軟黏土中盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形與掘進(jìn)參數(shù)關(guān)系

李忠超,陳仁朋,孟凡衍,葉俊能

（1.浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310058；2.浙江大學(xué)巖土工程研究所,浙江杭州310058；3.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部,浙江寧波315012）

軟黏土中盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形與掘進(jìn)參數(shù)關(guān)系

李忠超1,2,陳仁朋1,2,孟凡衍1,2,葉俊能3

（1.浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310058；2.浙江大學(xué)巖土工程研究所,浙江杭州310058；3.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部,浙江寧波315012）

寧波地鐵某區(qū)間單線隧道穿越地層主要為淤泥質(zhì)黏土層,上覆地層主要為砂質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)土.針對(duì)2類(lèi)典型的上覆地層中土壓平衡盾構(gòu)施工,獲取了相應(yīng)的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究地表沉降與盾構(gòu)施工過(guò)程的相互關(guān)系.采用經(jīng)典高斯經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表橫向沉降曲線和縱向沉降發(fā)展曲線進(jìn)行擬合,得到各監(jiān)測(cè)斷面沉降槽寬度ix及沉降槽寬度系數(shù)K.采用平移累積高斯沉降曲線對(duì)縱向沉降發(fā)展曲線進(jìn)行擬合,獲得盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沿線地層損失率.研究盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)取值對(duì)地層損失率的影響.結(jié)果表明,盾構(gòu)推力、開(kāi)挖面支護(hù)壓力以及盾尾注漿率對(duì)地層損失率的影響顯著.給出類(lèi)似地層中各項(xiàng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的參考范圍.

土壓平衡盾構(gòu)隧道；軟黏土地層；地表沉降；地層損失率；掘進(jìn)參數(shù)

中國(guó)東部沿海城市的深厚軟土層廣泛分布,盾構(gòu)施工工法是軟土地層中地鐵隧道建設(shè)的主要工法.盾構(gòu)隧道施工不可避免地會(huì)引起地表變形,地表變形過(guò)大可能導(dǎo)致地表建筑物變形超限,造成財(cái)產(chǎn)或人員損失.因此,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形和影響范圍,避讓變形敏感的重要建筑物,對(duì)盾構(gòu)隧道環(huán)境影響評(píng)估和線路設(shè)計(jì)有重要意義.

在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中,變形實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析是研究地表變形發(fā)展規(guī)律和影響范圍的重要手段.根據(jù)對(duì)大量隧道開(kāi)挖引起的地表沉降數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)研究,Peck［1］認(rèn)為隧道開(kāi)挖引起的垂直于隧道軸線方向（橫向）地表沉降曲線分布可以用高斯曲線方程擬合表示,Attewell等［2］基于Peck理論提出地表縱向沉降曲線應(yīng)符合累積高斯概率曲線.此后,大量學(xué)者采用高斯曲線和累積高斯概率曲線來(lái)擬合分析不同地層中隧道開(kāi)挖引起地表橫向沉降曲線和縱向沉降曲線,研究不同類(lèi)型地層中橫向沉降槽寬度ix、沉降槽寬度系數(shù)K以及地層損失率VL,并應(yīng)用于相應(yīng)地層中隧道開(kāi)挖引起的地層變形及影響范圍預(yù)測(cè)［3-9］.魏綱［10］統(tǒng)計(jì)得到南京、上海、杭州等地黏性土地層中VL＝0.35%～2.02%,提出一種盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形預(yù)測(cè)方法［11］.郭玉海等［12-15］從細(xì)觀上研究了北京、杭州等地區(qū)典型地層中盾構(gòu)隧道引起的地層變形及孔隙水壓力變化規(guī)律,對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地表沉降、地層損失率之間宏觀關(guān)系的研究較少.由于地層條件的區(qū)域性差異,各地區(qū)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降槽參數(shù)和沉降變形發(fā)展規(guī)律存在較大差異.因此,對(duì)特定地層中盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層損失率之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究,能夠更好地預(yù)測(cè)后續(xù)盾構(gòu)隧道施工地表變形及影響范圍.

