雙線地鐵隧道泥水及土壓平衡盾構(gòu)施工地層變形特征研究

吳紅博， 周傳波， 蔣 楠， 高 壇

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來隨著城市的發(fā)展，地面交通越來越擁擠，各大城市通過興建地鐵緩解交通壓力。地鐵隧道開挖會引起不同程度的地層變形，地層變形較大時會造成地表路面塌陷、破壞地下埋設(shè)的管線、危及鄰近建筑物安全。因此，在復(fù)雜的地層條件下，選擇合適類型的盾構(gòu)和合理的施工參數(shù)進(jìn)行施工對地層變形控制十分重要。

關(guān)于盾構(gòu)施工引起地層變形，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。R. B. Peck[1]認(rèn)為隧道施工引起的地表沉降曲線符合正態(tài)分布。此后，一些學(xué)者從理論分析[2]、數(shù)值模擬[3-4]等方面做了研究工作。魏新江等[5]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對地層位移規(guī)律與盾構(gòu)參數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究。姜忻良等[6]將實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，對盾構(gòu)施工地層水平位移和深層沉降進(jìn)行了研究。王忠昶等[7]運(yùn)用有限元軟件對雙線隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到不同深度的地層位移規(guī)律。蔣勝光等[8]利用有限元軟件對圓礫地層雙線盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。林存剛等[9]通過對杭州慶春路雙線隧道采用泥水平衡盾構(gòu)穿越大堤的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，探討了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地面沉降的關(guān)系。李承輝等[10]以蘭州地鐵1 號線迎門灘站—馬灘站區(qū)間雙線隧道采用泥水平衡盾構(gòu)施工為背景，分析左右線盾構(gòu)通過時地層深層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了泥水平衡盾構(gòu)對砂卵石地層的擾動狀態(tài)。楊曉華[11]依托蘭州某區(qū)間地鐵隧道工程，利用數(shù)值模擬研究了砂卵石地層中雙線采用土壓平衡盾構(gòu)引起的地層變形規(guī)律。王國富等[12]以蘭州軌道交通1號線某區(qū)間試驗(yàn)段為工程案例，對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出泥水平衡盾構(gòu)控制沉降優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。

綜上所述，目前對雙線地鐵隧道采用不同類型盾構(gòu)施工引起地層變形規(guī)律的研究較少。本文以南寧地鐵3號線東葛路站—濱湖路站區(qū)間雙線隧道分別采用泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)施工為背景，利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析2種類型盾構(gòu)在圓礫地層施工時引起的地層變形規(guī)律，以期為該地區(qū)類似地質(zhì)條件下的盾構(gòu)選型和安全施工提供參考。

1 工程概況

南寧市地鐵3號線東葛路站—濱湖路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間全長957 m。隧道主要穿越圓礫層、粉質(zhì)黏土層，局部穿越粉土層、粉砂層。區(qū)間穩(wěn)定水位埋深為8.90～12.50 m，高程為63.20～67.42 m，承壓水位埋深為10.40 m，隧道頂埋深約為11.7～21.0 m，區(qū)間線路線間距為8.0～14.0 m。東葛路站—濱湖路站區(qū)間線路縱坡為“V”形坡，左線最大坡度為28.167‰，右線最大坡度為27.537‰。地層縱向剖面如圖1所示，土層的主要物理參數(shù)見表1。

區(qū)間左線泥水平衡盾構(gòu)先行，右線土壓平衡盾構(gòu)后行。其中左線采用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)刀盤直徑為6 280 mm，刀盤開口率為35%，刀具由5把滾刀、27把先行撕裂刀、46把刮刀、8把貝殼刀、4把邊緣保護(hù)刀組成。主機(jī)的外形尺寸為： 前盾直徑6 250 mm,中盾直徑6 240 mm，盾尾直徑6 230 mm，機(jī)身長8 700 mm，盾尾間隙為75 mm。土壓平衡盾構(gòu)刀盤直徑為6 280 mm，刀盤開口率為30%，刀具由1把仿形刀、 28把滾刀、 16把刮刀、8把重型撕裂刀、64把齒刀組成。主機(jī)的外形尺寸為： 前盾直徑6 250 mm,中盾直徑6 240 mm，盾尾直徑6 240 mm，機(jī)身長8 300 mm，盾尾間隙為75 mm。2臺盾構(gòu)由盾尾注漿管進(jìn)行同步注漿，注漿管路為4個。管片外徑D1=6.0 m，管片內(nèi)徑D2=5.4 m，環(huán)寬1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C50。

