不同盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)下的土層擾動(dòng)數(shù)值分析

摘 要：本文以大連地鐵5號(hào)線(xiàn)中華路站至泉水東站區(qū)間段施工為背景，分析了在不同推進(jìn)速度和出土速率下盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的地表沉降規(guī)律。運(yùn)用離散元軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值動(dòng)態(tài)模擬，得到了不同掘進(jìn)參數(shù)下地表變形規(guī)律，由此得到最適合的盾構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的地層損失率模擬橫截面土層沉降位移，同時(shí)模擬地層拱效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)大連地鐵項(xiàng)目最合適的推進(jìn)速度為1mm/s，最合適的相對(duì)出土速率為0.66。當(dāng)?shù)貙訐p失率為1%時(shí)，地表最大沉降約為20mm，沉降形狀與Peck曲線(xiàn)基本吻合。

關(guān)鍵詞：地表擾動(dòng)；盾構(gòu)施工；地層損失率；盾構(gòu)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 43 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的加劇，盾構(gòu)隧道的建設(shè)越來(lái)越廣泛。在一些復(fù)雜地層中進(jìn)行盾構(gòu)作業(yè)的過(guò)程中，由于土體切削，初始地應(yīng)力發(fā)生變化，因此使盾構(gòu)區(qū)間出現(xiàn)隆起或沉降。為確定地表沉降問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)地表沉降進(jìn)行了一系列研究。方恩權(quán)等[1]基于Peck公式提出了一種利用插值法、最小二乘法的預(yù)測(cè)模型，并將該模型應(yīng)用到信息系統(tǒng)進(jìn)行地表沉降預(yù)測(cè)。李建斌等[2]依托廈門(mén)地區(qū)盾構(gòu)隧道工程，基于隨機(jī)場(chǎng)理論，采用蒙特卡洛策略和有限差分模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)地層變形進(jìn)行分析。郝如江等[3]選取對(duì)盾構(gòu)施工地表沉降較為敏感的參數(shù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合差分進(jìn)化蟻群算法，預(yù)測(cè)地表沉降。

本文對(duì)大連地鐵5號(hào)線(xiàn)中華路站至泉水東站區(qū)間的地層進(jìn)行離散元軟件建模分析，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬。分析盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、螺旋出土機(jī)出土速率等因素對(duì)地層擾動(dòng)的影響，根據(jù)模擬結(jié)果分析隧道開(kāi)挖100mm[4]后的地表沉降和隆起位移等指標(biāo)的變化規(guī)律。

1 工程概況

大連地鐵五號(hào)線(xiàn)全長(zhǎng)為23.8km，車(chē)站18座。中華路站～泉水東站區(qū)間以中華路站為起點(diǎn)，由南向北下穿石灰石礦體育場(chǎng)、在光明路跨泉水河橋西側(cè)下穿泉水河、沿規(guī)劃道路向北到達(dá)泉水東站。本區(qū)間設(shè)計(jì)范圍包括中華路站～泉水東站正線(xiàn)區(qū)間及區(qū)間范圍的附屬結(jié)構(gòu)工程。附屬結(jié)構(gòu)包括一座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。

大連市地處遼東半島最南端，東瀕黃海，西臨渤海，南與山東半島隔海相望，北依遼闊的東北平原。山地丘陵多，平原低地少，整個(gè)地形為北高南低，北寬南窄。地勢(shì)由中央軸部向東南和西北兩側(cè)的黃、渤海傾斜，面向黃海一側(cè)長(zhǎng)而緩。本區(qū)為千山山脈南延的丘陵區(qū)，長(zhǎng)期受地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化剝蝕及水流侵蝕堆積等內(nèi)外營(yíng)力的作用形成了不同地貌單元，地形復(fù)雜多變。場(chǎng)地為低丘陵溝谷地貌，早期為入海口，后經(jīng)人工回填，地勢(shì)整體較為平坦。區(qū)間場(chǎng)地孔口標(biāo)高為16.90～18.46m，最大相對(duì)高差為1.56m。

隧址區(qū)內(nèi)未見(jiàn)規(guī)模較大的褶皺構(gòu)造，但常見(jiàn)小的層間褶曲和揉皺，它對(duì)巖體的完整性會(huì)產(chǎn)生有不良影響。

