jiān)控?cái)嗝嫠鸬?。?dāng)開挖面通過13環(huán)后,擾動(dòng)已不再發(fā)展。

圖10 盾構(gòu)施工掘進(jìn)過程周圍土層擾動(dòng)發(fā)展

從擾動(dòng)的來源來看,擾動(dòng)范圍主要由開挖面支護(hù)力和卸荷作用所決定,而擾動(dòng)程度主要受卸荷和注漿作用所控制。圖11是擾動(dòng)區(qū)的縱斷面,可以發(fā)現(xiàn):開挖面支護(hù)力對(duì)土體的擾動(dòng)延伸至開挖面前方0.8D,在橫斷面上擾動(dòng)范圍得到初步發(fā)展,由于卸荷作用,盾構(gòu)機(jī)身周圍土層的擾動(dòng)范圍不斷增大,最終在盾尾處達(dá)到最大值,同時(shí)由于盾尾的注漿作用,周圍土層的擾動(dòng)程度急劇增大。

圖11 擾動(dòng)區(qū)的縱斷面

5.3 擾動(dòng)度分布

圖12是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至B—B斷面時(shí)監(jiān)測(cè)斷面(A—A)的剪應(yīng)變?cè)埔约耙约魬?yīng)變狀態(tài)作為指標(biāo)的擾動(dòng)區(qū)形狀(ηsd≥10%)。從形狀上來看,擾動(dòng)區(qū)形似“眼睛”。擾動(dòng)區(qū)在水平方向延伸至拱腰外側(cè)0.4D,在豎向延伸至拱頂上方0.30D以及拱底下方0.25D,這與Salehnia根據(jù)剪應(yīng)變劃分盾構(gòu)施工在周圍地層中造成的破壞區(qū)呈“眼睛”形[33]基本一致。

圖12 盾構(gòu)掘進(jìn)的剪應(yīng)變?cè)婆c擾動(dòng)區(qū)形狀

為了能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)施工擾動(dòng)對(duì)地基沉降的影響,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出了以剪應(yīng)變變異狀態(tài)為指標(biāo)的盾構(gòu)隧道外側(cè)擾動(dòng)度分布,包括拱頂上方、拱腰外側(cè)以及拱底下方土層,見圖13。從圖13可見:拱頂上方和拱底下方一定區(qū)域的土體擾動(dòng)度隨與盾構(gòu)隧道距離的增大而逐漸衰減。隨著埋深的增大,擾動(dòng)度衰減速度逐漸變緩,這也符合擾動(dòng)對(duì)土體的影響局限于某一范圍內(nèi)的客觀事實(shí)。與拱頂上方和拱底下方擾動(dòng)所不同的是:拱腰外側(cè)擾動(dòng)度隨著與盾構(gòu)隧道距離的增大而呈現(xiàn)指數(shù)衰減,衰減范圍大致在1D左右。以上盾構(gòu)隧道外側(cè)土體擾動(dòng)度分布擬合曲線方程匯總?cè)绫?所示。

表7 盾構(gòu)隧道外側(cè)土體擾動(dòng)度分布擬合方程

a—拱頂上方; b—拱底下方; c—拱腰外側(cè)。

5.4 擾動(dòng)沉降計(jì)算

擾動(dòng)后的地基沉降計(jì)算需要在變形參數(shù)和擾動(dòng)度之間建立關(guān)系,孟凡衍對(duì)杭州湘湖地區(qū)軟黏土的試驗(yàn)結(jié)果[31]表明,擾動(dòng)會(huì)引起土體結(jié)構(gòu)性的衰減,土體壓縮指數(shù)和屈服應(yīng)力隨擾動(dòng)度的增大而線性下降。擾動(dòng)后的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力可根據(jù)Nagaraj等所提出的擾動(dòng)土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力計(jì)算式[34]得到:

pcd=(1-ηsd)pc

(7)

式中:pcd為擾動(dòng)土的屈服應(yīng)力;pc為原狀土的屈服應(yīng)力。

由于土體壓縮指數(shù)隨擾動(dòng)度的增大而線性下降,因此假定擾動(dòng)土的壓縮指數(shù)的大小介于原狀土與重塑土壓縮指數(shù)之間,即:

Ccd=(1-ηsd)(Cc-Ccr)+Ccr

(8)

式中:Cc為原狀土的壓縮指數(shù);Ccr為重塑土的壓縮指數(shù);Ccd為擾動(dòng)土的壓縮指數(shù)。

從式(8)可以觀察到:當(dāng)土體完全擾動(dòng),即ηsd=100%時(shí),結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度變?yōu)榱?壓縮指數(shù)變?yōu)橹厮芡恋膲嚎s指數(shù),壓縮曲線轉(zhuǎn)化為重塑土的壓縮曲線。為建立溫州擾動(dòng)土沉降模型,作出以下幾點(diǎn)基本假定(圖14):