圖1 地層縱剖面圖

2 地表變形實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在隧道盾構(gòu)施工過程中，地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直觀地反映盾構(gòu)施工造成的地層損失。

2.1 地表沉降監(jiān)測布置

隧道在圓礫地層區(qū)段的監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2和圖3所示，每30 m布設(shè)一個橫向監(jiān)測斷面，隧道軸線正上方每10 m布置一個地表沉降監(jiān)測點(diǎn)。區(qū)間其他部分的沉降監(jiān)測與圖2和圖3類似。

2.2 盾構(gòu)施工變形特征實(shí)測分析

本文針對2種類型盾構(gòu)在圓礫地層施工，對典型監(jiān)測斷面DB26和隧道軸線正上方監(jiān)測點(diǎn)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

圖4示出2臺盾構(gòu)穿越DB26斷面前后的掘進(jìn)參數(shù)。由圖4可知： 此區(qū)段泥水平衡盾構(gòu)推力、刀盤轉(zhuǎn)矩小于土壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)速度、開挖艙壓力略大于土壓平衡盾構(gòu)。泥水平衡盾構(gòu)推力為7 900～12 000 kN，土壓平衡盾構(gòu)推力為12 000～17 000 kN；泥水平衡盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩為300～700 kN·m，土壓平衡盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩為900～1 700 kN·m； 泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度在35 mm/min左右，土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度在28 mm/min左右； 2臺盾構(gòu)開挖艙壓力均在0.2 MPa左右，同步注漿量均為5～7.5 m3，注漿壓力均為0.2～0.35 MPa。

圖2監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

Fig. 2 Layout of monitoring points

圖3 監(jiān)測點(diǎn)橫斷面布置及地層分布圖(單位： m)

Fig. 3 Cross-section of layout of monitoring points and strata distribution (unit： m)

(a) 盾構(gòu)推力

(b) 刀盤轉(zhuǎn)矩

(c) 掘進(jìn)速度

(d) 開挖艙壓力

(e) 同步注漿量

(f) 注漿壓力

圖4盾構(gòu)穿越DB26斷面前后掘進(jìn)參數(shù)

Fig. 4 Tunneling parameters of shield before and after crossing cross-section DB26

圖5示出隧道穿越圓礫地層時地表典型斷面DB26的實(shí)測沉降曲線。由圖5可知： 左線隧道泥水平衡盾構(gòu)通過時，地表最大沉降量為5.5 mm，隧道軸線兩側(cè)8.0 m范圍外地表無明顯沉降； 右線隧道土壓平衡盾構(gòu)通過時，地表最大沉降量為18.7 mm，隧道軸線兩側(cè)18.0 m范圍外地表無明顯沉降； 雙線隧道掘進(jìn)完成后，地表最大沉降量為21.59 mm。土壓平衡盾構(gòu)開挖造成的地表沉降量以及影響范圍明顯大于泥水平衡盾構(gòu)。

