成都富水砂卵石地層土體顆粒級配特性與強(qiáng)度分析

張延杰，龔曉南

（1.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650204；2.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

顆粒級配是影響土體滲透性和力學(xué)強(qiáng)度的重要因素[1-3]。砂卵石土顆粒受生成環(huán)境的影響，呈現(xiàn)出不同形態(tài)、不同尺寸，而不同粒度的顆粒介質(zhì)對其力學(xué)性能有很大的影響[4]。目前國內(nèi)大范圍存在砂卵石地層的地鐵城市主要有北京、沈陽、成都地區(qū)和處于深層地鐵隧道施工的廣州地區(qū)。其中，北京地鐵隧道砂卵石地層卵漂石含量50%～70%，粒徑主要分布在20～60 mm區(qū)間，偶見漂石分布，但基本無地下水；沈陽地鐵砂卵石地層卵石含量5%～20%，粒徑主要分布在20～45 mm區(qū)間，基本無漂石，地下水位在地表下4.5～10 m[5]；隨著城市發(fā)展需要和地鐵線路的增多，廣州等城市的地鐵隧道工程，在大埋深下的盾構(gòu)施工中面臨穿越砂礫石地層。而成都地區(qū)的地鐵隧道工程呈現(xiàn)“三高”特點(diǎn)[6-7]：地下水位高、卵石含量高、地層強(qiáng)度高，工程和水文地質(zhì)特征為其他城市地鐵隧道工程所罕見。由于富水砂卵石地層的地質(zhì)特性，國外大中型盾構(gòu)隧道建設(shè)中較少見到類似實(shí)例分析。基于土質(zhì)與級配的不同，關(guān)于國外掘進(jìn)參數(shù)的研究規(guī)律是否適用于該地層，也可借鑒國外較為成熟的研究方法，進(jìn)行該地層下的掘進(jìn)參數(shù)研究分析。祝林[8]提到成都地區(qū)飽和砂卵石土的內(nèi)摩擦角為39°，但并未指明地層形成時期與砂卵石類別。相關(guān)研究在數(shù)值模擬研究中土體參數(shù)的選取上和室內(nèi)試驗(yàn)得出的土體物理力學(xué)參數(shù)是有差異的[9]，并同時以成都地鐵2號線站東廣場站為研究背景時，在選擇的物理力學(xué)參數(shù)值存在較大不同[10-11]。陳盛金[12]通過勘探查明的砂卵石層，根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地鐵2號線部分車站的第四系人工填土層和第四系全新統(tǒng)沖積層砂土、卵石土等均為松散堆積，壓縮性高、荷重易變形的特點(diǎn)。

數(shù)值分析方面，國內(nèi)相關(guān)研究較多并取得很大進(jìn)展，包括細(xì)粒土層下的有限元分析、粗粒土層下的有限差分軟件和離散元分析。室內(nèi)試驗(yàn)方面，由于砂卵石土（粗粒土）試驗(yàn)操作的復(fù)雜性，其試驗(yàn)周期冗長并且試驗(yàn)費(fèi)用高。成都地鐵目前已開通13條線路，開通后成都軌道交通運(yùn)營總里程將達(dá)到558 km，成都地鐵在建線路共有10條，截至目前在建線路總長仍超過200 km。因此針對選取具有代表富水砂卵石地層的成都地區(qū)確定土體顆粒級配是一項基礎(chǔ)性的研究，同時又是一項極其重要的研究。