本文對(duì)寧波軌道交通2號(hào)線桃渡路-鼓樓區(qū)間隧道右線（上行線）單線盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行實(shí)測(cè)研究,采用經(jīng)典理論公式對(duì)地表橫向沉降槽和縱向沉降槽曲線進(jìn)行擬合分析,獲得寧波軟土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降槽參數(shù)和地層損失率.研究盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層損失率之間的相關(guān)關(guān)系,給出盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的建議值.

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道施工概況及工程地質(zhì)條件

寧波軌道交通2號(hào)線桃渡路站-鼓樓站區(qū)間沿大慶南路、解放北路行進(jìn),并穿越余姚江.桃-鼓區(qū)間雙線隧道均采用土壓平衡盾構(gòu)法施工,本文研究的盾構(gòu)隧道為區(qū)間右線（上行線）,右線隧道長(zhǎng)1 174.9 m（979環(huán)）,區(qū)間隧道縱坡為V行坡,最大坡度為26‰,最小平曲線半徑為350 m.隧道軸線埋深為12.3～22.5 m.桃渡路站-鼓樓站區(qū)間盾構(gòu)隧道右線從桃渡路站于2012年3月21日始發(fā),于2012年9月17日到達(dá)鼓樓站,歷時(shí)180 d,平均每天掘進(jìn)6.5 m；左線（下行線）于2012年5月1日始發(fā),于2012年12月7日到達(dá)鼓樓站,歷時(shí)221 d,平均每天掘進(jìn)5.3 m.盾構(gòu)機(jī)為海瑞克土壓平衡盾構(gòu),盾構(gòu)外徑D＝6.39 m,主機(jī)全長(zhǎng)8.515 m,刀盤(pán)開(kāi)口率為45%.隧道襯砌為預(yù)制鋼筋混凝土管片,管片厚0.35 m,長(zhǎng)1.2 m,外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,采用通用雙面楔型環(huán)錯(cuò)縫拼裝.

圖1 桃渡路-鼓樓區(qū)間隧道右線沿線地質(zhì)剖面圖Fig.1 Ground conditions and tunnel depth along right tunnel alignment

桃渡路-鼓樓區(qū)間右線隧道沿線埋深及沿線地層分布如圖1所示.由圖1可知,盾構(gòu)隧道初始220環(huán)內(nèi)隧道上覆地層主要為②-1a層砂質(zhì)粉土,后750環(huán)隧道上覆地層轉(zhuǎn)變?yōu)棰?2b層淤泥質(zhì)黏土和②-2c層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土.盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面地層主要為②層、③層和④層等軟黏土地層.區(qū)間隧道內(nèi)地基各層土體物理力學(xué)性質(zhì)包括土體天然密度ρ、天然含水量w、孔隙比e0及十字板不排水抗剪強(qiáng)度su沿埋深的變化如圖2所示［16］.②-1a層砂質(zhì)粉土粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83%,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.8%,滲透系數(shù)為2×10－4～3×10－4cm／s,標(biāo)準(zhǔn)貫入值N＝4～9.區(qū)間內(nèi)黏性土層滲透系數(shù)為0.13×10－6～2.6× 10－6cm／s,黏質(zhì)粉土滲透系數(shù)為4.6×10－4～5.8× 10－4cm／s.

圖2 寧波軟黏土的主要物理力學(xué)特性指標(biāo)Fig.2 Main parameters of soils of Ningbo strata

1.2 地表沉降監(jiān)測(cè)布置

桃渡路-鼓樓區(qū)間隧道的地表沉降監(jiān)測(cè)設(shè)置中,如圖3所示.每20～30環(huán)布置一個(gè)橫向沉降槽監(jiān)測(cè)斷面（S_3表示監(jiān)測(cè)斷面布置在3環(huán)處）,測(cè)點(diǎn)布置在軸線兩側(cè)20～30 m范圍內(nèi).沿隧道軸線方向每5環(huán)設(shè)置一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn).監(jiān)測(cè)頻率為1次／12 h.圖3給出了盾構(gòu)隧道部分沉降監(jiān)測(cè)斷面及隧道軸線地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),盾構(gòu)隧道沿線其他部分的沉降監(jiān)測(cè)布置類(lèi)似于圖3的監(jiān)測(cè)布置.