圖5 DB26斷面地表沉降曲線

圖6和圖7分別示出泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)通過監(jiān)測點(diǎn)前后監(jiān)測點(diǎn)的沉降歷程曲線(其中隧道軸線上方Z66、Z65、Z64、Z61、Z60、Y66、Y65、Y64、Y61、Y60監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)完整)。由圖6和圖7可知： 1)2種類型盾構(gòu)刀盤到達(dá)距監(jiān)測點(diǎn)3D1位置前監(jiān)測點(diǎn)未產(chǎn)生沉降(隆起)； 2)盾構(gòu)到達(dá)距監(jiān)測點(diǎn)2D1左右位置時，監(jiān)測點(diǎn)開始沉降(隆起)，直到盾體通過監(jiān)測點(diǎn)所在區(qū)段，監(jiān)測點(diǎn)沉降量較小； 3)盾構(gòu)盾尾通過監(jiān)測點(diǎn)后，監(jiān)測點(diǎn)沉降量迅速增加，泥水平衡盾構(gòu)盾尾通過距監(jiān)測點(diǎn)約2D1位置時沉降量達(dá)到峰值，土壓平衡盾構(gòu)盾尾通過距監(jiān)測點(diǎn)約3D1位置時沉降量達(dá)到峰值。2種盾構(gòu)在圓礫地層施工時，土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)相比，盾尾脫離管片時監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生較大沉降，導(dǎo)致最終地面沉降量較大。

3 雙線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程的數(shù)值模擬

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律，對數(shù)值模擬進(jìn)行以下簡化： 2種類型盾構(gòu)盾尾脫離管片時采用不同的應(yīng)力釋放程度來模擬周圍土體擾動和非及時注漿所導(dǎo)致的地層變形。

3.1 數(shù)值模型的建立

模型上邊界按實(shí)際覆土分層取至地表，隧道埋深18 m，向下取至隧道底部以下21 m，橫向取隧道外側(cè)29.5 m,雙線平行隧道軸線間距為11 m，沿縱向取72 m，由此建立FLAC3D三維數(shù)值模型的尺寸為72 m×81 m×45 m(長×寬×高)。邊界條件為： 上表面邊界為自由邊界，側(cè)面邊界限制水平方向位移，底部邊界限制豎向位移。盾殼和襯砌管片采用殼單元，土體和注漿層采用實(shí)體單元。建立三維數(shù)值模型，如圖8所示。

圖6 泥水平衡盾構(gòu)施工引起的監(jiān)測點(diǎn)沉降歷程曲線

Fig. 6 Time-history settlement curves of monitoring points induced by slurry balance shield construction

圖7 土壓平衡盾構(gòu)施工引起的監(jiān)測點(diǎn)沉降歷程曲線

Fig. 7 Time-history settlement curves of monitoring points induced by EPB shield construction

圖8 FLAC3D數(shù)值模型

3.2 本構(gòu)模型和材料的力學(xué)參數(shù)

本文土體采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性模型，盾殼、襯砌管片和注漿層采用彈性材料，地層材料參數(shù)采用勘察資料取值。模型計算采用的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型材料力學(xué)參數(shù)

3.3 盾構(gòu)施工模擬步驟和模擬方案設(shè)計

在自重應(yīng)力下，模型運(yùn)算至平衡后計算土體的初始應(yīng)力場，產(chǎn)生的位移清零。具體步驟如下：

1)沿隧道開挖方向開挖9.0 m(約盾體長度)，隧道內(nèi)壁施加盾構(gòu)鋼殼，在掌子面施加0.2 MPa(開挖艙壓力)的均布荷載，運(yùn)行至平衡，以模擬盾構(gòu)進(jìn)入土體。

2)盾構(gòu)每個循環(huán)向前掘進(jìn)3.0 m(2個管片長度)，在距離開挖面9.0 m處去除盾構(gòu)鋼殼，計算一定時步，使周邊土體產(chǎn)生變形，以模擬盾尾空隙和注漿不及時造成的地層變形。

