上軟下硬地層隧道盾構施工地表沉降影響因素及規律研究

袁僑蔚，劉遠明，歐洵，黃城，李應肖

(1.貴州大學土木工程學院,貴陽 550025; 2.貴州省巖土力學與工程安全重點實驗室,貴陽 550025)

引言

盾構隧道在上軟下硬地層掘進時會對上部軟土造成擾動,進而引起地表沉降[1]。貴陽地層中灰巖和白云巖分布廣泛,部分巖層覆蓋一定厚度的紅黏土。與其他地區的軟土不同,貴州紅黏土具有高液限、遇水軟化、失水強烈收縮、裂隙發育、易剝落的工程性質,構成了當地特有的上軟下硬地層。但是,在這類地層中施工時,由于刀盤易結泥餅和受力不均,會面臨推進阻力加大和盾構姿態及方向難以控制的問題[2],并且巖土交界面處紅黏土的力學強度極低,易發生沉降超限、地表塌陷等現象[3],給工程安全帶來了極大威脅。

此前,張會等[4]研究了掌子面內紅黏土厚度對隧道地表沉降的影響;李煒明等[5]也提出上覆紅黏土的厚度會直接影響地表沉降;何小輝等[6]分析了土層與巖層比例關系對盾構隧道洞壁變形的影響;范雨等[7]通過改變土巖交界面的位置研究了地層變形規律;鄭世杰等[8]對雙線隧道在不同軟硬巖比例下的地表沉降進行了分析;田管鳳等[9]引入地層復合指數來預測盾構隧道的地面沉降。可見,隧道開挖面處土層與巖層的厚度比例與地表沉降有著密切關系。此外,姚愛軍[10]、賈寶新[11]、劉俊杰[12]、孫建[13]、宮亞峰[14]、聶耐[15]均利用土巖復合地層的地表沉降數據推導出了適用于當地的Peck修正公式。

由于盾構法首次在貴州上軟下硬地層中使用,所以目前對貴陽地區盾構隧道穿越該地層的研究較少,另外貴州紅黏土工程特性較復雜[16],因此,在當地開展不同土巖厚度比(開挖面內土層厚度與巖層厚度的比值)對雙線盾構隧道地表沉降的影響很有必要,并在此基礎上擬合出上軟下硬地層的Peck分段公式,結果可為貴陽類似地層的地表沉降預測提供參考和借鑒。

1 工程概況

貴陽軌道交通3號線一期工程全長43.191 km,起點為花溪環城高速公路北側的桐木嶺站,終點為烏當區洛灣站,地鐵全線多次穿越軟硬不均的復合地層。

以桐木嶺站-桃花寨站區間為研究對象,線路出桐木嶺站后沿清溪路由南向北進入桃花寨站,地層表現為上覆可塑狀紅黏土層和下臥較破碎中風化白云巖層。區間設計起終點里程為右線YDK7+490.335～YDK8+639.479,隧道長1 149.144 m;左線ZDK7+490.335～ZDK8+639.476,隧道長1 149.616 m(其中長鏈0.475 m),埋深6～15 m。桐桃區間線路平面走向如圖1所示,圖2為斷面DK7+510附近地質剖面。

圖1 桐桃區間線路平面Fig.1 Line plane between Tong and Tao

圖2 斷面DK7+510附近地質剖面Fig.2 Geological profile around section DK7+510

本工程采用盾構法施工,鋼筋混凝土管片環寬1.5 m,共765環。內徑5.5 m,外徑6.2 m,厚0.35 m,強度等級C50,抗滲等級P12,管片組裝方式采用“3+2+1”錯縫拼裝。

2 雙線隧道盾構施工數值模擬

由于該區間紅黏土層厚度不均,為研究不同土巖厚度比下雙線盾構隧道的地表沉降規律,保持隧道埋深和雙線隧道間距等條件不變,將開挖面分為7種工況:全斷面紅黏土層、土巖厚度比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、全斷面中風化白云巖層,以此來模擬隧道穿越過程中的各種地層情況。不同工況和與之對應的斷面如表1所示。

表1 不同工況與斷面對應情況Tab.1 Correspondence between different working conditions and cross sections

2.1 數值模型建立

采用Midas GTS NX數值模擬軟件,為減弱邊界效應的影響,模型尺寸長80 m×寬60 m×高60 m。模型以自重應力為主,邊界條件設置為四周和地面邊界x、y軸方向位移均為零。

根據實際工程綜合考慮,取雙線隧道埋深12.3 m,雙線隧道間距14.35 m,單洞內徑5.5 m,外徑6.2 m,管片厚0.35 m。基于區間隧道地勘報告,經過均勻化處理,將模型分為3層,分別為雜填土、紅黏土和中風化白云巖層。三維模型中土層和注漿層(硬化前和硬化后)選用Mohr-Coulomb本構模型,盾構外殼和盾構管片選用彈性本構模型。地層物理力學參數和支護結構材料參數如表2、表3所示。