圖3 隧道初始部分地表沉降監(jiān)測(cè)布置Fig.3 Plan view of settlement monitoring program of initial portion of route

2 地表變形實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 地表橫向沉降槽及地層損失率

根據(jù)Peck等［1］的研究可知,盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降可以采用高斯曲線方程擬合,如下所示：

式中：Sv,max為隧道軸線上方地表最大沉降；x為離隧道軸線水平距離；ix為隧道軸線距沉降曲線拐點(diǎn)距離,根據(jù)O'Reilly等［3］的研究,ix＝Kz0,其中z0為隧道軸線埋深.由式（1）的積分可得,單位長(zhǎng)度內(nèi)沉降槽體積為Vs＝ixSv,max,則有VL＝Vs／At＝3.192ixSv,max／D2,其中At為單位長(zhǎng)度內(nèi)隧道體積,D為隧道直徑.

基于Peck理論,Attewell等［2］提出隧道軸線上方地表縱向沉降曲線可以采用累積高斯概率曲線擬合,如下所示：

式中：iy為縱向沉降槽拐點(diǎn)到開(kāi)挖面的距離；Φ（y／iy）為累積概率密度函數(shù),

采用式（1）對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降槽分布曲線進(jìn)行擬合分析,得到盾構(gòu)隧道初始220環(huán)和后750環(huán)中的典型橫向沉降槽及相應(yīng)的擬合高斯曲線分別如圖4（a）、（b）所示.圖4（a）中各測(cè)點(diǎn)沉降均與擬合高斯沉降曲線非常吻合,圖4（b）中盾構(gòu)推進(jìn)方向右側(cè)實(shí)測(cè)沉降曲線與高斯曲線吻合較好,但左側(cè)測(cè)點(diǎn)沉降與高斯曲線稍有偏差.距盾構(gòu)隧道軸線20～25 m處地表沉降為0～5 mm,表明盾構(gòu)隧道軸線20～25 m之外地層受盾構(gòu)隧道施工的影響較小.盾構(gòu)施工影響范圍基本為軸線兩側(cè)20～25 m內(nèi),即3.2～4.0D,最大沉降發(fā)生在隧道軸線處.

從上覆地層主要為砂質(zhì)粉土的前220環(huán)和淤泥質(zhì)黏土-淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的后750環(huán)中分別選擇10個(gè)和11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面得到的橫向沉降槽進(jìn)行擬合分析,得到各監(jiān)測(cè)斷面K及ix,如圖5所示.由圖5可知,對(duì)于上覆地層主要為厚層砂質(zhì)粉土的前220環(huán)盾構(gòu)隧道,地表沉降槽寬度系數(shù)K＝0.30～0.40, ix＝3.78～5.44 m,而后750環(huán)盾構(gòu)隧道上覆地層主要為淤泥質(zhì)黏土-淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,沉降槽寬度相對(duì)較大,K＝0.4～0.55,ix＝5.69～10.1 m.

圖6給出隧道沿線各監(jiān)測(cè)斷面盾構(gòu)隧道施工引起的VL.除前文提到的21個(gè)監(jiān)測(cè)斷面外,對(duì)于前220環(huán)和后750環(huán)盾構(gòu)隧道,地層損失率分別取K＝0.35和K＝0.5計(jì)算得到.圖6表明,盾構(gòu)隧道前220環(huán)地層損失率遠(yuǎn)大于后750環(huán),前220環(huán)地層損失率VL＝0.60%～1.90%,平均地層損失率為1.15%；后750環(huán)地層損失率VL＝0.22%～1.22%,平均地層損失率為0.52%,均與魏綱［10］統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)黏土地層中盾構(gòu)隧道地層損失率為VL＝0.2%～2.0%的結(jié)論吻合.區(qū)間隧道總體平均地層損失率＝0.71%.

圖4 典型監(jiān)測(cè)斷面沉降槽與高斯曲線擬合分析Fig.4 Interpretation of measured typical settlement trough by Gaussian curve

圖5 隧道沿線沉降槽寬度系數(shù)K及沉降槽寬度i xFig.5 Settlement trough indexes K and i x along tunnel alignment

2.2 地表縱向沉降發(fā)展曲線

盾構(gòu)隧道軸線地表沉降Sv隨歸一化開(kāi)挖面距監(jiān)測(cè)斷面距離y／D的變化發(fā)展曲線如圖7所示.由圖7可知,盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)引起盾構(gòu)開(kāi)挖面前方2D～3D內(nèi)地表有輕微沉降,而開(kāi)挖面前方0～2.0D內(nèi)表現(xiàn)出輕微的隆起,豎向變形為－3～＋3 mm.隨著盾構(gòu)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面,監(jiān)測(cè)斷面沉降迅速發(fā)展,大部分測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面4D～6D后基本穩(wěn)定.

