土壓平衡盾構施工引起地面變形研究的評述*

姚 元 陳夢成 何彬彬 許開成 侯 宇 馮玉林

(1.南昌軌道交通集團有限公司, 330038, 南昌; 2.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室, 330013, 南昌)

土壓平衡盾構施工過程中會不可避免地產(chǎn)生土體擾動,造成地面沉降等問題。如何弱化土壓平衡盾構施工對周圍土體的擾動及對周邊建筑環(huán)境的影響,對土壓平衡盾構施工引起的地面變形進行預測和控制,成為亟待解決的問題。

鑒于此,本文基于土壓平衡盾構施工原理,歸納土壓平衡盾構施工引起地面變形的因素,論述土壓平衡盾構施工引起地面變形的預測方法,并討論各方法的適用性與優(yōu)缺點,列舉土壓平衡盾構施工致地面變形的控制措施,分析土壓平衡盾構施工研究中的不足,并對土壓平衡盾構施工發(fā)展方向進行了展望,以期為該領域的研究與應用提供一定參考。

1 土壓平衡盾構原理

土壓平衡盾構施工原理簡圖如圖1所示。盾構推進中,前端刀盤切削開挖面前方土體至刀盤后方土艙內(nèi),進入土艙內(nèi)的土體和輔料(泡沫、聚合物、膨潤土等)相互混合;承壓隔板作為介質(zhì);在千斤頂作用下,土艙內(nèi)混合物產(chǎn)生艙內(nèi)土壓F2。在盾構掘進中,通過螺旋輸送機控制出土量保持土艙壓力F2與刀盤外土壓力F1的動態(tài)平衡。

圖1 土壓平衡盾構施工原理簡圖

2 土壓平衡盾構施工地面變形的誘因

土壓平衡盾構施工中,地面沉降影響因素大致分為隧道幾何因素、土層地質(zhì)條件和盾構掘進參數(shù)。

2.1 隧道幾何因素

地鐵隧道施工時不同隧道埋深及外徑等因素對地面沉降變形產(chǎn)生較大影響。文獻[1]認為隧道埋深和隧道間距對砂卵石地層隧道施工引起地面沉降有顯著影響;文獻[2]發(fā)現(xiàn)隨隧道埋深的增大,地面沉降先穩(wěn)定增大后逐步減小;文獻[3]求得雙線隧道的幾何參數(shù)與地面沉降的皮爾遜相關分析為0.44,表明幾何參數(shù)對地面沉降的影響至關重要;文獻[4]認為雙線平行盾構隧道地面沉降受隧道相對間距影響顯著,建議重視該因素的影響。

2.2 土層地質(zhì)條件

土層地質(zhì)條件的差異是引起不同程度地面變形的原因之一。文獻[5]發(fā)現(xiàn)地面沉降隨地應力釋放值的增大而增大,增大的趨勢在開挖面周邊圍巖塑性區(qū)更明顯;文獻[6]發(fā)現(xiàn)拱頂下沉值與地面變形呈線性;文獻[7]發(fā)現(xiàn)盾構隧道下臥層含水率影響著施工后的地面沉降大小;文獻[8]發(fā)現(xiàn)盾構施工地層中的地下管線和地下構筑物對地面沉降存在一定影響,管線及構筑物的埋深越淺,影響越明顯。

2.3 盾構掘進參數(shù)

隧道幾何因素和土層地質(zhì)條件屬于客觀條件。盾構掘進參數(shù)屬于主觀條件,在施工中對地面沉降的影響可控。文獻[9]模擬了盾構開挖動態(tài)過程,發(fā)現(xiàn)注漿開始時間、注漿壓力和注漿量在很大程度上影響地面變形;文獻[10]認為隧道開挖過程中引起的地面變形與掌子面壓力關聯(lián)最大;文獻[11]通過數(shù)值模擬證實了適當增大注漿壓力、及時注漿及在一定范圍內(nèi)增大注漿量都能有效地減少地面沉降;文獻[12]發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),土艙壓力和注漿壓力對地面變形有顯著影響,超過該范圍后影響效果不再明顯。土壓平衡盾構施工是一個復雜的系統(tǒng)工程,地面沉降影響因素眾多,各方面間具有較強的關聯(lián)性。但在研究過程中,通過假設使參數(shù)理想化,難以反映實際工況,研究結果與實際情況有一定偏差。此外,研究多集中于盾構施工中地面變形的影響因素,對引起工后地表滯后變形的原因還需進一步深究。