1 地質(zhì)和水文條件對隧道施工的影響

1.1 地質(zhì)條件對地鐵隧道施工影響

成都平原處于新華夏系第三沉降帶之川西褶帶的西南緣，為一斷陷盆地。成都地鐵線路場地內(nèi)及其附近無影響工程穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，為穩(wěn)定場地。卵石地層主要分布在第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4）和第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3），兩種地層均具二元結(jié)構(gòu)。其中Q4地層上組為褐色黏土，灰黃色粉質(zhì)黏土、粉土、灰黃-灰色砂土，沉積韻律明顯；下組為灰白-褐灰色卵石土，混有 20%～40%砂及少量黏性土，常有砂薄層或透鏡體，一般分為砂層、圓礫、松散、稍密、中密、密實(shí)等亞層。Q3地層上組為黃-褐黃色黏土，粉質(zhì)黏土、粉土、砂土，裂隙發(fā)育，黏土可具脹縮性；下組為黃灰色卵石土，混砂及黏性土，有砂薄層或透鏡體，一般分為砂層、圓礫、松散、稍密、中密、密實(shí)等亞層。卵石層按照顆粒大小和密實(shí)程度可分為稍密、中密和密實(shí)卵石。其中稍密卵石以灰褐色為主，濕-飽和，粒徑一般為30～100 mm，成分以巖漿巖為主，磨圓度較好，卵石含量約65%～70%，含少量漂石，充填物為礫石、細(xì)砂、中砂，N120動力觸探擊數(shù)7～10擊；中密卵石呈黃褐色-黃色，中密，飽和，卵石粒徑一般40～100 mm，呈亞圓形，含65%～70%的卵石，充填中砂、礫石和少量黏土，N120修正擊數(shù)一般為 7～10擊；密實(shí)卵石呈黃-黃褐色，密實(shí)，飽和，卵石粒徑一般40～100 mm，個別大于15 cm，呈亞圓形，含70%～80%的卵石，充填中砂、礫石和少量黏土，修正擊數(shù)大于10擊。

砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其結(jié)構(gòu)松散、卵石含量大、地下水位高、滲透性強(qiáng)并分布少量漂石。富水砂卵石為主的地層中粒徑大于20 mm以上的達(dá)到 60%～80%，其最大粒徑超過300 mm；卵石硬，最高硬度達(dá)到230 MPa，盾構(gòu)刀具破碎土體困難，施工進(jìn)度慢、刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻繁；高富水，砂卵石層滲透系數(shù)達(dá)到 18～25 m/d。盾構(gòu)施工時，既容易流失細(xì)顆粒形成空洞，發(fā)生砂土坍塌或沙漏，又易造成土壓不穩(wěn)，掘進(jìn)參數(shù)失調(diào)，對施工環(huán)境造成隱患。

1.2 水文條件對地鐵隧道施工影響

成都市屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，多年平均氣溫16.2 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，多年平均降雨量947.0 mm，降雨主要集中在5—9月。

（1）補(bǔ)給充足：孔隙潛水賦存于細(xì)砂、中砂、卵石層中。以成都地鐵3號線標(biāo)段為例，在馬鞍北路站—李家沱站區(qū)間YDK32+549～YDK32+729范圍內(nèi)為沙河Ⅰ級階地，屬于侵蝕-堆積地貌。主要受大氣降水、地表河水及來自NW方向的側(cè)向地下徑流補(bǔ)給，土層孔隙水相互間的水力聯(lián)系較為緊密，相互補(bǔ)給。

（2）水位埋深淺：地鐵隧道標(biāo)段基本處于II級階地區(qū)，豐水期地下水位埋深一般3～5 m，水位年變化幅度一般在2～3 m之間。孔隙淺水位年變化幅度為1～3 m，豐水期最高水位埋深約2～4 m，正常水位約3～5 m，因施工降水，穩(wěn)定水位埋深8～14 m。

（3）滲透性強(qiáng)：卵石層滲透系數(shù)約為 18～25 m/d，均屬強(qiáng)透水性。

上層滯水水量相對小，對地下工程基本無影響。區(qū)間穿越沙河、府河以及洪渠等地表水。沿線河流，尤其是流經(jīng)市區(qū)段落，已受到人為改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制。孔隙淺水位在砂卵石地層中為強(qiáng)透水層。其水量豐富，水位變化不大，對地鐵施工影響較大，但不排除區(qū)段局部地段有富水條件，儲藏有一定裂隙水，對地鐵工程產(chǎn)生一定影響。