圖6 隧道沿線地層損失率V LFig.6 V L along tunnel alignment

對(duì)盾構(gòu)隧道引起的地表軸線沉降進(jìn)行歸一化處理,得到盾構(gòu)隧道初始220環(huán)和后750環(huán)典型測(cè)點(diǎn)的歸一化縱向累積沉降Sv／Sv,max隨y／D的變化發(fā)展曲線及相應(yīng)的累積高斯概率曲線如圖8（a）、（b）所示.盾構(gòu)隧道初始220環(huán)軸線平均埋深z0＝14.2 m,取K＝0.35,有ix＝4.97 m,取iy＝2ix；后750環(huán)盾構(gòu)隧道平均軸線埋深z0＝17.8 m,取K＝0.5,有ix＝8.9 m,取iy＝ix.

圖7 隧道軸線地表沉降發(fā)展曲線Fig.7 Settlement measured at ground surface above tunnel axis

由圖8可知,隧道前220環(huán),盾構(gòu)開(kāi)挖面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)地表軸線沉降Sv,f與Sv,max比Sv,f／Sv,max＝0.15～0.42,后750環(huán)Sv,f／Sv,max＝0.15～0.38,這與式（3）中的Sv,f／Sv,max＝0.5存在一定差異.Attewell等［3,6,17］的研究均表明,盾尾間隙是造成地表沉降的主要原因,因此盾構(gòu)開(kāi)挖面正上方的地表沉降遠(yuǎn)小于0.5Sv,max；Fuente等［18］認(rèn)為Sv,f／Sv,max＝0.20～0.30,與本文的分析結(jié)果相近.鑒于此,采用平移累積高斯曲線方程來(lái)擬合分析地表縱向沉降發(fā)展曲線更加合理.圖8表明,初始220環(huán)盾構(gòu)隧道地表軸線沉降發(fā)展曲線基本分布在圖8（a）給出的iy＝2ix＝9.94 m高斯累積沉降曲線和平移iy后高斯累積沉降曲線之間,而后750環(huán)盾構(gòu)隧道地表軸線沉降曲線基本分布在圖8（b）給出的iy＝ix＝8.9 m和平移iy后的累積高斯沉降曲線之間.

圖8 歸一化隧道軸線地表沉降曲線Fig.8 Normalized longitudinal settlement trough above tunnel axis

3 盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層損失率的影響

盾構(gòu)施工參數(shù)總推力N、扭矩T、掘進(jìn)速度v、注漿率δ以及土壓艙支護(hù)壓力ps是影響地層變形的重要參數(shù),各參數(shù)沿隧道里程L的變化分別如圖9所示.圖中,土壓艙支護(hù)壓力以歸一化土壓艙支護(hù)壓力ps／σv（σv為隧道軸線埋深處土體豎向總應(yīng)力）表示.此外,圖9給出隧道沿線地表最大沉降以作對(duì)比.由圖9可知,區(qū)間隧道內(nèi)盾構(gòu)扭矩T＝ 1 000～4 000 k N·m,平均扭矩為1 812 k N·m,盾構(gòu)掘進(jìn)至L＝800～1 000 m時(shí)盾構(gòu)扭矩相對(duì)較大,主要是由于開(kāi)挖面大部分土層為⑤層粉質(zhì)黏土,土體相對(duì)較堅(jiān)硬,切削扭矩及刀盤(pán)與圍巖摩阻力較大.盾構(gòu)總推力N＝6 000～16 000 k N,平均推力為11 300 k N；ps／σv＝0.4～1.3,平均值為0.935,δ＝130%～270%,平均注漿率為202%.區(qū)間內(nèi)v＝10～60 mm／min,平均值為34.2 mm／min.區(qū)間內(nèi)盾構(gòu)隧道所處地層均為軟黏土地層,而盾構(gòu)隧道前220環(huán)地表最大沉降平均值為30.2 mm,遠(yuǎn)大于后750環(huán)的9.4 mm,這與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制密切相關(guān).