2 施工數(shù)值模擬

本文使用PFC軟件對(duì)經(jīng)過(guò)塊石處理后的土體進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，記錄不同掘進(jìn)參數(shù)下的地表擾動(dòng)情況，總結(jié)地層擾動(dòng)規(guī)律，找到最合適的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，為盾構(gòu)高效掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定提供參考。

2.1 宏細(xì)觀(guān)參數(shù)標(biāo)定

與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法相比，基于顆粒細(xì)觀(guān)力學(xué)行為，以牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律為準(zhǔn)則的顆粒流程序PFC更能準(zhǔn)確反映作為散粒體結(jié)構(gòu)的土體，在荷載作用下的細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)變化[5]。PFC參數(shù)標(biāo)定以地勘報(bào)告為準(zhǔn)，由原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)確定含水率、天然重度、孔隙比內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等土樣物理力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)上述地勘報(bào)告，使用三軸數(shù)值試驗(yàn)對(duì)模型土樣進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，對(duì)比兩種結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整最合理的細(xì)觀(guān)參數(shù)。經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的顆粒流數(shù)值模擬參數(shù)見(jiàn)表1，其中，顆粒半徑服從0～1均勻正態(tài)分布。

2.2 建立模型

綜合考慮離散元計(jì)算效率，本文數(shù)值模擬過(guò)程將三維盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程簡(jiǎn)化為二維狀態(tài)，根據(jù)研究可知，只要隧道直徑與顆粒直徑之比大于10就可以消除顆粒尺寸效應(yīng)，離散元模型采用等效縮放模型，隧道直徑D=6m，顆粒最大粒徑為0.009m，滿(mǎn)足要求。計(jì)算范圍（x，z）選取2×2m的矩形空間，x為隧道掘進(jìn)方向，z為與隧道垂直的豎向。由地勘報(bào)告得知，所處土層主要是素填土，為模擬土樣狀態(tài)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，用均質(zhì)砂土顆粒線(xiàn)性接觸模型，采用砂雨法生成地層。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程模擬

在顆粒流軟件PFC中，用墻體單元模擬盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)及邊界，在水平地表設(shè)置101個(gè)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)位移和速度情況。通過(guò)賦予墻體x軸方向速度控制推進(jìn)速度，用支護(hù)面板推進(jìn)代替盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，對(duì)進(jìn)入螺旋出土機(jī)的顆粒進(jìn)行刪除，模擬土體運(yùn)出的狀態(tài)。通過(guò)控制土倉(cāng)內(nèi)顆粒體積模擬不同出土速率下的推進(jìn)情況。

3 計(jì)算成果分析

3.1 推進(jìn)速度分析

當(dāng)隧道位移增至85mm時(shí)，隧道表面會(huì)發(fā)生較大的顆粒變形，這表明該區(qū)域的土壤開(kāi)始失效，并且可以觀(guān)察到地表沉降/隆起。為便于觀(guān)測(cè)地表的位移情況，選擇推進(jìn)距離為100mm。分別對(duì)推進(jìn)速度為1mm/s、3mm/s、5mm/s、7mm/s這4種工況進(jìn)行模擬。地表位移與推進(jìn)速度關(guān)系圖如圖1所示。

由圖1可知，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度越快，對(duì)地表的擾動(dòng)影響也越大。當(dāng)速度超過(guò)5mm/s時(shí)，地表位移超過(guò)20mm，根據(jù)掌子面顆粒狀態(tài)可知，此時(shí)掌子面已經(jīng)失穩(wěn)，地基承載力下降，顆粒發(fā)生重分布，沉降位移不再繼續(xù)增加，而是趨于穩(wěn)定。分析不同速度位移的均方差，當(dāng)速度為1mm/s時(shí)，均方差為45.5mm2，當(dāng)速度為3mm/s時(shí)，均方差就達(dá)到了65mm2?？梢园l(fā)現(xiàn)推進(jìn)速度對(duì)地層影響極為明顯，為保持掘進(jìn)過(guò)程中的地表穩(wěn)定，推進(jìn)速度一般不能超過(guò)1mm/s。