2 富水砂卵石土力學(xué)特性

2.1 地鐵隧道下穿地層統(tǒng)計分析

調(diào)查成都城市軌道交通地鐵1、2、3號線與地鐵環(huán)線7號線進(jìn)行勘察分析，調(diào)查數(shù)據(jù)如下：

（1）1號線

地鐵1號線一期工程盾構(gòu)隧道分為4個標(biāo)段11個區(qū)間。胡茜[13]提到地鐵一期工程Q32地層分布于桐梓林以北的沿線地帶的二級階地上，有 Q4沖積層分布的地帶埋于其下。Q31地層分布于桐梓林以南的地鐵一期工程沿線地帶的二級階地上，在桐梓林以北地帶，埋藏于Q32地層之下。楊書江等[14]提到成都地鐵1號線試驗(yàn)段工程主要下穿卵石地層，局部位置穿越細(xì)砂層和泥巖層。線路基本沿人民南路中部敷設(shè)，分省體育館路—倪家橋站區(qū)間、倪家橋站—桐梓林站區(qū)間、桐梓林站—火車南站站區(qū)間3個區(qū)間。

魏龍海[15]通過反復(fù)多次調(diào)整三軸數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械募?xì)觀參數(shù)，使之與成都地鐵2號線地鐵勘察資料的統(tǒng)計分析結(jié)果基本一致。有關(guān)研究提到成都地區(qū)飽和砂土層的內(nèi)摩擦角為 39°，但并未指明地層形成時期與砂卵石類別[8]。文獻(xiàn)[16]提到成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)1標(biāo)區(qū)間工程盾構(gòu)施工穿越土層主要為卵石土（Q3）。

（2）2號線

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值模擬研究中土體參數(shù)的選取上和室內(nèi)試驗(yàn)得出的土體物理力學(xué)參數(shù)是有差異的[9]。

表1和表2的數(shù)據(jù)顯示，兩位學(xué)者[10-11]同時以成都地鐵2號線站東廣場站為研究背景時，在選擇的物理力學(xué)參數(shù)值存在較大的不同。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)[10]Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer[10]

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[11]Table 2 Physical and mechanical property indexes of soil layers[11]

（3）3號線

調(diào)查地鐵 3號線的 4個隧道區(qū)間（駟馬橋北站—駟馬橋站—李家沱站—馬鞍北路站）標(biāo)段的勘察報告，得出盾構(gòu)隧道下穿的砂卵石地層的主要組成情況，如圖1所示。

圖1 3號線隧道區(qū)間穿越地層分布圖Fig.1 Strata distribution map traversed by line 3 tunnel section

（4）7號線

對7號環(huán)線31個區(qū)間的勘察資料進(jìn)行調(diào)查研究，然后將隧道主要下穿的卵石地層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到的抗剪強(qiáng)度值統(tǒng)計情況如表 3所示。

表3 7號線隧道區(qū)間下穿的砂卵石土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength indexes of sand cobble soil layers under tunnel section of line 7

a）中密砂卵石地層

中密砂卵石地層的天然狀態(tài)（以下簡稱天然）抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=38°，降水后φ=45°的結(jié)果統(tǒng)計中包含 13個區(qū)間，分別為茶店子路站—花照壁站區(qū)間、文化宮站—清江西路站區(qū)間、花照壁站—交大路口站區(qū)間、交大路口站—九里堤路口站區(qū)間、金沙博物館站—一品天下站區(qū)間、九里堤路口站—城北客運(yùn)中心站區(qū)間、清江西路站—金沙博物館站區(qū)間、清水河大橋站—文化宮站區(qū)間、神仙樹西站—太平園站區(qū)間、武侯大道站—清水河站區(qū)間、一品天下站—茶店子站區(qū)間、八里莊—成都理工大學(xué)站區(qū)間、川師站—琉璃廠站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=38°，降水后φ=44°的統(tǒng)計有1個區(qū)間，為火車北站—駟馬橋站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=35°，降水后φ=42°的統(tǒng)計有2個區(qū)間，分別為二仙橋站—成都理工站區(qū)間和駟馬橋站—八里莊站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=37°，降水后φ=42°的統(tǒng)計有2個區(qū)間，分別為駟馬橋站—八里莊站區(qū)間和東區(qū)醫(yī)院站—二仙橋站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=36°，降水后φ=38°的統(tǒng)計有1個區(qū)間，為太平園站—武侯大道站區(qū)間。

