鹿慶蕊 金修偉 李棟偉 陳士軍 王帥儒

(東華理工大學(xué), 南昌 330013)

隨著現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展,城市人口急劇增加。為解決城市交通擁堵的問題,大規(guī)模的地下空間開發(fā)已成為必然趨勢(shì)。盾構(gòu)法是一個(gè)全機(jī)械化施工的方式,由于其智能化程度較高,挖掘速度快,對(duì)城市周邊影響小等原因,目前已被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道施工中。但盾構(gòu)開挖會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng),導(dǎo)致地表隆、陷或地層水平位移等的發(fā)生,沉降較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑物開裂甚至坍塌。如何在特定的地質(zhì)環(huán)境中減小盾構(gòu)開挖對(duì)周邊土體的擾動(dòng),控制地表沉降大小,一直是研究人員所關(guān)注的問題。

目前,學(xué)者們提出了多種方法來減少凍結(jié)法盾構(gòu)施工時(shí)地表沉降。楊平等對(duì)軟弱地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的凍脹、融沉發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)深部土體溫度,凍脹、融沉位移均隨深度增大呈線性遞增。[1]曹紅林發(fā)現(xiàn):采用自然解凍措施,在自然解凍的同時(shí)及時(shí)對(duì)凍土進(jìn)行跟蹤注漿壓密加固融沉土體,有利于減少地表沉降量。[2]任輝等通過測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線和凍土帷幕厚度兩種不同方法進(jìn)行分析和驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)管幕凍結(jié)法可有效解決單一管幕法施工中止水難和單一凍結(jié)法中周邊凍土剛度不夠、支護(hù)效果差的問題。[3]鄭立夫等發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁厚度越大相應(yīng)產(chǎn)生的凍脹力越大,通過優(yōu)化凍結(jié)壁厚度可有效控制隧道管片附加應(yīng)力及變形的產(chǎn)生,保護(hù)已建隧道結(jié)構(gòu)安全。[4]陰悅對(duì)工程原型進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)并進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)地表的各項(xiàng)位移在凍結(jié)前期急劇增大但隨時(shí)間的增長(zhǎng)增速變緩,改變凍結(jié)時(shí)間差值對(duì)隧道管片的應(yīng)變值影響并不大。[5]姬文軒對(duì)不同凍結(jié)速率的凍結(jié)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析,得出:凍結(jié)速率較大時(shí),土體溫降速率更大,凍結(jié)壁形成較快,凍脹位移的速度也更大;但隨著兩種工況凍結(jié)過程結(jié)束,凍結(jié)速率對(duì)于凍結(jié)壁及地表的最終位移影響不大。[6]胡向東等采用現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)研究了在解凍階段兩種不同解凍方式下溫度場(chǎng)變化規(guī)律,探究了管幕凍結(jié)法解凍規(guī)律,且凍結(jié)管的布置形式會(huì)影響凍結(jié)壁的溫度及厚度,為實(shí)際施工提供了可靠的研究依據(jù),能夠有效地降低融沉影響。[7-8]Cattoni等針對(duì)隧道盾構(gòu)在軟黏土中掘進(jìn)時(shí)受到的地下水和應(yīng)力作用進(jìn)行研究,并對(duì)地面沉降融沉位移進(jìn)行預(yù)測(cè)。[9]Hong 等分析不同的隧道參數(shù)對(duì)地表凍脹的影響,隨著隧道凈距的增大,雙隧道凍結(jié)的相互作用減弱;相應(yīng)地,地表的隆起位移也隨之減小。[10]王博等通過分析近距離隧道施工對(duì)地表產(chǎn)生的影響,得出地層損失率越小,地表沉降量越小,產(chǎn)生的地表最大沉降量越小;盾構(gòu)頂推力越大,地表的沉降量越大。[11]李忠超等研究了不同鹽水溫度與凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)交圈時(shí)間的關(guān)系,得出初始環(huán)境溫度升高會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)壁厚度減小、延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間。[12]雖然上述研究對(duì)凍結(jié)法盾構(gòu)施工有一定的改善,但依然不太理想,凍結(jié)法盾構(gòu)施工還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

