盾構隧道下穿輸水干渠設計參數優化模型試驗

楊振興, 杜家慶, 孫飛祥, 李文杰, 馮仲林, 楊捷

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室, 鄭州 450001; 2.中國中鐵隧道集團有限公司, 廣州 511458; 3. 鄭州地鐵集團有限公司, 鄭州 450000; 4.華北水利水電大學地球科學與工程學院, 鄭州 450046; 5.黃河勘測規劃設計研究院有限公司, 鄭州 450003)

近年來,隨著中國城市軌道交通的快速發展,城市地鐵隧道多次出現穿越南水北調干渠的情況。由于干渠底板和渠坡采用剛性結構設計,不會隨渠底地層沉降而變形。因此,當盾構下穿南水北調干渠引起地層沉降時,干渠底板和渠坡結構會產生巨大內力,甚至發生裂縫或破損等問題[1-2]。

目前,中國尚無盾構下穿輸水干渠的設計與施工標準與規范。部分學者依托相應的盾構下穿南水北調干渠工程,開展了研究工作。從施工的角度,劉陽等[3]依托鄭州某工程盾構隧道穿越南水北調干渠工程,采用數值模擬和現場監測證明了地鐵隧道施工存在對干渠的擾動影響;楊喜等[4]利用有限元軟件對地鐵隧道下穿南水北調干渠在未通水和通水兩種工況下進行對比模擬分析,給出了隧道水平間距的建議值以及不同工況下隧道埋深的建議值;李新臻等[5]、孫偉良等[6]利用FLAC3D三維數值模擬盾構隧道下穿南水北調干渠工程,表面當隧道頂部距離干渠底部32.24 m開挖時,干渠結構相對穩定,當地層損失率控制在0.5%以及覆土厚度大于2D(D為隧道直徑)時,地表沉降較小。賈曉鳳等[7]通過對地鐵盾構隧道下穿南水北調干渠時沉降監測數據和數值模擬分析,對隧道與干渠渠底埋深2.5D下盾構不同施工措施下渠底沉降量進行了研究,提出了盾構隧道與干渠的凈距不少于2.0D,保障干渠底部沉降量不大于15 mm。

從設計的角度,張延[8]以大直徑盾構下穿南水北調中線總干渠為例,通過數值模擬研究了不同工況下隧道結構受力,并對實際工況計算了渠道沉降量;田均舉等[9]將Peck公式法運用于隧道下穿南水北調工程引起的地表沉降預測中,得出了適用于鄭州地區相似工程的Peck公式,并對不同埋深下地表沉降規律進行了研究。除了上述研究成果,尚無關于盾構下穿輸水干渠設計的相關研究成果,特別是盾構隧道的埋深與下穿角度的研究。

綜上所述,中國對于盾構下穿輸水干渠工程的研究側重于施工過程控制技術,然而對盾構下穿輸水干渠的設計參數研究較少。與此同時,中國尚無對盾構下穿輸水干渠的專門規范,并且現有規范中尚無明確規定。現以鄭州市軌道交通10號線一期工程須水站—市委黨校站區間盾構隧道為依托,概化工程邊界條件與地質條件,采用相似模型試驗,通過分析不同隧道線路軸線與干渠走向夾角(30°、60°、90°)、不同隧道埋深(1.2D、1.5D)設計條件下以及不同盾構掘進參數對渠底和渠坡地層擾動影響,歸納總結出不同盾構條件下南水北調干渠沉降變形規律,為現場施工提供一定的參考作用。

1 相似模型試驗

1.1 工程概況

鄭州地鐵10號線須水站—市委黨校站區間的右線里程右K30+270.35～K30+505.40處下穿南水北調干渠,對應南水北調中線干渠樁號SH206+410～ SH206+635,干渠渠底寬約17.5 m,渠深約17.7 m。地鐵隧道采用盾構法施工,開挖直徑為6.28 m,隧頂距離渠底最小凈距約18.5 m。該區域地貌單元為黃河沖洪積二級階地,70 m勘探深度內所揭露土層均由第四系堆積物組成。選取盾構下穿南水北調干渠左線,揭示巖土分層剖面如圖1所示。

1.2 地層概化

根據地質勘查結果,鄭州地鐵10號線須水站—市委黨校站區間下穿南水北調干渠所穿過地層主要物理力學參數如表1所示。

通過比較盾構下穿中線南水北調渠左線的各層土的物理力學參數可以看出,土層之間各項指標差值小,其極差值小于各項指標平均值的0.3倍,為了能簡潔明了地觀察隧道開挖對地層的擾動情況,可將其概化為同一種地層,概化地層物理力學參數如表2所示。