3 土壓平衡盾構施工地面變形的預測

隨著土壓平衡盾構施工技術的廣泛應用,國內(nèi)外學者對施工過程中引起地面變形的預測方法進行了大量的研究,目前常用的有如下幾種方法。

3.1 經(jīng)驗公式法

科學家Peck首次提出地層損失的概念。通過分析大量隧道地面變形的實測數(shù)據(jù),Peck發(fā)現(xiàn)橫向地面沉降槽近似成正態(tài)高斯分布,在不排水的情況下,地層損失與隧道開挖所形成的地面沉降槽在體積數(shù)值上是相等的[13]。對此,Peck建立了地面沉降的經(jīng)驗估算公式,即Peck公式,為:

(1)

(2)

式中:

S(x)——距離隧道中心軸線為x處的地面沉降,單位m;

Smax——隧道軸線位置處地面沉降值,單位m;

x——距隧道中心線的距離,單位m;

i——沉降槽寬度,單位m;

Vj——單位長度地層損失量,單位m3/m。

Peck公式因其使用簡單明了的特性至今仍被廣泛應用于工程實例中。

由式(1)及式(2)可以看出,i對預測結果的合理性起關鍵性的作用。眾多學者在Peck公式的基礎上,圍繞i展開了深入的研究。文獻[14]將i的計算公式補充歸納為四類(24種):i=f(z0,φ)、i/R=a(z0/2R)n、i=a(bz0+cR)、i=az0+b,(其中,z0為隧道的埋深,φ為土層內(nèi)摩擦角,a為長度常量,b為大于1的常數(shù)(量綱為一),c為常數(shù),R為隧道半徑,n為截面上的構件總數(shù))明確了i的演變規(guī)律。文獻[15]通過反分析-分析方法提出黏性土地區(qū)i值的擬合公式:

(3)

式中:

m——i值的擬合系數(shù),可取0.45～0.50,平均值取0.475;算例分析表明,m較小的取值范圍可減少經(jīng)驗參數(shù)較大取值范圍所產(chǎn)生的誤差;

h——隧道軸線至地面深度,單位m;

Ro——隧道外半徑,單位m;

φ——隧道軸線以上土的內(nèi)摩擦角,對于成層土按厚度取加權平均值,單位(°)。

此外,文獻[16]通過對上海地區(qū)地面變形實測數(shù)據(jù)的歸納分析,提出了考慮土體擾動后固結沉降的Peck修正公式;文獻[17]結合成都地鐵7號線9個區(qū)間的地面監(jiān)測數(shù)據(jù),提出了適用于成都砂卵石地層的地面沉降預測經(jīng)驗公式。

經(jīng)驗公式的提出一般基于對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的總結、分析和歸納,在使用中只需確定公式中固定的參數(shù)即可計算變形值大小,獲得地面沉降槽曲線。該方法易懂、易用,但缺乏理論支撐,與工程實測數(shù)據(jù)有較大依附關系。因此,經(jīng)驗公式僅適用于特定的施工條件,且大多經(jīng)驗公式中參數(shù)較為單一。這導致該方法在復雜地層條件中的計算結果與實測數(shù)值偏差較大。