因此,將依托上海市軌道交通,將針對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)出口水平凍結(jié)地表沉降進(jìn)行分析。運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)施工過程中所涉及凍結(jié)溫度、地質(zhì)水文條件及盾構(gòu)施工進(jìn)行全過程的數(shù)值仿真。通過研究不同水平天數(shù)情況下地表沉降規(guī)律,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程數(shù)據(jù),分析地表沉降量,提出相應(yīng)的解決措施。

1 工程概況

上海地鐵軌道交通某線路途經(jīng)浦東新區(qū)、楊浦區(qū)和寶山區(qū)等3個(gè)行政區(qū),全長(zhǎng)約36.850 km,設(shè)車站26座,平均站間距1.441 km。

1)工程途經(jīng)的最大河流為黃浦江,江寬約520 m,黃浦江航道規(guī)劃寬度為200～225 m、深度為9.5～10.0 m。

2)地下水?dāng)M建場(chǎng)地淺部土層中的地下水類型為潛水。勘探期間測(cè)得潛水穩(wěn)定水位埋深為0.60～2.70 m(絕對(duì)標(biāo)高為 2.13～4.11 m),平均埋深為1.26 m(平均標(biāo)高為3.04 m),潛水水位主要受大氣降水、地表徑流等影響呈幅度不等的變化。如圖1所示,擬建場(chǎng)施工區(qū)域揭示的⑤2a層和⑦層(含⑦1-1、⑦1-2和⑦2)由承壓板含水層構(gòu)成,其中:⑤2a層是上海地區(qū)的微承壓含水層,場(chǎng)區(qū)揭示的頂板埋深為19.20～25.40 m、頂板高度為-15.29～-21.61 m;⑦層為上海地區(qū)第一承壓含水層,場(chǎng)區(qū)內(nèi)揭示的頂板埋深為15.20～39.50 m、頂部高度為-23.28～-35.73 m。鑒于⑤2a層與⑦層中間的第⑤層層厚較薄、最小厚僅0.7 m,且該層夾薄層粉性黏土,因此在微承壓含水層與承壓含水層間可能有一定的水力聯(lián)系。

圖1 地層剖面

2 工程凍結(jié)設(shè)計(jì)

2.1 凍土帷幕設(shè)計(jì)

凍結(jié)施工主要是利用凍結(jié)方法將凍結(jié)管之間的土體凍結(jié),形成封閉的帷幕,為隧道的開挖提供條件。凍土帷幕主要起到土體之間止水的作用。為控制凍土凍脹帶來的影響,須將凍土帷幕厚度控制在一定范圍內(nèi)。凍結(jié)過程中應(yīng)實(shí)施控制措施,嚴(yán)格監(jiān)測(cè)凍土帷幕的溫度和厚度,用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)整個(gè)凍土施工過程。在凍結(jié)施工時(shí),凍土帷幕處于一個(gè)不斷變化的過程中,根據(jù)工程須將凍土帷幕厚度控制在2～3 m內(nèi)。

2.2 凍結(jié)管布置

工程隧道斷面為圓形,隧道外半徑為3 m。隧道軸線埋深為28.3 m,水平凍結(jié)管布置圈半徑為4 m,共布置20根直徑為100 mm的凍結(jié)管,在隧道周圍成環(huán)形分布,凍結(jié)管長(zhǎng)度為6 m,設(shè)計(jì)凍結(jié)壁有效厚度為2.3 m,隧道混凝土襯砌的厚度為0.3 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,如圖2所示。

