大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越砂性地層沉降控制分析

包雨生,李 策,梁敏飛,王士民

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

隧道修建不可避免地會引起地表變形[1-3]，隨著國內(nèi)城市逐步完善軌道交通網(wǎng)，近年來大直徑盾構(gòu)已廣泛應(yīng)用于城市地鐵建設(shè)中[4]，針對大直徑盾構(gòu)施工對地層擾動的分析日漸增多[5-7]。王國才[8]、唐曉武等[9]用數(shù)值軟件與理論解析，研究了盾構(gòu)施工引起的地層變形及其變化規(guī)律；王非等[10]利用數(shù)值軟件分析了注漿壓力與掌子面推力等施工參數(shù)對地表沉降的影響；黃平等[11]結(jié)合上海迎賓三路隧道開展的13.95 m大直徑盾構(gòu)現(xiàn)場實測研究的結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進過程中掌子面推力與注漿壓力在大直徑盾構(gòu)施工中均為重要參數(shù)，而盾尾注漿壓力對地表變形的影響更為明顯。

同步注漿引起的地表沉降值大小受注漿壓力值大小、隧道開挖半徑等因素的影響[12]，而漿液自身沿隧道縱橫向的填充效果也會影響隧道周邊地層變形與地表沉降[13]，但對于隧道開挖到某一時刻的狀態(tài)，可人為改變的因素只有注漿壓力值，因此可通過調(diào)整注漿壓力大小實現(xiàn)對地表變形的控制。

結(jié)合武漢軌道交通8號線一期工程越江標段建設(shè)中開展的地層沉降現(xiàn)場監(jiān)測，以大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越砂性地層引起某斷面產(chǎn)生較大地表隆起為例，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)探討盾構(gòu)穿過該斷面過程中盾尾同步注漿壓力對該斷面地表變形的影響，并通過數(shù)值計算得到較為合理的注漿壓力，為類似地質(zhì)條件下盾構(gòu)同步注漿的壓力取值提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

武漢軌道交通8號線一期工程越江標段，于武昌區(qū)徐家棚站始發(fā)，漢口區(qū)黃浦路站接收，縱斷面示意見圖1。

圖1 武漢市軌道交通8號線一期工程越江隧道縱斷面示意

隧道采用12.51 m直徑泥水平衡式盾構(gòu)進行開挖，盾構(gòu)最大耐壓0.8 MPa，管片外徑12.1 m，內(nèi)徑11.1 m，壁厚0.5 m，混凝土強度等級為C50。管片環(huán)分為8塊，結(jié)構(gòu)形式為5塊標準塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊。隧道下部結(jié)構(gòu)采取預(yù)制箱涵+現(xiàn)澆鋼筋混凝土回填的結(jié)構(gòu)形式，箱涵以上部分采用30 cm厚現(xiàn)澆二襯，雙線間設(shè)置中隔墻，頂部設(shè)置煙道板，中隔墻中部設(shè)置緊急疏散平臺。結(jié)構(gòu)橫斷面布置如圖2所示。

圖2 隧道橫斷面示意

盾構(gòu)越江作業(yè)時穿越地層以粉細砂為主，開挖至江中最深處時需穿越強風(fēng)化礫巖與弱膠結(jié)礫巖層，此時最大計算水土壓力值達0.67 MPa。出江后盾構(gòu)作業(yè)穿越地層仍以粉細砂為主，由于距離長江較近，地層水頭與長江水位聯(lián)系緊密。

圖3 地表沉降監(jiān)測點布置

盾構(gòu)出江后開展了施工擾動下地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測，于DK10+640里程處開始布設(shè)沉降監(jiān)測點。測點編號格式為DBCM-N，其中M表示測點在隧道縱斷面上的位置，N表示測點在地表橫斷面上的位置，如DBC03-01為DK10+620里程上北側(cè)01號點，見圖3。為了研究盾構(gòu)下穿砂性地層對地表沉降的影響，定期對測點數(shù)據(jù)進行采集與處理。分析各斷面測點數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)在盾構(gòu)下穿DK10+620斷面過程中，該斷面上部地表產(chǎn)生了較大的隆起，最大隆起值為23.55 mm。隨著盾構(gòu)向前掘進逐漸遠離該斷面，該斷面最大隆起值雖然呈減小趨勢，但始終大于10 mm。

下面以盾構(gòu)下穿該斷面為例，分析盾構(gòu)下穿砂性地層對地表隆陷的影響，該斷面附近地表沉降監(jiān)測點布置示意見圖3。

1.2 監(jiān)測斷面信息

DK10+620斷面位于漢口岸邊段，距離長江岸邊約230 m，隧道埋深約31 m，該斷面地質(zhì)剖面見圖4，地層土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖4 DK10+620斷面地質(zhì)剖面(單位：m)