b）密實(shí)砂卵石地層

密實(shí)砂卵石地層的天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=42°，降水后φ=50°的統(tǒng)計結(jié)有10個區(qū)間，分別為茶店子路站—花照壁站區(qū)間、文化宮站—清江西路站區(qū)間、花照壁站—交大路口站區(qū)間、交大路口站—九里堤路口站區(qū)間、金沙博物館站—一品天下站區(qū)間、九里堤路口站—城北客運(yùn)中心站區(qū)間、清江西路站—金沙博物館站區(qū)間、清水河大橋站—文化宮站區(qū)間、武侯大道站—清水河站區(qū)間和一品天下站—茶店子站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=46°，降水后φ=50°的統(tǒng)計有1個區(qū)間，為火車北站—駟馬橋站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=47°，降水后φ=52°的統(tǒng)計有2個區(qū)間，分別為八里莊—成都理工大學(xué)站區(qū)間和川師站—琉璃廠站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=42°，降水后φ=48°的統(tǒng)計有2個區(qū)間，分別為二仙橋站—成都理工站區(qū)間和駟馬橋站—八里莊站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=42°，降水后φ=46°的統(tǒng)計有4個區(qū)間，為東區(qū)醫(yī)院站—二仙橋站區(qū)間、駟馬橋站—八里莊站區(qū)間、建材南路站—成都東客站區(qū)間和成都東客站—沙河鋪站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=40°，降水后φ=50°的統(tǒng)計有2個區(qū)間，分別為太平園站—武侯大道站區(qū)間和城北客運(yùn)中心站—火車北站區(qū)間。

天然抗剪強(qiáng)度摩擦角值φ=42°，降水后φ=52°的統(tǒng)計有1個區(qū)間，為神仙樹西站—太平園站區(qū)間。

由于成都地鐵近年來施工線路多、施工體量大、工期緊，而對于盾構(gòu)穿越地層的土質(zhì)分析方面仍處于經(jīng)驗(yàn)理論階段，存在摸索性。從地鐵2號線的研究調(diào)查中可以看出，對于地質(zhì)的分析仍存在較大差異，如勘察數(shù)據(jù)與數(shù)值分析數(shù)據(jù)的差別；不同學(xué)者對于同一工程的地層參數(shù)選取也有所不同。通過地鐵3號線的研究調(diào)查，得到了下穿砂卵石地層的主要地層組成情況。通過地鐵7號線的研究調(diào)查中可以看出，同一家勘察機(jī)構(gòu)通過理論經(jīng)驗(yàn)得出的31個區(qū)間的勘察數(shù)據(jù)同樣存在差異，這說明砂卵石地層由于級配的較小差別，在定義土質(zhì)物理力學(xué)特性的表述和判定就存在較大變化；并且以上砂卵石抗剪強(qiáng)度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)是基于經(jīng)驗(yàn)公式得出，有必要開展砂卵石土顆粒級配選定的研究。

2.2 砂卵石土樣級配

根據(jù)成都地鐵隧道下穿地層的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，現(xiàn)選取具有代表性盾構(gòu)區(qū)間，即地鐵交叉站點(diǎn)的區(qū)間，對其勘察數(shù)據(jù)中的砂卵石土進(jìn)行粒徑分析，如火車北站—駟馬橋站區(qū)間隧道（火車北站為7號線與1號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖 2；金沙博物館站—一品天下站區(qū)間隧道（一品天下為7號線與2號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖3；太平園站—武侯大道站區(qū)間隧道（太平園站為7號線與3號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖4；清江西路站—文化宮站區(qū)間隧道（文化宮站為7號線與4號線交叉車站）穿越砂卵石土的粒度見圖5。

圖2 火—駟區(qū)間隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲線圖Fig.2 Grain size curves of Huo-Si section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

圖3 金—一區(qū)間隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲線圖Fig.3 Grain size curves of Jin-Yi section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