圖2 凍結(jié)管布置示意

2.3 凍結(jié)施工流程

整個(gè)凍結(jié)過程如圖3所示,分為逐步降溫、積極凍結(jié)期和維護(hù)凍結(jié)期3個(gè)階段。在未開挖前,先在土體中嵌入所需的水平凍結(jié)管,然后向凍結(jié)管中注入負(fù)溫鹽水對(duì)周圍土體進(jìn)行降溫。在凍結(jié)施工開始后的前12 d,為逐步降溫過程,鹽水溫度逐步從0 ℃降至-21 ℃;第13～42天為積極凍結(jié)期,鹽水溫度為-28 ℃;第43～58天為維護(hù)凍結(jié)期,鹽水溫度為-28.5 ℃。隨著凍結(jié)過程的進(jìn)行,土體的溫度逐漸降低,凍結(jié)管與周圍土體形成強(qiáng)度較高的凍結(jié)帷幕。在凍結(jié)施工開始后的前12 d的逐步降溫過程中,由于鹽水溫度較低,導(dǎo)致凍結(jié)帷幕形成較為緩慢;在第13～42天的積極凍結(jié)過程中,鹽水溫度達(dá)到了-28.5 ℃,凍結(jié)帷幕的迅速形成,并且厚度也隨之快速增大;在第42～58天維護(hù)凍結(jié)過程中,凍結(jié)帷幕增厚趨緩,基本維持原有的凍結(jié)厚度。

圖3 鹽水溫度隨時(shí)間變化

3 隧道開挖地表沉降分析

3.1 計(jì)算模型及基本參數(shù)

3.1.1計(jì)算模型

選取上海軌道交通盾構(gòu)施工作為數(shù)值擬研究對(duì)象。在數(shù)值模型中,考慮到模型邊界對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響,在寬度方向上,隧道中心距模型邊界至少為4D距離(D為隧道直徑),在高度方向上尺寸值至少為3D+H(H為覆土深度)。該區(qū)間隧道直徑為6.6 m,隧道埋深30 m,模擬掘進(jìn)距離為48 m,最終土體模型長(zhǎng)為80 m、寬為48 m、高為60 m。為加快求解計(jì)算效率并保證結(jié)果準(zhǔn)確性,對(duì)隧道開挖周邊網(wǎng)格加密,較遠(yuǎn)處適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格經(jīng)過布種劃分完成后,整個(gè)模型共有189 696個(gè)六面體單元和202 065個(gè)結(jié)點(diǎn),模型大小及網(wǎng)格劃分如圖4所示。鑒于地鐵隧道水平凍結(jié)施工過程的復(fù)雜性,對(duì)計(jì)算模型作如下假設(shè):

圖4 模型及網(wǎng)格劃分 m

1)凍土假定為理想的非均質(zhì)彈性體,其凍脹、融沉變形呈現(xiàn)正交各向異性特征,凍土的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)均為溫度的函數(shù)。

2)未凍土假定為均質(zhì)各向同性的彈塑性體,未凍土的強(qiáng)度準(zhǔn)則服從屈服條件。

3)凍土和未凍土中,水分僅以液相水的形式運(yùn)動(dòng),氣體的相變效應(yīng)和水汽蒸發(fā)耗熱忽略不計(jì),且忽略鹽分的化學(xué)排析作用。

4)假定同一種土體的凍結(jié)溫度和凍融相變溫度區(qū)間恒定,忽略外荷載對(duì)凍結(jié)溫度的影響。

3.1.2計(jì)算參數(shù)

實(shí)際中各土層厚度并不均勻,且部分土層性質(zhì)接近,為使模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化,各土層厚度取其平均值,并將土體性質(zhì)基本相同的土層合并。合并后模型中土層分布自上而下土層依次為①雜填土層,③淤泥質(zhì)黏土層, ②、④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,⑤砂土層。由于采用了Drucker-Prager模型(D-P模型),而勘察報(bào)告中土層參數(shù)主要為摩爾-庫(kù)侖(M-C)參數(shù),因此須通過D-P模型參數(shù)與M-C模型之間的轉(zhuǎn)換式進(jìn)行變換。襯砌采用C30混凝土,厚度為0.3 m。土體及襯砌等材料屬性參照DGJ08-37—2012《巖土工程勘察規(guī)范》設(shè)置。

3.1.3邊界條件設(shè)定及載荷施加

在三維問題分析中,每個(gè)實(shí)體單元總共有6個(gè)自由度,分別為X、Y、Z方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),為保證有限元求解正確,以及符合工程實(shí)際情況,須對(duì)模型邊界施加約束條件,而模型都為實(shí)體單元,可不對(duì)邊界施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束。所以沿X軸方向邊界處施加同向固定約束,Y軸方向邊界處施加同向固定約束,而Z軸方向只對(duì)底部施加3個(gè)平動(dòng)自由度,頂部為自由面(模擬地表)。