上覆土層天然重度/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比地層厚度/m素填土18.66.012.00.405.3粉質(zhì)黏土18.69.916.50.358.7粉砂19.430.000.306.8粉細砂19.432.000.3010.2

2 地表上隆分析

2.1 測點沉降歷時曲線

對DK10+620斷面測點進行沉降歷時曲線擬合分析，如圖5所示?？v坐標正值表示地表隆起，負值表示地表沉降；橫坐標正值表示盾構(gòu)通過后刀盤距斷面的距離。根據(jù)曲線可知，該處地表呈現(xiàn)先微量沉降，然后大幅度隆起，隨后逐漸穩(wěn)定的規(guī)律。

圖5 測點沉降歷時曲線

由于盾構(gòu)掘進過程中盾構(gòu)與地層土體相互作用復(fù)雜[14]，刀盤切口附加推力、盾殼與周圍土體的摩擦、盾尾同步注漿等因素均會影響地層位移。

分析盾構(gòu)掘進逐漸接近DK10+620斷面的過程，這段時期地表沉降主要受刀盤切口附近推力控制[15]，推力過大會造成開挖面前方地層隆起，過小則會造成掌子面失穩(wěn)，上方地表產(chǎn)生較大沉陷。由圖5可知，在盾構(gòu)到達前DK10+620斷面附近地表位移絕對值較小，地表隆陷均不超過5 mm，說明刀盤切口推力大小合理，未對掌子面前方地層產(chǎn)生過大擾動。

接下來分析盾構(gòu)通過DK10+620斷面的過程，由圖5可知，在盾構(gòu)通過后，地表產(chǎn)生了大幅度的隆起。盾尾注漿壓力會引起地表隆起，且不可忽視[16]，那么在地表出現(xiàn)大幅度隆起的情況下，盾尾注漿對地表的影響更加重要。

隨著盾尾臨近，測點斷面附近地表普遍產(chǎn)生隆起，盾尾同步注漿后地表隆起最為明顯，其中位于隧道軸線上方處的DBC03-05測點隆起值最大，為23.5 mm。之后隨著注漿壓力消散，地表隆起值呈減小趨勢，由于盾構(gòu)穿越砂土地層，盾構(gòu)通過120 m后地層表形已基本穩(wěn)定，此時測點DBC03-05隆起值降至17.1 mm，比該點峰值小27%，其他測點降幅17%～48%。

2.2 沉降槽分布曲線

分析盾構(gòu)不同施工狀態(tài)下DK10+620斷面的沉降槽曲線(圖6)。由圖6可知，在盾構(gòu)尚未到達斷面時，地表呈現(xiàn)接近中軸線位置略微沉降，距離中軸線較遠處略微隆起的狀態(tài)，地表變形幅度較小。盾尾同步注漿之后，地表整體呈現(xiàn)不同幅度的隆起，軸線處隆起最為明顯，前后變化值接近30 mm。

圖6 斷面沉降槽曲線

結(jié)合圖5與圖6中曲線的變化規(guī)律，盾尾注漿壓力對此影響最為顯著。分析實際施工過程的施工參數(shù)，盾構(gòu)于江中段作業(yè)時注漿壓力控制在0.70～0.80 MPa，于DK10+620斷面附近作業(yè)時注漿壓力范圍為0.65～0.75 MPa，后者取值比前者小0.05 MPa。初步判斷可能由于盾構(gòu)出江后注漿壓力調(diào)整幅度較小，盾尾同步注漿壓力仍處于較高水平，從而由于注漿壓力過大，導(dǎo)致地表出現(xiàn)大幅度隆起且短期內(nèi)無法恢復(fù)至較小的水平。

為了驗證上述現(xiàn)象是否由盾尾注漿壓力過大引起，下面采用數(shù)值軟件反演盾尾注漿壓力對地表沉降值的影響，并對注漿壓力進行優(yōu)化，獲取較為合理的壓力取值范圍。

3 數(shù)值計算分析

3.1 模型參數(shù)

采用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件進行建模計算，參照實際施工時的相關(guān)參數(shù)，建立高90 m，寬度為120 m，縱向長度60 m的計算模型，模型中隧道埋深31 m，管片內(nèi)徑11.1 m，外徑12.1 m，注漿圈外徑12.51 m。數(shù)值模型如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型

模型采用SOLID45 單元模擬地層土體、管片與注漿圈，其中管片與注漿圈均設(shè)為彈性材料，地層土體采用D-P本構(gòu)模型。考慮管片接頭對管片襯砌結(jié)構(gòu)剛度的削弱作用，將管片橫向抗彎剛度進行折減，折減系數(shù)取0.8。各材料參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模型材料參數(shù)