表2 地層物理力學參數Tab.2 Physical and mechanical parameters of the formation

表3 支護結構材料參數Tab.3 Material parameters of the support structure

2.2 盾構施工模擬

不考慮地下水、盾構停機以及長期固結等影響因素,對雙線隧道進行盾構開挖模擬,右線先行。開挖進尺為1.5 m,即一環管片的寬度,以兩環管片作為一個開挖段(向前掘進3 m),每循環包含2個階段:(1)鈍化本開挖段內的全部土體,激活盾殼和掘進壓力;(2)激活本開挖段的管片、注漿層、注漿壓力和千斤頂力,并鈍化掉盾殼。下個開挖段開始后,需要鈍化上個開挖段的掘進壓力、千斤頂力和注漿壓力。其中,注漿層需要改變2次屬性,首先是在漿液剛注入盾殼與管片之間時改變材料屬性為液體彈性模量,接著將之前的注漿材料再次改變為漿液硬化后的材料屬性。一個開挖段的完整施工過程如圖3所示。

圖3 一個開挖段的完整施工過程Fig.3 Complete construction of an excavated section

由于實際工程中左線間隔一個月后才出發,則施工階段設置為右線全部開挖完成后,再進行左線開挖。最終建立的數值模型如圖4所示,圖4為土巖厚度比為1∶1時的計算模型。

圖4 三維數值計算模型Fig.4 A three-dimensional numerical computational model

3 實測值與模擬值統計分析

3.1 實測數據與模擬數據統計

為監測盾構掘進引起的地表位移,在隧道橫截面上方地表每隔10 m設置一組沉降測點,每組測點布置如圖5所示。

圖5 地表沉降監測布置(單位:m)Fig.5 Surface settlement monitoring arrangement (unit: m)

在土巖厚度比不同的情況下,盾構隧道施工實際監測值與數值模擬沉降計算值對比如圖6所示。

圖6 不同厚度比下地表沉降的實測值與模擬值Fig.6 Measured and simulated surface settlement for different soil to rock thickness ratios

3.2 實測數據與模擬數據分析

對比分析圖6不同土巖厚度比情況下,盾構施工引起的地表沉降值可以看出,部分工況的實測值與計算值還存在差異,但總體變化規律是相似的,說明數值模擬在一定程度上能夠預測地表沉降的變形趨勢。

整體來看,模擬計算出的地表沉降曲線大致呈W形,其“雙峰”位于隧道左線和右線的中軸線處,地表最大沉降值均位于右線隧道軸心上方地表處。

如圖6(a)所示,當隧道通過的地層只存在紅黏土時,可以直觀地看到實測值起伏不定,表現為不均勻沉降;數值模擬的沉降曲線有負值也有正值,地表隆起主要受到注漿壓力和掘進推力的影響[17],而在軟土地層中該擾動更顯著[18]。實測曲線與模擬曲線都表現出明顯沉降差,分別為18.45 mm和38.60 mm,即盾構隧道在單一軟土中掘進時地表可能會出現較大變形,此外貴州地區紅黏土的工程特性會加劇這種擾動。

以此為對照,在隧道埋深和雙線隧道間距不變的情況下,隨著開挖截面內巖層所占比例增大,實測曲線沉降規律性增強,沉降最大值逐漸出現在左、右線隧道附近;模擬曲線的形態從最開始 “左峰小右峰大”的陡峭型變為“左右雙峰對稱”的平緩型,對稱性增強,沉降差值在縮小。表4對比了不同土巖厚度比下地表沉降的最大實測值和模擬值,兩種數值大小基本對應且整體處于減小趨勢,沉降值均小于規范控制值25 mm[19]。

表4 不同土巖厚度比的地表沉降最大值 mmTab.4 Maximum surface settlement for different soil to rock thickness ratios

4 基于貴陽上軟下硬地層的Peck修正公式

由3.2節提到部分實測沉降曲線與數值模擬曲線仍有差距,為能夠更好地預測貴陽地區盾構隧道穿越上軟下硬地層時的地表沉降,需要對Peck經典公式進行修正。

4.1 回歸公式推導

單線隧道Peck經典公式[20]為

(1)

(2)

(3)

式中,S(x)為距離隧道軸線x處地表沉降量,m;Smax為地表最大沉降量,m;x為沉降監測點到隧道軸線的距離,m;i為沉降槽寬度,即沉降曲線反彎點的橫坐標;Vi為盾構施工引起的隧道單位長度損失體積,m3;φ為周圍地層的內摩擦角;Z為地表至隧道中心深度,m。

在等式兩邊取對數得

(4)

以lnS(x)和(-x2/2)作為回歸變量,令lnS(x)為常數項,(-x2/2)為線性系數,進行回歸分析

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

則回歸方程變為

(10)

結合式(4)和式(10)可得

(11)

(12)

回歸曲線為

(13)

采用線性相關系數檢驗回歸函數的線性相關關系

(14)

當R>r0.01(n-2)時,回歸函數的線性關系高度顯著;當r0.01(n-2)>R>r0.05(n-2)時,回歸函數的線性關系顯著。

4.2 實測數據回歸分析

本區間為雙線隧道盾構施工,右線先行,可利用雙線隧道的地表沉降公式[21]