圖9 隧道沿線盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)與地表最大沉降Fig.9 Excavation parameters recorded during tunnel advancement and maximum settlements

圖9表明,在盾構(gòu)隧道初始段,N、δ和ps均較大.N和ps能夠?yàn)殚_(kāi)挖面提供足夠的支護(hù)力,減小開(kāi)挖面地層損失,高注漿率可以提供足夠的漿液填充盾尾間隙,然而在初始段內(nèi)發(fā)生了較大的地表沉降和地層損失,隨著N、δ和ps逐步調(diào)整至相對(duì)較低的水平,地表沉降和VL減小.這一現(xiàn)象表明,在盾構(gòu)施工過(guò)程中,并非開(kāi)挖面支護(hù)力越大、δ越高,越有利于減小地表沉降和地層損失率.鑒于此,研究掘進(jìn)參數(shù)與地層損失率之間的相關(guān)關(guān)系對(duì)確定施工參數(shù)控制原則和控制范圍非常重要.

盾構(gòu)推力N主要由刀盤(pán)面板阻力、刀盤(pán)開(kāi)口阻力、及盾殼四周摩阻力組成.Krause［19］收集并分析了大量的盾構(gòu)載荷數(shù)據(jù),得到盾構(gòu)總推力經(jīng)驗(yàn)公式N＝βD2,其中β為盾構(gòu)總推力經(jīng)驗(yàn)系數(shù),D為盾構(gòu)直徑.為了研究桃-鼓區(qū)間內(nèi)盾構(gòu)推力對(duì)前方土體的擠壓效應(yīng)對(duì)地層損失率的影響,本文將β＝N／D2無(wú)量綱化,定義總推力指數(shù)Γ＝N／（D2·σh）,表征盾構(gòu)總推力與開(kāi)挖面?zhèn)认蛩翂毫Φ南鄬?duì)大小,其中σh為側(cè)向水土壓力.圖10研究了Γ與VL之間的相關(guān)關(guān)系.由圖10可知,桃-鼓區(qū)間隧道內(nèi)均有Γ＞1,且VL隨Γ的增大基本呈線性增長(zhǎng),近似擬合線性相關(guān)方程為VL＝1.67Γ－2.當(dāng)Γ＝1.0～1.8時(shí), VL基本小于＝0.71%；當(dāng)Γ＞1.8時(shí),VL偏大,基本都超過(guò).

王洪新［20］提出盾構(gòu)掘進(jìn)中刀盤(pán)面板對(duì)圍巖有明顯的擠土效應(yīng),是盾構(gòu)施工擾動(dòng)地層的重要因素,開(kāi)挖面土體力學(xué)特性、盾構(gòu)掘進(jìn)速度和刀盤(pán)開(kāi)口率等都影響擠土效應(yīng).刀盤(pán)面板正面的接觸壓力應(yīng)為p0＋Δp0,其中p0為土層的初始側(cè)向土壓力,Δp0為面板擠土附加應(yīng)力,

式中：μ、Eu分別為總應(yīng)力條件下土體泊松比、彈性模量,v為盾構(gòu)推進(jìn)速度,k為刀盤(pán)分塊數(shù),ω為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速,D為盾構(gòu)隧道直徑,ξ為刀盤(pán)開(kāi)口率.

利用式（1）計(jì)算得到盾構(gòu)通過(guò)各監(jiān)測(cè)斷面時(shí)的Δp0,得到VL隨Δp0的變化趨勢(shì)如圖11所示.由圖11可知,地層損失率對(duì)刀盤(pán)擠土附加應(yīng)力的變化非常敏感,隨著Δp0的逐步增大,地層損失率呈先減小后增大的趨勢(shì),發(fā)展形態(tài)近似呈拋物線型.當(dāng)15 kPa≤Δp0≤40 kPa時(shí),地層損失率相對(duì)較小,基本分布在＝0.71%之下；當(dāng)Δp0＜15 k Pa或Δp0＞40 k Pa時(shí),VL基本都超過(guò)了＝0.71%.