3.2 隧道挖掘后豎向位移

隧道挖掘施工是在積極凍結(jié)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的,即在積極凍結(jié)58 d后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道挖掘分析。將挖掘過程中各階段沉降的豎向位移與開挖前積極凍結(jié)期形成的豎向位移相比較,可得出開挖引起的豎向位移,如圖5所示,沿著盾構(gòu)推進(jìn)方向,相對(duì)于積極凍結(jié)期結(jié)束時(shí)的位移場(chǎng),土體發(fā)生了不同程度豎向位移,隨著盾構(gòu)推進(jìn)出現(xiàn)的增大變化,盾構(gòu)推進(jìn)前5環(huán)豎向位移增大變化不大,第5環(huán)地表沉降峰值為-9.3 mm。盾構(gòu)推進(jìn)第5環(huán)與推進(jìn)第25環(huán)時(shí),兩者沉降差別較大,第25環(huán)時(shí)最大地表沉降為-36.3 mm,這是由于前5環(huán)受到水平凍結(jié)的影響大,地表沉降效果較小;推進(jìn)至第25環(huán)至第30環(huán)時(shí),各環(huán)之間的沉降差別不大,表明推進(jìn)至第25環(huán)時(shí),水平凍結(jié)的影響已經(jīng)微乎其微。

圖5 盾構(gòu)推進(jìn)方向的最大地表沉降隨掌子面距離變化

3.3 隧道開挖實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

選取上海軌道18號(hào)線施工時(shí),第3、5、8環(huán)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果中第3、5、8環(huán)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),點(diǎn)位布置在距隧道中線-6.6,-3.3,0,3.3,6.6 m處,如圖6所示。正值為隆起,負(fù)值為沉降。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置 m

圖7為盾構(gòu)開挖各階段有限元模擬計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值的對(duì)比。由圖7可知:數(shù)值模擬計(jì)算得出的地表沉降與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合,地表沉降最大處為隧道中心軸線位置,但數(shù)值上仍有小的差異,主要是因?yàn)槟M并未把所有的影響因素考慮在內(nèi),例如注漿壓力、地表載荷等,但整體趨勢(shì)上計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相同。

a—第3環(huán); b—第5環(huán); c—第8環(huán)。

3.4 凍結(jié)引起的地表上升

數(shù)值模擬將研究土體凍脹引起的豎向位移隨凍結(jié)時(shí)間變化的影響。依次取凍結(jié)時(shí)間為10,20,30,40,50 d,對(duì)地表面的凍脹量進(jìn)行比對(duì),將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合歸納繪制成圖8。

從圖8可以看出:隧道中心地表位移最大,隨著距離隧道中心地表水平距離的增大,地表豎向位移逐漸減小到0 mm。凍結(jié)到第10天時(shí),隧道中軸線處豎向位移為1.72 mm;凍結(jié)第20天時(shí),隧道中心地表豎向位移為2.22 mm;凍結(jié)第30天時(shí),隧道中心地表豎向位移為2.76 mm;凍結(jié)第40天時(shí),隧道中心地表豎向位移為2.99 mm;凍結(jié)第50天時(shí),隧道中心地表豎向位移為3.31 mm。

選取工程報(bào)告第3環(huán)斷面中點(diǎn)凍脹豎向位移數(shù)據(jù),將凍結(jié)58 d內(nèi)的模擬凍脹量與工程實(shí)測(cè)的凍脹量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見:地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到凍脹引起的豎向位移在凍結(jié)開始后的前15 d增長(zhǎng)較為迅速,第15～58 天時(shí),豎向位移增速變得緩慢。凍結(jié)到第10天時(shí),地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到凍脹引起的豎向位移為1.71 mm,模擬計(jì)算的凍脹引起的豎向位移為1.82 mm;凍結(jié)到第35天時(shí),地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到凍脹引起的豎向位移為3.23 mm,模擬計(jì)算的凍脹引起的豎向位移為3.36 mm;凍結(jié)到第55天時(shí),地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到凍脹引起的豎向位移為3.98 mm,模擬計(jì)算的凍脹引起的豎向位移為4.14 mm?？梢?積極凍結(jié)期位移場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相近,該模型能夠較好地反映實(shí)際凍結(jié)施工過程中的位移變化,具有一定的參考意義。