3.2 理論解析法

理論解析法是基于彈性、彈塑性等理論推導出的計算公式,對于計算量小,邊界條件較為簡單的地面沉降計算有一定的優(yōu)勢。文獻[18]在平面應變條件下,根據(jù)不可壓縮土壤土體流失情況的閉合解和彈性各向同性均質(zhì)體地層損失情況的應變解,提出了地面變形的理論計算方法;文獻[19]對文獻[18]的方法進行拓展,求解的過程中忽略了隧道的存在及其規(guī)定的位移,推導了地面損失引起均勻徑向位移和隧道的橢圓化兩種情況下的隧道變形近似解析解;文獻[20]基于彈性力學Mindlin解,推導了關于刀盤摩擦力、盾尾同步注漿壓力和土體損失等因素的地面變形解析式;文獻[21]將地面下沉的三維問題轉化為一維離散問題,推導出了地面沉降的半解析理論計算函數(shù)。隨著隨機介質(zhì)理論的發(fā)展與應用,部分學者將該理論與土壓平衡盾構施工相結合。文獻[22]基于隨機介質(zhì)理論,結合實際數(shù)據(jù),推導了土壓平衡盾構隧道的縱向地面變形理論計算公式;文獻[23]將地表下沉和地表隆起考慮為一種隨機過程,結合隨機介質(zhì)理論推導了不考慮土體后期固結沉降的地面沉降計算公式。

理論解析法適用于邊界條件和初始條件較為簡單的問題,在量化研究地面變形各影響因素之間的關系方面具有一定的優(yōu)勢。理論解析法模型通常比較簡單,考慮因素少,假設條件與施工現(xiàn)場實際情況相差甚遠,所以僅具有理論參考意義,或作為其他方法(如數(shù)值模擬法、模型試驗法或人工智能法)的理論驗證,很少直接應用于實際工程。

3.3 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法依托計算機強大的計算能力,解決了參數(shù)多、數(shù)據(jù)大的復雜問題,顯著提高了計算速度和計算結果的準確性。目前,該方法中有限差分法和有限單元法的應用較為廣泛。

3.3.1 有限差分法

有限差分法求解軟弱地層內(nèi)土壓平衡盾構施工造成的地面沉降具有較強的可行性。文獻[24]利用有限差分法建立了反映土壓平衡盾構施工主要因素的3D模型,分析發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬重點是選擇合適的數(shù)值模擬技術、對細節(jié)進行處理及推進過程準確模擬;文獻[25]基于有限差分數(shù)值模擬分析了深圳某地鐵不同施工階段的地面變形,表明適當增大土艙壓力、及時注漿均能有效減少地面變形;文獻[26]將土體假設為各向同性,具有與摩爾-庫倫阻力準則相聯(lián)系的完全彈塑性結構,假設襯砌為彈性結構,基于有限差分法模擬了隧道施工;文獻[4]建立三維有限差分模型研究了雙線平行盾構施工的地面變形影響因素,其結果表明,雙線平行隧道盾構施工地面沉降受隧道相對間距影響較大。

3.3.2 有限單元法

有限單元法是求解具有已知邊界條件或初始條件的偏微分方程組的一種通用數(shù)值解法。文獻[27]建立二維平面模型,模擬了相應荷載下的盾頭擠壓、盾尾脫空、襯砌安裝和襯砌固結4個階段,其研究結果表明,采用非均布荷載計算地面變形更為合理。文獻[28]基于plaxis 2D有限元軟件建立復合地層沉降預測的數(shù)值計算模型,發(fā)現(xiàn)開挖隧道橫向不均勻變形主要發(fā)生在隧道兩側1.5倍隧道直徑范圍內(nèi)。

隨著研究的深入,學者們發(fā)現(xiàn)二維平面應變有限元模型不能模擬復雜的三維幾何形體及開挖過程等對地面沉降的影響。由此,建立三維隧道有限元模型研究地面變形機制至關重要。文獻[29]基于三維有限單元法計算了盾構推進過程中影響地面沉降的多個因素與地面變形之間的關系,歸納了地面變形規(guī)律;文獻[30]考慮到隧道結構的對稱性,利用plaxis 3D軟件建立了半邊區(qū)域的三維有限元模型,揭示了隧道施工中土拱區(qū)的三維應力應變傳遞機理。文獻[31]采用一種新的混凝土模型建立了三維有限元模型,解釋了小變形下土壤剛度增加現(xiàn)象。