3)安裝管片，施加注漿層，根據(jù)現(xiàn)場注漿參數(shù)施加0.25 MPa的注漿壓力； 先開挖左線隧道，后開挖右線隧道。

依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)中2臺盾構(gòu)盾尾脫離管片后的地表沉降差異，2臺盾構(gòu)盾尾脫離管片時采用不同的計算時步使地層發(fā)生變形。圖9和圖10分別示出實(shí)際工況下雙線隧道掘進(jìn)完成時的豎向位移和軸線方向Y=36 m處地表沉降曲線。由圖10可知，數(shù)值模擬得到的結(jié)果與實(shí)測值相比，沉降槽寬度和深度基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性。本文設(shè)計模擬3種工況，工況1(實(shí)際工況)： 雙線隧道左線采用泥水平衡盾構(gòu)施工，右線采用土壓平衡盾構(gòu)施工。工況2： 雙線隧道均采用泥水平衡盾構(gòu)施工。工況3： 雙線隧道均采用土壓平衡盾構(gòu)施工。

圖9 豎向位移云圖(單位： m)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 雙線隧道盾構(gòu)施工引起地層沉降特征分析

圖11示出工況1下雙線隧道掘進(jìn)完成時隧道軸線方向Y=36 m處不同深度地層的沉降曲線。由圖11可知： 隨著地層深度的增加，右線隧道上方地層沉降越來越大，而左線隧道上方地層沉降無明顯增加。其中，在地表X=0 m處沉降量為13.7 mm，X=11 m處沉降量為20 mm； 在埋深6.5 m粉質(zhì)黏土層X=0 m處沉降量為14 mm，X=11 m處沉降量為21 mm； 在埋深12 m軟塑狀粉質(zhì)黏土層X=0 m處沉降量為14.2 mm，X=11 m處沉降量為26.5 mm； 在埋深16 m圓礫層X=0 m處沉降量為17 mm，X=11 m處沉降量為44.5 mm。雙線隧道掘進(jìn)完成時，地層沉降槽曲線偏向右線隧道。

圖10 雙線隧道掘進(jìn)完成時Y=36 m處地表沉降曲線

Fig. 10 Surface settlement curve atY=36 m when two lines are completed

圖12和圖13分別示出工況2和工況3下雙線隧道掘進(jìn)完成時隧道軸線方向Y=36 m處不同深度地層的沉降曲線。由圖12和圖13可知： 1)雙線隧道掘進(jìn)完成時，不同工況下引起的不同深度地層最大沉降見表3，雙線隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工地層沉降較大，更可能危及周邊建筑物及基礎(chǔ)的安全； 2)隨著地層深度的增加，單線隧道開挖沉降槽越來越窄，雙線隧道掘進(jìn)完成后地層沉降曲線呈“W”形狀越來越明顯，在深度16 m的圓礫地層和深度12 m的軟塑狀粉質(zhì)黏土層,沉降曲線呈“W”形狀； 3)地層距離地表越近，沉降影響范圍越大，其中工況2下雙線隧道采用泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時，地表沉降影響范圍約30 m； 工況3下雙線隧道采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時，地表沉降影響范圍約50 m。

Fig. 11 Ground settlement curves at different depths atY=36 m in condition 1

圖12工況2下Y=36 m處不同深度地層沉降曲線

Fig. 12 Strata settlement curves at different depths atY=36 m in condition 2

圖13 工況3下Y=36 m處不同深度地層沉降曲線

Fig. 13 Strata settlement curves at different depths atY=36 m in condition 3

表3不同工況下引起的地層最大沉降

Table 3 Maximum settlement of strata caused by different working conditions

埋深/m最大沉降量/mm工況2工況308.6306.59.432.91211.334.71616.546

4.2 雙線隧道盾構(gòu)施工引起地表水平變形特征分析

地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地表水平位移危及埋設(shè)近地表管線的安全。本文對不同工況下地表水平位移規(guī)律進(jìn)行分析，以期為安全施工提供參考。

圖14示出工況1下單線掘進(jìn)完成和雙線掘進(jìn)完成時隧道軸線方向Y=36 m處地表水平位移曲線。由圖14可知： 單線(左線)隧道掘進(jìn)完成時地表水平位移曲線以左線隧道軸線對稱分布，雙線隧道掘進(jìn)完成時地表水平位移曲線呈非對稱性。雙線隧道掘進(jìn)完成后最大水平位移發(fā)生在X=-3 m位置，為6.4 mm，地表水平位移向右線隧道軸線移動。工況1下，土壓平衡盾構(gòu)施工引起的水平變形是總水平變形的主要部分。

