福州地鐵1號線典型軟土的工程性質

劉紀峰，李雄潤，陳福星

（1.三明學院 建筑工程學院，福建 三明365004；2.福建省順安建筑工程有限公司，福建 莆田351200）

我國東南沿海地區廣泛分布的海相沉積淤泥和淤泥質軟土對工程建設提出了很大挑戰［1－6］.軟土受施工擾動后的長期固結特性對城市地鐵重大工程建設的安全性、穩定性構成嚴重影響和潛在威脅［7－8］.針對這一課題，國內外采用的方法大致可分為兩大類：一是不考慮施工過程的預測方法，包括經驗法和理論解析法［9－10］；二是部分考慮施工過程的預測方法，包括各種數值模擬和物理實驗［11－13］.考慮施工圍巖擾動等因素，復雜軟土層暗挖隧道引起的地層變形往往比實際預測的更為嚴重［14－15］，而目前對該難題尚缺乏深入系統研究.福州地鐵1號線縱貫福州市中心城區，線路全長約29.24km，全部埋深20～30 m，隧道埋深范圍內有10.2～15.0m層厚的流塑狀態的淤泥、多層飽和狀態的黏土或淤泥質黏土，地下水位埋深2.10～3.60m.上部土層存在的厚度較大的高壓縮性飽和軟土，將對盾構隧道施工環境控制構成較大挑戰.控制不好，極易導致城市生命線工程損害事故，造成嚴重的經濟損失與社會影響.本文為探索解決該問題，對福州地鐵1號線典型軟土的工程特性進行試驗研究，并在此基礎上，采用ABAQUS有限元數值模擬，分析典型軟土長期固結效應對環境影響.

1 典型軟土的物理力學性質

1.1 掃描電子顯微鏡微細觀試驗

考慮到主要影響地鐵沉降的土層為淤泥③1，故電子顯微鏡（SEM）試驗及X射線衍射試驗僅針對該層.在福州地鐵1號線始發井基坑，采用薄壁取土器深取淤泥③1的典型軟土試樣，將其風干到一定程度，并加工成5～8mm見方的小塊.將小塊放入干燥箱完全干燥后，送試驗室檢測.20件土樣品均在低真空模式原始狀態通過放大500～5 000倍觀察表面微觀形貌.測試儀器為EVO 18型高分辨率場發射掃描電鏡（德國卡爾蔡公司），其主要技術參數為：3.0nm＠30kV，2.0nm＠30kV，4.5nm＠30kV的分辨率；0.2～30kV的加速電壓；5～100萬倍的放大倍數；10～400Pa的壓力范圍；X射線；8.5mm AWD；35°出射角.受篇幅限制，取成像較好具有代表性的＃6樣品，放大不同倍數，SEM測試結果，如圖1所示.

圖1 典型軟土SEM圖像Fig.1 SEM image of typical soft soil

由圖1可以看出：福州地鐵1號線典型軟土主要是由團聚狀顆粒組成，顆粒間有較大孔隙，在飽和狀態下受盾構隧道施工擾動，孔隙中水不能短時間內排出，產生較大的超孔隙水壓力；伴隨著超孔隙水壓力的消散，軟土將產生較大的次固結變形，應在隧道施工和地鐵運營時充分考慮這一問題.另外，從不同放大倍數的6號樣品SEM檢測結果來看，該類軟土結構具有一定的自相似特征，可借助分形理論研究其孔隙分形分維數和力學性質之間的聯系［15－17］.

1.2 X射線衍射分析試驗

福州地鐵1號線典型軟土的部分X射線衍射分析結果，如圖2所示.由圖2可知：試樣1，2的衍射峰基本一致，衍射強度也基本相同，說明試樣1，2所表現的物質的機構基本相同，或者可以認代表同一組分物質.對比SY／T 6210－1996《沉積巖中粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線衍射定量分析方法》［18］附錄A2常見礦物的X射線衍射圖譜，可知試樣1，2包含石英成分，這和SEM試驗結果是一致的，從試樣的SEM圖像上也可以看到石英晶體.