3.5 地表沉降對(duì)比分析

取工程洞門處開挖第3環(huán)凍結(jié)與未凍結(jié)時(shí)地表沉降進(jìn)行分析,如圖10所示,在水平凍結(jié)法施工時(shí)地表最大沉降量為-7.13 mm;在無凍結(jié)施工時(shí)地表最大沉降量為-40.62 mm。由圖10可知:凍結(jié)法施工相對(duì)無凍結(jié)法施工,地表沉降減少了33.49 mm,兩者相差82.3%。表明凍結(jié)法加固地基對(duì)于降低地表沉降有顯著的效果。

3.6 不同凍結(jié)周期對(duì)地表沉降的影響

為研究不同凍結(jié)周期對(duì)地表沉降的影響,將原有的58 d凍結(jié)周期改為40,80 d,進(jìn)行數(shù)值模擬;隨著凍結(jié)天數(shù)的改變,土層中的凍結(jié)帷幕厚度也會(huì)隨之改變,凍結(jié)到第40,58,80 天時(shí),水平凍結(jié)管所形成的凍土帷幕厚度達(dá)到約1.9,2.3,2.7 m;從凍結(jié)第30天開始,凍結(jié)時(shí)間每延長(zhǎng)10 d,水平凍結(jié)管所形成的凍土帷幕厚度增大約0.2 m。在凍結(jié)到第58天時(shí),凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)要求,形成了良好的止水效果,滿足最佳施工要求。

取不同凍結(jié)周期下開挖第3環(huán)的地表沉降進(jìn)行對(duì)比分析,如圖11所示。

由圖11可知:不同凍結(jié)周期的情況下,地表的最大沉降量都在隧道中心軸線處。在凍結(jié)到第40天時(shí),地表最大沉降量為7.90 mm;凍結(jié)至第58天時(shí),地表最大沉降量為7.13 mm;凍結(jié)到第80天時(shí),地表最大沉降量為4.99 mm;不同凍結(jié)周期的曲線趨勢(shì)相同,并且隨著凍結(jié)周期的延長(zhǎng),地表的沉降位移逐漸減少?？梢?水平凍結(jié)法凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)對(duì)地表的沉降影響越大,但是隨著凍結(jié)周期的不斷延長(zhǎng),產(chǎn)生的效果越來越小,考慮施工成本,凍結(jié)58 d效果最佳。

4 結(jié)束語

利用有限元軟件建立三維盾構(gòu)隧道計(jì)算模型,研究了盾構(gòu)在有、無凍結(jié)法加固土體開挖隧道過程中引起的地表沉降,在已有的水平凍結(jié)法盾構(gòu)施工基礎(chǔ)上,針對(duì)在不同凍結(jié)天數(shù)下,地表沉降的規(guī)律變化進(jìn)行分析,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合驗(yàn)證了該方法的有效性。主要得出以下結(jié)論:

1)在積極凍結(jié)期間,地表凍脹豎向位移呈正態(tài)分布。地表處的最大凍脹豎向位移位于隧道中心地表處,并隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

2)凍結(jié)土體相較于未凍結(jié)土體模型在盾構(gòu)施工時(shí),對(duì)減少隧道地表直接沉降量有較明顯的效果,其模擬計(jì)算出來的隧道地表沉降量最大值也與實(shí)際監(jiān)測(cè)的地表沉降量最大值基本相符,證明了模型計(jì)算的有效性。

3)在不同的凍結(jié)周期內(nèi),地表最大沉降量也不同,且隨著凍結(jié)周期的增長(zhǎng),地表的沉降位移逐漸減少。說明了水平凍結(jié)法在施工時(shí)凍結(jié)周期是一重大影響因素,選擇合適的凍結(jié)周期既可以保證施工安全進(jìn)行又能節(jié)省成本。