表1 地層物理力學參數Table 1 Formation physical and mechanical parameters

圖1 地質分層剖面圖Fig.1 Geological layered profile

表2 概化地層物理力學參數Table 2 Generalized formation physical and mechanical parameters

1.3 模型相似比

物理相似模型試驗是根據相似原理對特定工程問題進行的縮尺度研究方法。地下工程在自重作用下的彈性力學模型所要確定的相似比有:幾何相似比Cl、容重相似比Cγ、應力相似比Cσ、應變相似比Cε、彈性模量相似比CE、泊松比相似比Cμ、位移相似比Cδ。盾構下穿中線南水北調模型試驗開展1g下的物理相似模型試驗,采用幾何相似比:Cl=1/10,容重相似比:Cγ=1,重力加速度相似比:Cg=1作為基礎比尺。根據Buckingham-π[10]定律推導各相似比之間關系如表3所示。

表3 模型試驗相似關系Table 3 Similarity relation of model test

1.4 土體材料配制

相似材料一般由骨料、膠結材料和輔助材料三類材料組成。竇遠明等[11-12]通過大量試驗,認為膨潤土摻量對相似材料密度、泊松比起主要控制作用,對壓縮模量影響極不顯著,黏聚力隨膨潤土摻量的增大而增大,相對密度、內摩擦角、泊松比隨膨潤土摻量的增大而減小;骨膠比對黏聚力影響最大,膨潤土摻量和含水量次之,內摩擦角隨含水量的增大而減小;含水量對壓縮模量影響最大,對密度和泊松比指標影響次之。李國梁等[13]以中央電視臺主樓深基坑工程為背景,采用淤泥質黏土、粉細砂和鐵粉配制了一種高容重、低彈模土質相似材料。繆圓冰[10]等以重晶石粉、工程現場黏土、粉細砂和膨潤土為基材,配制了邊坡動力穩定分析試驗中的黏土和粉質黏土。因此,本次對粉質黏土、黏質粉土的相似材料配制采用膨潤土、鐵粉、鋸末、水等作為基礎材料。

在配制相似材料時,所有物理力學參數均滿足相似比尺和相似判據是幾乎不可能的,所以應滿足主要相似比尺。由于本次試驗相似材料為高密度、低壓縮模量相似材料,因此選擇容重γ、壓縮模量Es、黏聚力c為主控變量,選擇內摩擦角ζ、泊松比μ為輔助變量。相似土力學參數測試如圖2所示。

通過正交試驗測試出最符合相似目標的材料配合比為:鐵粉含量59.53%、鋸末含量8.9%、膨潤土摻量5.95%、水含量25.6%。相似材料與概化地層物理力學參數對比如表4所示。

圖2 相似土力學參數測試Fig.2 Test of similar soil mechanical parameters

表4 相似材料與概化地層物理力學參數對比Table 4 Comparison of physical and mechanical parameters between similar materials and generalized formations

2 試驗概況

2.1 試驗裝置

2.1.1 盾構掘進系統

本次試驗采用的盾構掘進系統主要由盾體部分、泥漿環流部分、傳感器部分及控制部分等組成。通過設置倉內壓力以及刀盤轉動參數,實現盾構掘進過程,該盾構掘進系統可實現掘進速度在10～100 mm/min任意設定速度的穩定掘進以及土倉壓力在0～0.05 MPa任意設定的穩定控制,其中倉內壓力可達到精度±0.002 MPa的控制需求。盾構掘進系統實物如圖3所示。

圖3 盾構掘進系統Fig.3 Shield tunneling system

2.1.2 量測系統

為了測取盾構掘進過程中,渠底和渠坡的表面隆起與沉降變形量,特別設計模型表面變形監測表架。該表架是由百分表、表架、數據采集器等組成。表架里的水平橫梁可在水平縱梁上滑動,用螺栓固定,其間距可以自由調節;豎向固定桿可自由上下移動,范圍達到1.2 m,用螺栓固定于水平橫梁。該表架包括支腿、豎向固定桿、水平橫梁、水平縱梁、豎直表架,所有連接部分均使用套管連接,可以隨意增加測量表的數量和位置,本次試驗共使用36組百分表進行地表變形數據監測。變形監測表架及百分表布置如圖4所示。