S(x)=S右+S左=

(15)

式中,Smax,r和Smax,l分別為右線和左線的地表最大沉降量;ir和il分別為右線和左線的沉降槽寬度;l為兩條隧道的中心距離,且坐標原點取在兩條隧道軸線中心位置。

雙線隧道施工時的相互影響不可忽略,地表沉降也會互相疊加,現分別對該區段左右隧道的地表沉降實測數據進行回歸分析。根據地表監測布置圖,在進行單條隧道公式計算時,假定位于右線隧道軸心右邊測點的沉降只受右線隧道施工的影響,位于左線隧道軸心左邊測點的沉降只受到左線隧道施工的影響。

(16)

(17)

圖7 右線回歸擬合結果Fig.7 Regression fitting results for the right line

圖8 右線擬合結果與實測數據對比Fig.8 Comparison of right line fitting results with measured data

(18)

圖9 左線回歸擬合結果Fig.9 Regression fitting results for the left line

圖10 左線擬合結果與實測數據對比Fig.10 Comparison of left line fitting results with measured data

4.3 雙線隧道Peck公式修正

4.2節通過兩組實測數據驗證了經典Peck公式的適用性,現引入地表最大沉降修正系數α和沉降槽寬度修正系數β對公式進一步修正,則雙線隧道地表沉降公式可改為

(19)

式(19)可拆分為左、右兩個公式

(20)

(21)

將坐標原點分別定在左右隧道軸線處,并在等式兩邊取對數,可得到

(22)

(23)

(24)

(25)

將該區間穿越上軟下硬地層監測的44組地表沉降數據代入上述公式,并把左右線隧道算得的修正參數一起進行統計,得到α和β的概率分布圖,如圖11、圖12所示。

圖12 修正系數β取值范圍Fig.12 Range of values for the correction factor β

從圖11、圖12可看出,α主要分布在0～4,占80%;β主要分布在0.01～1,占87.18%。由此可以得出,地表最大沉降修正系數α取值在0～4,沉降槽寬度修正系數β取值在0.01～1。對修正系數取平均值:α=2,β=0.505,則上軟下硬地層條件下雙線盾構隧道的Peck修正公式為

(26)

令α=0,β=0.01作為修正后的上限沉降曲線(由于α=0,曲線與x軸重合);令α=4,β=1作為修正后的下限沉降曲線。

任選一個斷面將數據代入式(26)中,繪出Peck公式修正曲線、下限沉降曲線與實測沉降點的對比圖,如圖13所示。

圖13 斷面DK7+530沉降曲線與實測值Fig.13 Settlement curve and measured value of section DK7+530

從圖13可看出,修正后的沉降曲線和實測沉降點均在x軸與下限曲線之間,但修正曲線與實測沉降點仍存在差距。

由于擬合前假定的是左線隧道中心左側沉降和右線隧道中心右側沉降互相不受到另外一條隧道開挖的影響,只需疊加雙線隧道中間區域地表的變形。則式(19)可改為分段函數形式

(27)

從α和β的取值范圍內選擇合適的修正系數組合代入式(27)中,畫出不同土巖厚度比下的分段函數曲線,并與實測沉降值進行對比,如圖14所示。

圖14 不同土巖厚度比下的分段曲線與實測值Fig.14 Segmentation curves and measured values for different soil to rock thickness ratios

由圖14可以看出,修正后Peck分段函數沉降曲線更加接近實際沉降值。最后按照各土巖厚度比對應的修正系數繪出關系圖,如圖15所示,修正系數α和β的分布都比較均勻,前者主要在1.35附近,后者主要在0.6附近。

圖15 土巖厚度比與修正系數關系Fig.15 Relationship between soil to rock thickness ratio and correction factor

5 結論

(1)在保持隧道埋深和雙線隧道間距不變的情況下,數值模擬得出雙線隧道盾構施工引起的地表沉降曲線均表現為W形,且地表最大沉降值都在右線隧道軸心的上方地表。

(2)以盾構隧道穿越全斷面紅黏土為參照,地表沉降在該種地層中更易受到擾動而發生較大變形,表現出不均勻沉降,并且紅黏土的工程性質都會對地上和地下結構造成威脅。隨著土巖厚度比減小,沉降曲線趨于平緩,對稱性逐漸增強,整體沉降值變小。根據實測與模擬結果,沉降值均處于安全范圍內,但建議隧道在穿越開挖面內紅黏土比例較大的復合地層時,需要加強監測并做好防治措施。

(3)通過經典Peck公式對區間隧道的44組實測數據進行擬合計算,推導出了地表沉降分段函數公式,并得到地表最大沉降修正系數α和沉降槽寬度修正系數β的取值范圍,分別為0～4和0.01～1。從取值范圍中選擇恰當的修正系數組合,結果表明,修正后的分段函數曲線更加趨近貴陽上軟下硬地層的實際沉降,進一步得到土巖厚度比與修正系數的關系。