圖14 結(jié)構(gòu)性土一維壓縮e-lg p曲線

1)原位壓縮曲線在e-lgp坐標(biāo)系內(nèi)為雙折線模型,結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前為水平線,即孔隙比e為一常量。

2)原狀土、擾動(dòng)土和重塑土壓縮曲線在0.42e0相交,原位壓縮曲線采用Schmertmann法[35]進(jìn)行修正。

3)理想重塑土顆粒之間沒有相互作用,固結(jié)壓力為零,壓縮曲線為一直線[24]。

基于上述假定,根據(jù)衰減后的壓縮參數(shù)采用分層總和法計(jì)算擾動(dòng)土的沉降:

(9)

重點(diǎn)研究擾動(dòng)對(duì)軟土層壓縮的影響,將軟土層劃分為8層(拱頂上方5層,拱底下方3層)。假定壓縮指數(shù)與初始孔隙比沿深度方向不發(fā)生改變。施工擾動(dòng)后的地基沉降計(jì)算如表8所示:地表施工沉降為-27.2 mm,擾動(dòng)沉降為-143.21 mm,地表總沉降量為-170.41 mm,超過軟土地層中地鐵運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)(50～100 mm)[36];盾構(gòu)隧道基底施工沉降為+14 mm(上浮),擾動(dòng)沉降為-63.82 mm,因此管片表現(xiàn)出下沉,沉降量為-49.82 mm,超過規(guī)定的管片沉降報(bào)警值(20～30 mm)[36]。由此說明未考慮擾動(dòng)的施工沉降往往偏于危險(xiǎn),施工沉降的計(jì)算必須考慮施工擾動(dòng)的影響。同時(shí)從表中可以看出:擾動(dòng)沉降主要來源于盾構(gòu)隧道輪廓線周圍的土體,這是由于在施工過程中受到了劇烈的擾動(dòng)所致,因此有必要對(duì)盾構(gòu)隧道輪廓線周圍進(jìn)行加固,以避免出現(xiàn)過大的擾動(dòng)沉降。

表8 沉降計(jì)算

6 結(jié)束語

依托溫州市軌道交通M1線某區(qū)段的盾構(gòu)隧道施工的工程背景,對(duì)溫州軟土進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析評(píng)價(jià),并建立地層-盾構(gòu)隧道三維彈塑性有限元模型進(jìn)行施工過程數(shù)值模擬,采用數(shù)值模擬研究盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)規(guī)律以及對(duì)沉降的影響,可以得出以下結(jié)論:

1)重塑土固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果與Burland所提出的固有壓縮曲線基本吻合,壓縮曲線可以作為評(píng)價(jià)原狀土結(jié)構(gòu)性的參考依據(jù),而屈服應(yīng)力比難以體現(xiàn)正常固結(jié)土的結(jié)構(gòu)性。

2)溫州原狀土樣的孔隙指數(shù)Iv基本位于固有壓縮曲線上方,甚至位于沉積壓縮曲線上方,應(yīng)力靈敏度遠(yuǎn)高于天然沉積土,表明溫州軟土具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)性。

3)盾構(gòu)施工對(duì)土層的擾動(dòng)分為三個(gè)階段——初步發(fā)展階段、快速發(fā)展階段以及穩(wěn)定階段。初始發(fā)展階段主要受開挖面支護(hù)力控制,擾動(dòng)得到初步發(fā)展;快速發(fā)展階段受卸荷作用控制,擾動(dòng)范圍快速擴(kuò)展;穩(wěn)定階段受注漿和卸荷作用控制,擾動(dòng)范圍輕微擴(kuò)張,擾動(dòng)程度劇烈發(fā)展,而后不再發(fā)展。

4)盾構(gòu)施工在周圍土層引起的擾動(dòng)區(qū)形狀形似“眼睛”形,盾構(gòu)隧道上方的擾動(dòng)度分布可采用線性函數(shù)擬合,盾構(gòu)隧道下方土層的擾動(dòng)度分布可采用二次多項(xiàng)式擬合,拱腰外側(cè)擾動(dòng)度分布可采用指數(shù)函數(shù)擬合。

5)由于盾構(gòu)施工的擾動(dòng)作用,地表總沉降量為143.21 mm,管片下沉量為49.82 mm,均遠(yuǎn)高于地鐵運(yùn)行要求的標(biāo)準(zhǔn),不考慮擾動(dòng)的工后沉降計(jì)算往往偏危險(xiǎn)。擾動(dòng)沉降主要來源于盾構(gòu)隧道輪廓線周圍的土體,因此有必要對(duì)周圍土層進(jìn)行加固來控制擾動(dòng)沉降。