圖14 工況1下Y=36 m處地表水平位移曲線

Fig. 14 Horizontal surface displacement curves atY=36 m in condition 1

圖15和圖16分別示出工況2和工況3下單線掘進(jìn)完成和雙線掘進(jìn)完成時隧道軸線方向Y=36 m處地表水平位移曲線。由圖15和圖16可知： 單線(左線)隧道掘進(jìn)完成時地表水平位移曲線以左線隧道軸線對稱分布，雙線隧道掘進(jìn)完成時地表水平位移曲線以雙線隧道中線對稱分布。在工況2下，單線(左線)隧道掘進(jìn)完成時在X= 9.0 m位置處水平位移達(dá)到最大，為2.4 mm； 雙線隧道掘進(jìn)完成時，最大位移量約為3.0 mm，在距離雙線隧道中線10.0 m位置處。在工況3下，單線(左線)隧道掘進(jìn)完成時在X=10.0 m位置處水平位移達(dá)到最大，為6.0 mm； 雙線隧道掘進(jìn)完成時，地表水平位移最大值為9.4 mm，在距離雙線隧道中線13.0 m處。雙線隧道先后施工時，雙線隧道軸線間地表出現(xiàn)不同方向位移，土壓平衡盾構(gòu)施工造成的地表水平位移量大，對埋設(shè)近地表管線有較為明顯的剪切作用。

圖15 工況2下Y=36 m處地表水平位移曲線

Fig. 15 Horizontal surface displacement curves atY=36 m in condition 2

圖16 工況3下Y=36 m處地表水平位移曲線

Fig. 16 Horizontal surface displacement curves atY=36 m in condition 3

5 結(jié)論與建議

本文基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬對土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)在圓礫地層施工的變形特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

1)在圓礫地層盾構(gòu)施工時，土壓平衡盾構(gòu)施工造成的地面沉降量和沉降范圍大于泥水平衡盾構(gòu)。

2)土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)相比，盾尾通過測點(diǎn)后有較大的沉降。土壓平衡盾構(gòu)盾尾通過距監(jiān)測點(diǎn)3D1位置后地層趨于平穩(wěn)，泥水平衡盾構(gòu)盾尾通過距監(jiān)測點(diǎn)2D1位置后地層趨于平穩(wěn)。

3)雙線隧道采用2種類型盾構(gòu)施工時，地層沉降槽曲線偏向土壓平衡盾構(gòu)施工的隧道； 雙線隧道采用同種盾構(gòu)掘進(jìn)完成時，深度越大的地層，其沉降曲線呈“W”形狀越明顯； 雙線隧道全部采用土壓平衡盾構(gòu)施工，地層發(fā)生較大的沉降，地表沉降影響范圍約為50 m，而采用泥水平衡盾構(gòu)施工的地表影響范圍為30 m。

4)雙線隧道采用2種類型盾構(gòu)施工時，地表水平變形主要是由土壓平衡盾構(gòu)施工引起； 雙線隧道采用同種盾構(gòu)施工時，單線隧道掘進(jìn)完成時地表水平位移曲線以隧道軸線對稱分布，雙線隧道掘進(jìn)完成時地表水平位移曲線以雙線隧道中線對稱分布。雙線隧道先后施工時，雙線隧道軸線之間地表出現(xiàn)不同方向水平位移，土壓平衡盾構(gòu)施工引起的地表水平位移更大，對此范圍內(nèi)埋設(shè)的近地表管線有較為明顯的剪切作用。

本文采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，研究了泥水及土壓平衡盾構(gòu)施工雙線隧道的地層變形規(guī)律。但是，數(shù)值模擬時依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)變形歷程特征對2種盾構(gòu)進(jìn)行了簡化，對2種類型盾構(gòu)的精細(xì)化模擬以及盾構(gòu)不同施工順序產(chǎn)生的影響還有待進(jìn)一步研究。