數(shù)值模擬法能有效地模擬盾構施工的實際過程,綜合考慮影響地層變形的各種因素,但該方法要求研究人員應具備一定軟件運用基礎。模型的參數(shù)選擇難以準確地反映實際情況,使用中也很難模擬地層因素及開挖因素,由此造成沉降預測值與實際情況有較大偏差。

3.4 模型試驗法

由于土壓平衡盾構施工現(xiàn)場條件復雜,影響地面沉降的參數(shù)難以準確掌握,部分學者開展了室內(nèi)模型試驗,易于控制相關參數(shù),較好還原土壓平衡盾構施工實際過程,有利于研究地面變形規(guī)律。文獻[32]建立縱向隧道縮尺模型,提出了盾構隧道縱向變形分布監(jiān)測策略,該策略可用于檢測長期荷載作用下的實際隧道縱向變形。文獻[33]通過相似材料模型試驗得到盾構施工地層移動規(guī)律,明確了先行隧道對地層產(chǎn)生的擾動使地面沉降疊加。文獻[34]建立了一個實驗室規(guī)模的模型,通過對地面沉降分析發(fā)現(xiàn),與黏土地層或砂土地層相比,富水卵石地層在橫向和縱向上的地面沉降槽更窄,進而引入與橫向不同的縱向?qū)挾认禂?shù),修正了施工期間預測地面沉降的方程,使修正方程的結果更符合實測數(shù)據(jù)。文獻[35]開展了一系列的砂土層模型試驗,得到了土體損失對地面變形的影響,結果表明,砂土中的土體損失與地面變形呈線性關系。

模型試驗法用于研究地面變形,能夠忽略施工過程中眾多因素的影響,方便研究各個參數(shù)對地面變形的影響程度。此外,在試驗過程中能清楚地觀察到地面變形的引起機理和發(fā)展過程,有利于掌握地面變形規(guī)律。但模型試驗法考慮的參數(shù)過于理想化,不能準確地模擬真實的地層條件,且模型試驗的周期長、成本高,通過試驗所得信息也比較有限。

3.5 人工智能法

人工智能法源于神經(jīng)元網(wǎng)絡理論。該方法在使用前需結合大量土壓平衡盾構施工地面變形實測數(shù)據(jù),建立起地面變形與各個影響因素之間的映射關系,通過使用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡映射對地面變形進行預測。在使用過程中,還可不斷通過新的數(shù)據(jù)來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡,提高預測精度。文獻[36]建立了BP(反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型,結果表明,該預測模型經(jīng)過訓練后具有較好的泛化預測能力。文獻[37]基于遺傳算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行優(yōu)化,提高了神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練穩(wěn)定性。文獻[38]建立了DEACO-WNN(差分進化與蟻群優(yōu)化-小波神經(jīng)網(wǎng)絡)模型,提高了預測模型的收斂速度和預測精度;文獻[39]基于敏感性分析方法確定了影響土壓平衡盾構施工地面變形的參數(shù),通過正交試驗獲得了用于網(wǎng)絡模型的訓練樣本和測試樣本,從而建立了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

人工智能法通過神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)勢,在建立影響因子和變形量之間的非線性關系時,無需獲得各影響因子與變形量之間確切的物理關系,從而避免了建立復雜本構模型的過程,并且在使用過程中可通過不斷的訓練提高預測精度,是一條不同于傳統(tǒng)數(shù)學建模的研究思路。但該方法需要使用者具有一定的編寫代碼的能力,并且該方法的關鍵在于建立一個儲存大量詳實參數(shù)的數(shù)據(jù)庫,而計算精度又過于局限數(shù)據(jù)庫中的樣本數(shù)量。因此,人工智能法雖為主流趨勢,但仍有必要進一步深入研究。