圖2 典型軟土XRD分析Fig.2 XRD analysis of typical soft soil

1.3 工程性質試驗

根據GB 50307－1999《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范》、GB 50021－2001《巖土工程勘察規范》（2009年版）、JGJ 83－1991《軟土地區工程地質勘察規范》、JGJ 89－1992《原狀土取樣技術標準》和GB／T 50123－1999《土工試驗方法標準》，針對福州地鐵1號線某始發井不同土層特性，分別采用靜壓法和錘擊法取用質量等級為I～II級的原狀土樣.通過室內常規試驗項目和一定數量的三軸固結不排水（CU）試驗、三軸不固結不排水（UU）試驗和固結回彈試驗，得出典型軟土的工程性質，如表1所示.表1中：γ表示重度；C表示固結快剪黏聚力；φ固結快剪內摩擦角；CU表示三軸UU黏聚力；φU／表示三軸UU內摩擦角；CCU表示CU黏聚力；φCU三軸CU表示內摩擦角；C′表示CU黏聚力；φ′U表示三軸CU內摩擦角.

表2中：w為水的質量分數；γ為重度；e為孔隙比；WL為液限；WP為塑限；KV為滲透系數；KH為滲透系數；α0.1～0.2為壓縮系數；ES0.1～0.2為壓縮模量；qu為無側限抗壓強度；St為靈敏度；①為固結快剪指標；②為未標明滲透系數；③為未測定指標.由表2可知：對比其他地區的軟土工程性質，福州地鐵1號線③1淤泥具有較高的水的質量分數、較低的重度、較大的孔隙比和液限、較小的滲透系數，黏聚力和內摩擦角（在對比的5個地區中，上述指標僅好于深圳軟土的），同時具有較大的壓縮系數、較小的壓縮模量和較高的靈敏度.相對而言，整體上工程性質較差.

表1 試驗實測典型軟土的工程性質表Tab.1 Experimental engineering properties of typical soft soils

福州地鐵1號線典型軟土和其他地區軟土的工程性質對比，如表2所示［3－6］.

表2 不同地區軟土工程性質對比Tab.2 Comparison of engineering properties among soft soils in different areas

2 長期固結效應

2.1 數值模型概述

數值模擬軟件采用大型商業有限元軟件ABAQUS 6.11－2版本［19］.雙線隧道線間距為12.5m；隧道內徑為6.2m；隧道埋深20m；盾構面支護壓力為125kPa；盾尾注漿壓力為0.2MPa；土與管片的摩擦系數0.2；地下水埋深3.3m［7－12，20］.建模原則：取一半對稱雙線隧道建模，以節省計算時間；三維模型考慮隧道開挖的施工過程引起地表移動的時空效應問題；基于福州地鐵1號線某區間隧道巖土工程勘察報告結果，土層厚度、力學參數和地下水位的選取，如表3所示；考慮地下水的影響，按照地下水位和水壓影響的水土合算計算初始地應力；考慮盾構施工過程的同步注漿和壁后注漿對圍巖的加固作用，管片及注漿體和圍巖共同承載，管片厚350mm，彈性模量30GPa.

模型尺寸長×寬×厚為80m×40m×60m，滿足邊界條件，建模完成后共有85 034個C3D8R單元，91 078節點.對③1～⑤1盾構施工擾動比較明顯的軟土層，用Cap Creep模型模擬蠕變效應導致的次固結沉降.綜合考慮施工和運營前期的軟土沉降和數值模擬運算時間問題，模擬時間選擇2年2個月，即800d.

表3 土體的物理力學性質Tab.3 Physical and mechanical properties of soft soil

表3中：ρ為密度，土體密度按該層土試樣測試結果較大值選取，以充分考慮自身質量影響；PV為體積模量；PJ為剪切模量；m為層厚.

ABAQUS中的地應力平衡通過特殊方法進行處理.首先，進行重力載荷作用下的變形分析，得到土體的沉降和應力分布；其次，再將上述計算的結果作為初始狀態施加到模型上，進行地應力平衡分析.施加重力計算，即可得到在重力作用的下的應力分布和沉降.通過此種方法，可以很精確地得到任何土質的初始地應力平衡狀態.初始地應力平衡結果，如圖3所示.

