高富水砂卵石遲滯沉降室內模型實驗研究*

王晟鵬，孫靖杰

1.西藏大學工學院 西藏 拉薩 850000

2.西南交通大學地球科學與環境工程學院 四川 成都 611756

目前，由于成都地區特殊的地質特征，砂卵石地層具有高富水、砂層透鏡體分布不均、砂卵石含量高、卵石和漂石強度高、穩定性差、透水性強、地面沉降不易控制等特點，在砂卵石層中盾構隧道開挖后容易產生卵石顆粒擾動，導致在地鐵施工中出現較多地表沉降或者塌陷等工程問題。如成都地鐵1 號線錦江路段發生路面塌陷、地鐵2號線盾構掘進發生多處地表滯后沉陷等工程問題[1]。砂層透鏡體在動力擾動下發生液化流失，這對地層變形將是災難性的[2]，國外、國內對透鏡體和漂石的研究相對較少。

文章研究在砂卵石地層中砂層透鏡體和漂石對地層損失引起地表沉降特征的影響變化規律，可用來指導實際工程的勘察、設計以及施工，使成都砂卵石地層中盾構隧道施工更加安全、高效、經濟，為成都市未來更大規模的地鐵建設提供技術支撐。

1 模型試驗設計

1.1 模型尺寸設計及材料選擇

根據幾何相似比原理[3]和在相關文獻[4]的研究基礎上確定隧道外徑尺寸相似比設置在15 ∶1，地鐵隧道外徑約為6m，取6m 為基準進行相似模型設計。模擬試驗隧道洞徑為400mm，最終設計試驗箱體的幾何尺寸為長1500mm、寬900mm、高1200mm。采用相似級配法并結合19 號線二期工程項目中砂卵石粒徑篩分試驗粒徑的范圍區間劃分見表1。

表1 影響因素設置表

1.2 實驗影響因素確定

實驗方案一見表2，實驗方案二用漂石替換透鏡體。

表2 影響因素設置表

2 實驗過程

（1）按照相似比等比例進行模型土樣的配制。

（2）放置相應體積的充水水袋于隧道中心正上方，模擬地層空洞，關閉所有排水通道的排水閥，將試驗土樣裝填在試驗箱體，待土體裝填到相應高度時，分別在相應位置放置砂層透鏡體（見圖1）或者漂石（見圖2），并對土體進行夯實，填土完成后布置位移傳感器。

圖1 隧道正左側砂層透鏡體

圖2 隧道正左側漂石

（3）將位移傳感器（見圖3）連接至信號接收裝置上對應的通道，調試裝置，設置相關的參數，試驗開始后監測數據并設置自動記錄數據直至試驗結束。

（4）打開充水水袋排水管的開關，排出水袋中液體形成地層空洞，同時運用應變測試分析系統監測和采集傳感器數據。

（5）根據試驗方案設計表，改變試驗中因素，重復上述步驟，得到新的試驗數據，完成設計的所有試驗方案。

圖3 位移傳感器

3 結果分析

3.1 不同隧道上覆土深度情況下的地表沉降

隧道埋深50cm，地層空洞體積為3000mL，漂石和砂層透鏡體在隧道正上方20cm 條件下的沉降分析分別見圖4、圖5。

圖4 含漂石情況地表沉降

圖5 含砂層透鏡體情況地表沉降

由圖4、圖5 可知，隧道正上方3 號位移傳感器的遲滯沉降反應最為迅速，2 號和4 號變化速率相對變慢，且兩者在時間上有著較一致的變化趨勢；1 號和5 號位移傳感器遲滯沉降變化量最小，且變化速率最慢，可知在該試驗條件下，以隧道正上方的位置為中心，兩側相對位置在時間上有著較一致的變化趨勢。不同條件下漂石和砂層透鏡體地表沉降曲線對比見圖6。

圖6 不同條件下漂石和砂層透鏡體地表沉降曲線對比

由圖6 可知，改變隧道埋深，沉降曲線的形態基本保持不變，總體形態特征符合Peck[5]假定的高斯分布曲線，沉降槽寬度略有增大。地層位移主要出現在隧道正上方位置，隨著隧道埋深的增加，隧道上方深“V”沉降槽的下部快速向下延伸。

3.2 不同地層空洞體積大小情況下的地表沉降

在隧道埋深試驗得到的變化規律基礎上，以不同的地層損失情況為研究目標，選取50cm、70cm、90cm 三種隧道埋深作為對比，以地層空洞體積3000mL、2000mL、1000mL 作為研究因素變量，在第一部分隧道埋深試驗方案的基礎上，進行不同地層損失情況下的地表沉降分析（見圖7）。

圖7 漂石和砂層透鏡體地層空洞不同引起的沉降對比

在試驗條件下，從橫斷面內來看，地層空洞出現后地層沉降主要出現在隧道中心正上方，在隧道中心范圍影響外的位置沉降量顯著減小。這種情況主要是由于砂卵石地層的黏聚力小，空洞出現后砂卵石骨架無法長期維持平衡狀態，同時由于砂卵石地層具有松散、顆粒性強的特點，空洞擴散過程中地層結構顆粒間呈點對點受力，在地層中力的傳遞范圍較小，地層空洞在橫斷面內沉降才會主要出現在地層空洞的正上方。

4 結論

（1）從室內模型試驗中可知，不同地層空洞大小所引起的地表沉降形態符合Peck 曲線。（2）地層空洞通過裝滿水的液囊排水的過程模擬空洞的產生，沒有實際施工中盾構機掘進對地層的動態擾動，隨著地層空洞大小的增加，對應情況下的最大地表沉降顯著增加。（3）隨著地層損失的增大，地表沉降量也逐漸增大，同時比較得出在相同的條件下，漂石和砂層透鏡體對比分析，漂石造成的遲滯沉降影響比砂層透鏡體更大，且造成的沉降量比較大。通過分析得出，選取的紅磚模擬的漂石體積過大，而砂層透鏡體在沒有水動力和盾構擾動的情況下是較為穩定的，故漂石的沉降效果更為明顯。