圖10 V L與Γ的相關(guān)關(guān)系Fig.10 Relationship between V L andΓ

圖11 V L隨刀盤(pán)面板擠土附加應(yīng)力Δp 0的變化趨勢(shì)Fig.11 Observed trend between V L and additional stressΔp 0 due to compaction effect of cutter head

圖12分析了VL與ps／σv之間的相關(guān)關(guān)系和變化趨勢(shì).由圖12可知,當(dāng)ps／σv＝0.8～1.0時(shí),VL基本小于L＝0.71%,而當(dāng)ps／σv＞1.0時(shí),VL的分布區(qū)間較大,并有較多區(qū)段VL＞0.71%,這表明盾構(gòu)施工過(guò)程中,盡管需要保證ps足夠大以減小開(kāi)挖面地層損失,但過(guò)大的ps同樣會(huì)引起較大的地表沉降和地層變形.因此,設(shè)置合理的ps是控制地表沉降的重要手段,而對(duì)寧波類(lèi)似軟黏土地層中ps／σv＝0.8～1.0較合理.

圖13表明,VL隨v的變化分布相對(duì)離散.可知,當(dāng)v＜30 mm／min時(shí),VL基本小于L；當(dāng)v＞30 mm／min時(shí),VL相對(duì)更大,分布更離散,且較多區(qū)段VL＞0.71%.這可能是由于當(dāng)v較大時(shí),Δp0相應(yīng)較大,土壓艙支護(hù)壓力控制更加困難,導(dǎo)致v較大時(shí)VL較大,而在寧波類(lèi)似地層中,控制v＝15～30 mm／min是較合理的.

圖12 V L隨歸一化支護(hù)壓力p s/σv的變化趨勢(shì)Fig.12 Observed trend V L and normalized face support pressure p s／σv

圖14研究了VL隨δ的變化趨勢(shì).當(dāng)δ一定時(shí), VL變化范圍較大,這表明其他因素也影響地層損失率.可以看出,當(dāng)δ≥150%時(shí),隨著δ的增大,各級(jí)δ下的平均VL呈線性增大；當(dāng)δ＝200%～220%時(shí),地層損失率分布相對(duì)集中,大部分為0～1.0%.這表明在軟黏土地層中,并非δ越大越能達(dá)到減小地層損失的目的,δ過(guò)大反而導(dǎo)致較大的地層損失率.

圖13 V L隨掘進(jìn)速度v變化趨勢(shì)Fig.13 Observed trend between V L and TBM penetration rate

圖14 V L隨δ的變化趨勢(shì)Fig.14 Relationship between V L and grouting volume ratioδ

綜合圖10～14可見(jiàn),N、v、Δp0、ps／σv以及δ對(duì)VL的影響非常明顯,過(guò)大或過(guò)小均將導(dǎo)致較大的地層損失,因此各參數(shù)必須嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi).Δp0綜合反映了盾構(gòu)面板對(duì)開(kāi)挖面前方土體的擠壓效應(yīng),地層損失率對(duì)該參數(shù)的變化最敏感.控制Δp0在合理范圍內(nèi),可以對(duì)開(kāi)挖面前方地層起到較好的支撐作用,一定程度上彌補(bǔ)由刀具切削引起的應(yīng)力釋放,從而減少開(kāi)挖面的地層損失.Δp0過(guò)小,則不足以彌補(bǔ)刀具切削引起的應(yīng)力釋放,使得開(kāi)挖面地層損失較大；Δp0過(guò)大,將強(qiáng)烈擾動(dòng)圍巖,弱化圍巖性質(zhì).兩者均將造成較大的地層沉降變形和地層損失.此外,雖然較大的N、ps／σv能夠?yàn)殚_(kāi)挖面提供足夠支護(hù)力,較高的盾尾注漿率能夠提供足夠的漿液來(lái)填充盾尾間隙,但這均將加劇盾構(gòu)隧道施工對(duì)周?chē)貙拥臄_動(dòng),最終導(dǎo)致VL較大.盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中,控制掘進(jìn)參數(shù)在合理范圍之內(nèi)對(duì)控制地層變形和地層損失率至關(guān)重要,本文研究成果表明,對(duì)于類(lèi)似本文中的寧波典型軟黏土地層,控制N以實(shí)現(xiàn)Γ＝1.0～1.8,Δp0＝15～40 kPa,ps／σv＝0.8～1.0,δ＝ 200%～220%,v＝15～30 mm／min是較合理的.