圖4 太—武雙楠區(qū)間隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲線圖Fig.4 Grain size curves of Tai-Wushuangnan section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

圖5 清—文區(qū)間隧道穿砂卵石土粒度分析曲線圖Fig.5 Grain size curves of Qing-Wen section tunnel crossing sandy pebble soil layer

通過觀察圖2～5，對83組砂卵石土樣本進(jìn)行統(tǒng)計。鑒于勘查數(shù)據(jù)中中密砂卵石土級配的缺失，選取李家沱站—駟馬橋站和駟馬橋站—昭覺寺南路站2個區(qū)間隧道（駟馬橋站為7號線與3號線交差叉車站）下穿卵石土進(jìn)行現(xiàn)場取樣分析，其粒度分析如圖6和圖7所示。

圖6 中密砂卵石土粒度分析Fig.6 Grain size analysis of medium dense sand pebble soil

圖7 密實(shí)砂卵石土（Q3）粒度分析Fig.7 Grain size analysis of dense sand pebble soil (Q3)

通過對已有研究中涉及的卵石粒徑進(jìn)行調(diào)查，對以上勘查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，再加上在建隧道區(qū)間擬開挖區(qū)域的取土篩分檢驗(yàn)，得到了2組統(tǒng)計砂卵石土平均級配和3組現(xiàn)場勘查土樣的平均級配，即卵石土中的3組中密卵石（級配1）和2組密實(shí)卵石（級配 2）平均級配代表值，每組篩分結(jié)果平均值如圖8所示，為滿足室內(nèi)試驗(yàn)要求，采用等量替代法將天然砂卵石土中大于 60 mm粒徑的超徑料剔除后的顆粒級配如圖9所示。

圖8 土粒顆粒級配曲線圖Fig.8 Gradation curves of soil particle size

圖9 剔除超徑粒后的顆粒級配曲線圖Fig.9 Particle gradation curves after excluding oversize particles

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）直剪試驗(yàn)

借助大型粗顆粒土直剪系統(tǒng)，采用應(yīng)變控制式的平推法直剪試驗(yàn)方法，取級配 1（中密卵石土）配制的重塑土，圓柱體試件直徑618 mm×500 mm。根據(jù)試驗(yàn)條件，配制級配1土樣，軸向荷載級數(shù)設(shè)定約為100、200、300、400、500 kPa五級。

（2）砂卵石土剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

繪制剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線（見圖10），求得內(nèi)摩擦角φ和咬合力c（又稱黏聚力）[17-20]，見圖11（a）。

圖10 級配1土樣在天然風(fēng)干條件下不同軸壓τ-s關(guān)系曲線Fig.10 τ-s relation curves of graded 1 soil samples under different axial pressures under natural air-drying conditions

得出天然狀態(tài)下級配1土樣的c=60.93 kPa，φ=39.03°。按照“將c值定為0”后，來計算摩擦角，此時，軸向應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線最佳關(guān)系曲線見圖11（b），計算得出其內(nèi)摩擦角φ為44.26°，這與勘察數(shù)據(jù)中砂卵石土降水后的抗剪強(qiáng)度均值相近，偏差率僅為0.7%。

圖11 級配1土樣在天然風(fēng)干條件下τ-σ關(guān)系曲線圖Fig.11 τ-σ relation curves of graded 1 soil samples under natural air-drying condition

4 結(jié) 論

通過對已有研究中涉及的卵石粒徑進(jìn)行調(diào)查，對大量勘查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，再加上在建隧道區(qū)間的取土篩分檢驗(yàn)，得到了可代表成都砂卵石地層的砂卵石土樣級配，和滿足室內(nèi)粗粒土試驗(yàn)要求的顆粒級配。

級配1天然砂卵石土室內(nèi)大剪試驗(yàn)得到內(nèi)摩擦角φ為39.03°，咬合力c為60.93 kPa。按照“c值定為0”的數(shù)據(jù)處理來計算摩擦角，得出其內(nèi)摩擦角為44.26°，這與勘察數(shù)據(jù)中砂卵石土降水后的抗剪強(qiáng)度均值相近，驗(yàn)證了級配選取的有效性。