2.2 試驗過程

根據試驗目的,共設計6組不同隧道埋深、不同干渠與隧道軸線夾角下的試驗,每組試驗工況如表5所示,干渠與隧道軸線夾角如圖5所示。

表5 不同實驗工況Table 5 Different experimental conditions

圖4 變形監測表架及百分表布置Fig.4 Layout of deformation monitoring gauge frame and dial gauge

2.2.1 干渠模型夯筑

試驗過程中首先對相似材料進行配制,計算攪拌機每次所能攪拌的體積,稱量每次攪拌所需的基礎材料重量,依次加入鐵粉、鋸末、膨潤土攪拌15 min至均勻;再加入規定質量的水進行二次攪拌,直至無生團結塊。工作過程如圖6所示。

將每次攪拌完成的相似材料倒入模型箱內,每填筑相似材料厚度10 cm進行一次人工平整。當填筑至盾構刀盤高度時,用輕薄紙板遮蔽住刀盤,一方面防止相似材料通過刀盤開口進入土倉,另一方面防止在盾構試掘進之前,即調整泥漿循環系統階段,泥漿進入地層。分層填筑,直至渠底層表面,形成渠底地層。按照上述步驟,繼續攪拌相似材料,根據渠坡尺寸做成干渠模型。夯筑完成后的干渠模型如圖7所示。

2.2.2 盾構掘進參數設置

由表3可知,盾構掘進的長度相似比Cl=1/10,時間相似比Ct=1/3.16,速度相似比Cv=1/3.16,轉速相似比Cθ=1/10。盾構推進速度直接反映了盾構推進效率,是盾構施工過程中的關鍵掘進參數,其取值常受盾構推進系統、刀盤刀具設置、盾構穿越地層及其復雜程度等因素綜合決定。通過對臨近的鄭州地鐵10號線商隱路站—廟王站左線區間盾構穿越粉質粘土時盾構掘進速度統計分析:盾構推進速度主要集中在65～90 mm/min,考慮到軟土中掘進一般取較大的推進速度以能夠有效控制出碴量。因此,推薦采用75 mm/min的推進速度進行盾構隧道開挖;盾構刀盤轉速取1.16 ～1.36 r/min。盾構掘進相似參數如表6所示。

圖5 不同夾角干渠平面布置與尺寸Fig.5 Layout and size of main canal under different angles

圖6 相似材料攪拌Fig.6 Mixing of similar materials

表6 盾構掘進相似參數Table 6 Similar parameters of shield tunneling

根據表5計算的盾構掘進相似參數,取盾構掘進速度為24 mm/min,盾構刀盤轉速為4.3 r/min。

本次試驗采用朗肯主動土壓力計算倉內壓力,公式為

(1)

式(1)中:Pa為朗肯主動土壓力值,MPa;γ為土層重度,kg/m3;h為土層高度,m;φ為土層內摩擦角,(°);c為土層內聚力,kPa。

試驗開始的前0～0.25 m為盾構試掘進段,之后以0.3 m為一個掘進進尺,根據相似土層材料的物理力學參數值,分段代入式(1)可得盾構穿越建模區域時保持開挖面穩定需要提供的倉內支護力,為了保證掘進安全,通常會在朗肯主動土壓力計算值Pa的基礎上預留10%～15%的施壓儲備。計算得各次試驗掘進土倉壓力值設置如表7所示。

2.2.3 盾構開挖

每次試驗的前0～0.25 m為盾構試掘進段,在此區間,逐漸緩慢增大刀盤轉速、刀盤推進速度至設定要求值并調整土倉壓力穩定在試驗所需的倉內壓力值。當刀盤轉速、刀盤推進速度以及土倉壓力達到穩定值之后,百分表清零,試驗正式開始。盾構正式掘進過程中,保持刀盤轉速和刀盤推進速度不變,根據表6的數據設定對應試驗各掘進段倉內壓力值。

3 試驗結果及分析

3.1 渠底與渠坡地層隆沉變形規律

每次盾構試驗掘進完畢后,采集監測系統百分表讀數,繪制測區有效范圍內的渠底和渠坡地層的隆起與沉降變形量云圖。試驗1-1～1-3、1-4～1-6地層變形云圖如圖8、圖9所示。

圖8 1.2D埋深下不同夾角的地層變形云圖Fig.8 1.2D cloud map of stratum deformation at different angles under buried depth