4 土壓平衡盾構施工地面變形的控制

合理的變形預測是盾構施工順利開展的前提,而對地層擾動和變形的有效控制是保證施工安全的關鍵。因此,在工程中實現(xiàn)從變形預測到變形控制的轉變至關重要。

地面變形控制一直是盾構施工中一個亟待解決的重要問題。受盾構總推力、千斤頂頂力、推進速度、排土量和注漿參數(shù)等掘進參數(shù)影響,土艙壓力的設定是一個動態(tài)過程,土壓平衡實質(zhì)是一種動態(tài)平衡,而現(xiàn)有技術較難保持其動態(tài)平衡。因此,國內(nèi)外眾多學者致力于盾構掘進參數(shù)的研究,實現(xiàn)更具有操作意義的土壓平衡,以保證掘進面相對穩(wěn)定,減小地面沉降。

文獻[40]針對西安地鐵2號線某區(qū)間含細砂、中粗砂土層,使用質(zhì)量比為1∶10膨潤土泥漿,以2∶10 的體積比加入到渣土,進行了改良試驗。結果表明,當土艙壓力、出土量、注漿壓力和注漿量分別控制在140～260 kPa、54～56 m3、210～300 kPa、每環(huán)4 m3時,土壓平衡盾構能較好適應改良后的含砂土層。針對卵石含量為50%～75%,主要粒徑為20～80 mm的砂卵石地層,文獻[41]認為將刀盤轉速控制在1.0～1.2 r/min較為適合,刀盤扭矩控制在3 000～4 600 kNm為宜;文獻[42]通過對隧道平均埋深為16.90 m,成型隧道管片外徑為6.0 m、內(nèi)徑為5.4 m的北京地鐵8號線某區(qū)間進行檢測,提出注漿壓力與拱頂豎向土壓力之比保持在1.5以上,注漿壓力控制在2.43 bar較為安全;文獻[43]研究了富水圓礫地層(粒徑為2～20 mm的顆粒為主,最大粒徑為 63 mm,粒間主要以中、粗砂填充)中不同盾構掘進參數(shù)對地面變形的影響,結果表明:圓礫地層盾構推力和土艙壓力應分別控制在12 000 kN和 1 bar左右,且正負波動不宜過大。

對土壓平衡盾構施工所引起地面變形控制的現(xiàn)有研究,多局限于根據(jù)施工經(jīng)驗調(diào)整施工參數(shù)(通過對地面變形的實時監(jiān)測,不斷調(diào)整盾構施工參數(shù)),最終獲得引起地面沉降較小的施工參數(shù)區(qū)間值。這類控制方法缺乏對工程狀況的預測機制,且實際施工情況復雜多樣,已有研究很難直接用于其他同類地層。此外,現(xiàn)有研究對施工后的地面沉降控制關注過少,且事后處理耗費高、延誤工期。因此,對工后沉降控制方法應有進一步深入研究。

5 結語

地面變形的誘因可總結為隧道幾何因素、土層地質(zhì)條件和盾構掘進參數(shù)三方面,其中盾構掘進參數(shù)表現(xiàn)為可控性。

地面變形預測方法大多采用理想化模型,預測結果與實際情況存在一定偏差。地面變形預測模型的選取,應從工程實際出發(fā),同一工況,采取多種模型進行預測,最大程度保證預測結果的準確性與合理性。

基于對地面變形的監(jiān)測,不斷調(diào)整施工中的盾構參數(shù),是目前控制土壓平衡盾構地面變形的有效方法。對于工后變形,因其處理耗費高、延誤工期長,故需對工后地面變形控制方法進一步研究。

未來土壓平衡盾構施工的研究,將重點發(fā)掘施工各環(huán)節(jié)之間的相關性。在現(xiàn)有均質(zhì)、單一地層地面變形研究的基礎上,未來將進一步開展復雜地層條件下的地面變形研究,盡可能還原實際施工情況。在數(shù)值模擬和理論推導中,相關研究需考慮地下水影響,在地面變形控制方面開展工后預測機制與控制方法研究。