隧道采用每步2 m分步式開挖，并模擬實際開挖施加掌子面頂進壓力與盾尾注漿壓力。掌子面頂進壓力采用泥水平衡盾構(gòu)機實際泥水倉壓力模擬，大小為0.397 MPa；盾構(gòu)掘進時盾尾同步注漿壓力為0.65～0.75 MPa，分別計算壓力為0.65 MPa與0.75 MPa兩種工況，與實測值進行比較。

3.2 注漿壓力反演分析

計算時挖通60 m隧道，提取盾構(gòu)通過后已經(jīng)穩(wěn)定的沉降槽曲線，而實測數(shù)據(jù)中盾構(gòu)通過120 m左右時各測點數(shù)值已基本穩(wěn)定，將計算值與實測值作圖對比，如圖8所示。

圖8 地表沉降槽對比曲線

由圖8可知，3條曲線的極值從大到小分別為22.7、17.1、10.6 mm，均位于隧道軸線處，接近軸線處的實測地表沉降值與計算值吻合較好，數(shù)值介于0.65 MPa與0.75 MPa計算值之間。距離稍遠的測點由于沉降值本身較小，施工及周圍環(huán)境的影響產(chǎn)生的擾動會極大影響測量精確性，因此實測值略小于計算值。

穩(wěn)定后的地表沉降實測值與計算值的對比，一定程度上反映了DK10+620斷面處同步注漿壓力對地表隆起的影響，為了減小注漿壓力過大對地表變形的不利影響，下面對模型的注漿壓力進行進一步優(yōu)化分析，探求該斷面較為合理的注漿壓力。

3.3 注漿壓力優(yōu)化分析

由于實際注漿壓力過大，現(xiàn)將注漿壓力向下取值，以0.05 MPa為梯度，取至0.40 MPa，設(shè)置0.60 MPa、0.55 MPa、0.50 MPa、0.45 MPa、0.40 MPa共5組注漿壓力值，分析不同注漿壓力下盾尾同步注漿對地表變形的影響。

取各工況下隧道挖通后較穩(wěn)定的地表沉降值，得到如圖9所示的不同注漿壓力下的地表沉降槽曲線。由圖9可知，當注漿壓力為0.60 MPa時，變形穩(wěn)定后地表仍出現(xiàn)隆起；當注漿壓力減小至0.55 MPa以下后，變形穩(wěn)定后地表呈沉降形式，沉降值的大小隨著注漿壓力減小而增大。

圖9 不同注漿壓力下地表沉降槽曲線

對于隧道開挖引起的地表沉降，地鐵行業(yè)普遍認為應(yīng)控制在-30～10 mm內(nèi)，即地表沉降不超過30 mm，地表隆起不超過10 mm。參考這個標準，當注漿壓力控制在0.40～0.60 MPa內(nèi)均是符合標準的，但盾構(gòu)實際施工過程中可能產(chǎn)生地層損失、盾殼與周邊土體的摩擦、強透水砂性地層盾尾注漿時漿液滲流等問題，均會增大地表變形的幅度。為了將地表變形控制在較小的范圍內(nèi)，合理的注漿壓力應(yīng)取0.55 ～0.60 MPa。分析注漿壓力為0.55 MPa與0.60 MPa的隧道軸線方向地表沉降曲線，如圖10所示。由圖10可知，在盾構(gòu)刀盤到達前30 m至通過后30 m的期間內(nèi)，地表隆陷均不超過10 mm，說明上述注漿壓力取值合理。

圖10 軸線方向地表沉降曲線

類似地質(zhì)條件下大直徑泥水平衡盾構(gòu)同步注漿時，可參考本文建議的注漿壓力取值，以免引起因盾尾注漿壓力過大或過小而破壞土體被動或主動極限平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地表過量沉降或隆起的問題。

4 結(jié)論與建議

結(jié)合武漢軌道交通8號線越江區(qū)間段建設(shè)，通過對大直徑泥水平衡式盾構(gòu)穿越砂性地層施工擾動下的地層沉降現(xiàn)場監(jiān)測分析，結(jié)合數(shù)值計算，得到以下結(jié)論。

(1)盾構(gòu)掘進過程中部分地表產(chǎn)生隆起，且穩(wěn)定后隆起值較大，其中DK10+620斷面附近隆起最為明顯，結(jié)合盾尾脫環(huán)、同步注漿等施工過程進行分析，同步注漿壓力過大是造成地表隆起的主要原因。

(2)通過數(shù)值計算反演分析不同注漿壓力條件下盾構(gòu)掘進引起的地層變形，獲得了導(dǎo)致地表隆起的同步注漿壓力量值，與實際施工參數(shù)相吻合。

(3)考慮到實際施工過程中諸多不確定因素的影響，參考數(shù)值分析結(jié)果，得到了大直徑泥水盾構(gòu)穿越相似地層時盾尾注漿壓力的合理范圍，為0.55～0.60 MPa。