基于初始地應力平衡的狀態，模擬后續的開挖過程，開挖為20m，每掘進1m作為一個分析步.利用變化模型功能控制管片的添加以及土體的開挖過程.在初始地應力平衡中，將所有管片都殺死，然后在開挖過程中激活；在開挖過程中，將土體殺死.土體與管片考慮為有限滑移，摩擦系數為0.2.利用ABAQUS中獨有的壓力穿透功能，將0.2MPa的注漿壓力施加于管片和土體上，將125kPa的支護壓力施加在支護面上.

圖3 數值模型初始應力平衡結果Fig.3 Initial stress balance result of numerical model

2.2 分析結果

圖4為沉降歷時800d的土體沉降云圖，由圖4可以得到以下3點結論.

1）典型軟土地層中盾構隧道開挖地層沉降具有明顯的時空效應，距盾構隧道開挖面的距離越長、盾構上方土體固結時間越久，地層沉降越大.

2）受土體開挖卸荷和施工擾動多因素影響，管片安裝完成后，隧道底部圍巖隆起，最大隆起值達24.5mm，隧道上方圍巖沉降，800d的最大沉降值達－18.6mm.

3）較近距離的雙線盾構隧道，受沉降槽疊加影響，地表最大沉降發生在雙線隧道之間的部位，ABAQUS有限元數值模擬分析結果與類似工程實測結果一致［9－10］.

隧道開挖20m后，沉降歷時800d的管片應力，如圖5所示，由圖5可知：隧道開挖完成后，上下左右4個方位的管片受力較大，上下左右45°方位的管片受力較小，這與類似工程實測結果吻合［21］.

圖4 隧道開挖800d后地層沉降云圖Fig.4 Ground settlement counter of 800dafter tunnel excavation

圖5 隧道開挖800d后隧道管片應力圖Fig.5 Tunnel segments stress counter of 800dafter tunnel excavation

盾構隧道開挖20m后，沉降歷時800d的隧道頂部和雙線隧道中間地表兩個測點的沉降曲線，如圖6所示.圖6中：1為隧道頂部地表沉降曲線；2為雙線隧道中間地表沉降曲線.由圖6可知：隧道頂部地表沉降達－15.3mm，雙線隧道中間地表沉降達－18.6mm，歷時800d，但兩測點的沉降并沒有完全收斂，說明該類軟土受施工擾動后，將存在較長時期的次固結沉降，次固結沉降值較大且不均勻，容易在地鐵隧道投入運行之后，造成周邊建（構）筑物沉降開裂、隧道自身開裂滲水.與福州地鐵1號線工程地質條件類似的上海地鐵，已經遇到了類似問題.因此，在隧道施工和投入運營之后，要充分考慮該類軟土的工程特性及其可能造成的破壞，采取針對性的措施加以預防.

圖6 不同測點在隧道開挖800d后的沉降曲線Fig.6 Surveying points settlement curves after 800dtunnel excavation

3 結論

分別采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射分析、室內物理力學試驗和ABAQUS有限元數值模擬分析方法，從不同方面研究了福州地鐵1號線埋深范圍內存在的較厚層典型軟土的工程性質及其施工擾動后對地層環境的影響.通過研究，可以得出如下3點結論.

1）福州地鐵1號線埋深范圍內存在的較厚的③1淤泥，由含有較大孔隙的微團聚顆粒組成，試樣包含石英成分，試樣的不同放大倍數圖像具有一定的自相似特征.對比其他地區軟土，③1淤泥水的質量分數、孔隙比、液限、壓縮系數和靈敏度較高，重度、滲透系數、壓縮模量、黏聚力和內摩擦角較小，工程性質較差，如不采取加固措施，施工和運營階段對該層的擾動將造成其長期次固結沉降，危及工程安全.

2）盾構隧道開挖具有明顯的時空效應，管片安裝完成后，隧道底部圍巖最大隆起值達24.5mm，隧道上方圍巖最大沉降值達－18.6mm，地表最大沉降發生在雙線隧道中間部位；上下左右4個方位的管片受力較大，上下左右45°方位的管片受力較小，數值模擬結果符合工程實際.

3）沉降歷時超過26個月，但相關地表監測點的沉降并沒有完全收斂，說明該類軟土受施工擾動后，將存在較長時期數值較大且不均勻的次固結沉降，容易引起周邊建（構）筑物損害和隧道管片自身開裂滲水之類的工程問題.因此，應在盾構隧道設計、施工和運營各環節采取針對性的措施加以預防，確保工程安全.

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