4 結(jié) 論

（1）隧道上覆土層對(duì)地表沉降槽形態(tài)的影響顯著,當(dāng)上覆土層為厚層砂質(zhì)粉土?xí)r,地表沉降槽寬度系數(shù)ix＝3.78～5.44 m,K＝0.3～0.4,縱向沉降曲線基本分布于iy＝2ix及平移iy后的累積高斯沉降曲線之間.當(dāng)上覆土層為軟黏土地層時(shí),K＝0.45～0.55,ix＝5.69～10.1 m,縱向沉降曲線基本位于iy＝ix及平移iy后的累積高斯沉降曲線之間.地表橫向沉降槽的影響范圍為隧道軸線兩側(cè)3.2D～4.0D內(nèi),縱向沉降發(fā)展的影響范圍為開(kāi)挖面前3D至開(kāi)挖面后4D～6D.

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表最大沉降及地層損失率的影響顯著.在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中,采用較大的N、ps和δ的區(qū)段地層損失率相對(duì)較大,VL＝0.60%～1.90%,平均VL＝1.15%；當(dāng)N、ps和δ逐步調(diào)整至相對(duì)較低水平時(shí),VL降至較低水平,VL＝0.22%～1.22%,平均VL＝0.52%.

（3）本文提出表征盾構(gòu)總推力與開(kāi)挖面總水土壓力相對(duì)大小的總推力指數(shù)Γ,分析面板擠土效應(yīng)對(duì)地層損失率的影響.桃-鼓區(qū)間隧道內(nèi)均有Γ＞1,且VL隨Γ基本呈線性增長(zhǎng).VL隨Δp0的增加變化顯著,呈先減小、后增大的趨勢(shì),相關(guān)曲線近似呈拋物線.

（4）盾構(gòu)隧道施工參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格控制在合理的上限與下限內(nèi),建議對(duì)寧波類(lèi)似的軟黏土地層中盾構(gòu)隧道施工,應(yīng)控制N使得Γ＝1.0～1.8,Δp0＝15～40 k Pa,ps／σv＝0.8～1.0,δ＝220%～200%,v＝15～30 mm／min,可以較好地控制盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)貙拥臄_動(dòng),減小地表沉降和地層損失.

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Tunnel boring machine tunneling-induced ground settlements in soft clay and influence of excavation parameters

LI Zhong-chao1,2,CHEN Ren-peng1,2,MENG Fan-yan1,2,YE Jun-neng3
（1.MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China；
2.Department of Civil Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China；3.Ningbo Urban Rail Transit Project Construction Headquarters,Ningbo 315012,China）

Measurements of ground settlements induced by the construction of a single tunnel mainly in soft clay of Ningbo Metro Line were presented.The soils above tunnel were mainly sandy silt and mucky clay, and the tunnel was constructed using earth pressure balanced（EPB）tunnel boring machine.Ground settlements due to shield tunneling were back-analyzed using the classical Gaussian empirical predictions, both in the transverse and longitudinal directions.Thus the transverse settlement trough parameters ixand K were obtained.Translated Gaussian cumulative curves were proposed to better match the evolution of settlements during tunnel advancement.The ground volume loss along the alignment was obtained,and the influence of excavation parameters on the volume loss was investigated.Results indicate that the total thrust force of the shield,normalized face-support pressure and backfilling grouting ratio can markedly influence the ground volume loss.Suggested ranges of different excavation parameters were presented.

earth pressure balanced shield tunneling；soft clay；ground settlement；ground volume loss；excavation parameter

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.010

TU 47

A

1008- 973X（2015）07- 1268- 08

2014- 07- 15. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51225804,U1234204）；浙江省重大科技專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2011C13043）.

李忠超（1987—）,男,博士生,從事軟土中盾構(gòu)隧道和深基坑工程等對(duì)周?chē)h(huán)境影響的研究.E-mail：10912014＠zju.edu.cn

陳仁朋,男,教授.E-mail：chenrp＠zju.edu.cn