表7 盾構掘進倉內壓力Table 7 Earth bin pressure of shield tunneling

圖9 1.5D埋深下不同夾角的地層變形云圖Fig.9 1.5D cloud map of stratum deformation at different angles under buried depth

由地層變形云圖可以看出,盾構掘進對隧道正上方地表的沉降影響最大,沿隧道橫斷面方向,渠底地層沉降量逐漸減小,即呈漏斗狀沉降;渠坡地層的沉降量小于渠底地層的沉降量,且渠坡高程越大,受隧道盾構掘進施工的影響越小;隧道軸線與渠坡底相交的局部區域地層沉降量稍大于周圍范圍,如圖10所示,分析原因是由于盾構掘進至相交范圍時,渠底地層沉降引起渠坡底交匯區域沉降,當相似土層材料內聚力無法抵抗破壞力時,會發生局部微破壞,形成該局部區域的負載,從而加劇了局部變形量。

圖10 渠底相交區域破壞示意圖Fig.10 Diagram of damage to the intersection area at the bottom of the drain

3.2 不同夾角下渠底與渠坡地層隆沉變形量對比

由于隧道正上方渠底和渠坡變形量相對來說較大,因此,分別選取隧道左側正上方和隧道右側正上方的測點隆沉變形量數據進行對比。兩種不同埋深下隧道上方測點位移曲線如圖11所示。

可以看出,采用盾構掘進土倉壓力(朗肯土壓力+10%～15%儲備值)時,隧道埋深1.2D下渠底地層變形量介于-2.55～-2.41 mm,渠坡地層變形量介于-2.53～-1.70 mm;隧道埋深1.5D下渠底地層變形量介于-1.87～-1.73 mm,渠坡地層變形量介于-1.85～-0.22 mm。與此同時,盾構掘進下穿不同夾角的干渠模型時,渠底和渠坡的地層沉降變化規律基本一致,由渠底到渠坡,變形量逐漸減小。在同一隧道埋深下,隧道正上方的土體變形基本滿足:隧道軸線與干渠走向夾角為30°的盾構施工引起的渠底和渠坡地層沉降變形范圍及變形量最大,夾角為60°的盾構施工引起的渠底和渠坡地層變形范圍及變形量次之,夾角為90°的地層變形范圍及變形量最小。

3.3 不同埋深下渠底與渠坡地層隆沉變形量對比

選取同上述相同的測點,繪制在相同夾角下的不同埋深隧道左側正上方與隧道右側正上方測點位移曲線,如圖12所示。

可以看出,在干渠與隧道軸線相同夾角下,不同隧道埋深的渠底和渠坡正上方沿隧道軸線測點沉降變化規律一致;隧道埋深1.2D的渠底和渠坡沉降量大于1.5D埋深的沉降量。

4 結論

以鄭州地鐵10號線盾構下穿南水北調干渠工程為依托,采用相似模型試驗為研究手段,分別開展了盾構隧道埋深、干渠與盾構隧道軸線的夾角的6組相似模型試驗,測得不同條件下渠坡和渠底的隆沉位移量,得出了以下主要結論。

圖11 不同夾角下隧道上方點位位移量Fig.11 Point displacement above the tunnel under different included angles

圖12 不同埋深下隧道上方點位位移Fig.12 Displacement of points above the tunnel under different burial depths

(1)盾構掘進對隧道正上方渠底與渠坡地層的沉降影響最大;沿隧道橫斷面方向,地層沉降量逐漸減小,即呈漏斗狀分布。

(2)隧道軸線與渠坡底部相交的局部區域的地層沉降量稍大于周圍地層沉降量,分析其原因,由于交匯區域的土層內聚力無法抵抗破壞力,局部微破壞作為荷載增大了地表沉降。

(3)隧道同一埋深下,隧道軸線與干渠走向夾角30°的地表沉降范圍與程度最大,60°下范圍與程度次之,90°沉降范圍與程度最小。

(4)當采用朗肯主動土壓力值作為盾構倉內壓力時,相比于隧道埋深1.2D,盾構隧道埋深建議不宜小于1.5D,隧道與干渠夾角不小于30°,盡量減小渠底和渠坡的地層沉降范圍。

(5)盾構穿越輸水干渠工程設計中,宜優先考慮隧道埋深對渠底和渠坡地層的隆起與沉降變形影響,其次考慮隧道軸線與干渠走向夾角的影響。