3.2 出土速率分析

通過(guò)調(diào)整土顆粒在螺旋出土機(jī)中的常態(tài)高度來(lái)模擬螺旋機(jī)出土速率變化，以顆粒高度為0模擬土速率大于推進(jìn)速率，改變常態(tài)土顆粒高度分別為0m、0.05m、0.1m、0.15m，模擬4種不同工況出土速率下的地表擾動(dòng)情況。4個(gè)不同的高度為右側(cè)離開(kāi)螺旋出土機(jī)的4種土壓力，用掘出土顆粒的體積表征出土體積，其相對(duì)出土速率分別為1、0.66、0.44、0.38。

螺旋出土機(jī)出土速率對(duì)地層的擾動(dòng)包括刀盤(pán)前方的地面隆起和沉降，隨著出土速率增加，位移先減少后增加，其中，最佳狀態(tài)是保證開(kāi)挖速率的同時(shí)減少地層擾動(dòng)。當(dāng)推進(jìn)速度為1mm/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的最佳出土速率為工況0.05m，因此施工時(shí)，應(yīng)提前確定不同的推進(jìn)速度的最佳出土速率。

螺旋機(jī)出土速率對(duì)地層的影響小于推進(jìn)速度。但仍然是控制地層擾動(dòng)的關(guān)鍵因素，因此控制好出土速率對(duì)維持地層穩(wěn)定極為重要。

3.3 地層橫截面沉降與拱效應(yīng)分析

盾構(gòu)法施工逐漸應(yīng)用廣泛，對(duì)盾構(gòu)法施工引起的地面沉降的相關(guān)研究也日益增加。目前有很多計(jì)算盾構(gòu)法施工引起地面沉降的方法，當(dāng)前可以通過(guò)Peck公式計(jì)算地層損失率。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下，所有沉降槽的體積應(yīng)該與地層損失的體積相同，如果地層損失在隧道長(zhǎng)度上均勻分布，那么地面沉降的橫向分布為正態(tài)分布。地表沉降的橫向分布如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：S（x）為沉降量；vi為地層損失量；Smax為隧道中心線(xiàn)處最大的沉降量；i為沉降槽寬度系數(shù)。

i的計(jì)算方法有很多，常用的attewell計(jì)算，如公式（3）所示。

i=r（z/2r）0.8 "（3）

式中：r為隧道半徑；z為隧道的中心埋深。

地層損失率的計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

R=v1/v （4）

式中：v為盾構(gòu)的截面積。

PFC模型參數(shù)選取見(jiàn)表1，采用剛性墻wall來(lái)模擬隧道，由于wall不會(huì)因外力而產(chǎn)生位移或變形，因此必須手動(dòng)確定地層損失率。假設(shè)襯砌已經(jīng)因?yàn)橹亓ο鲁?，開(kāi)挖面和襯砌相切，則模型試樣如圖2所示。

用砂雨法生成土樣，模擬自然條件沉積下的土層應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)等效縮放理論放大自重應(yīng)力以貼合實(shí)際狀況。開(kāi)挖后的地層橫截面地表沉降值由隧道中點(diǎn)向四周逐漸減少，最大沉降值在中軸線(xiàn)。由于地層損失，因此圍繞隧道四周土層出現(xiàn)明顯的拱效應(yīng)，上側(cè)應(yīng)力分布較均勻，沒(méi)有明顯的峰值應(yīng)力，這種效應(yīng)大大減少了對(duì)地表的位移擾動(dòng)。

對(duì)地表位移設(shè)置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)可知，地表位移形狀基本符合Peck曲線(xiàn)，最大位移出現(xiàn)在隧道中軸線(xiàn)上，證明地層損失率假定合理，通過(guò)限制地層損失率的相關(guān)參數(shù)，減少地層損失率可有效限制地表位移。由于土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)不完整，因此無(wú)法完全確定實(shí)際位移，但可以此為參考，指導(dǎo)實(shí)際工程。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)將地層損失率控制在1%以下。

3.4 推進(jìn)過(guò)程模擬與分析（速度角度）

刀盤(pán)前方的開(kāi)挖面土體會(huì)形成三維松動(dòng)區(qū)域，加上開(kāi)挖面上方所覆土體的重力作用，土體受到擠壓，有發(fā)生松動(dòng)并向盾構(gòu)機(jī)土艙滑動(dòng)的趨勢(shì)?？梢酝ㄟ^(guò)螺旋輸送機(jī)排出進(jìn)入盾構(gòu)土艙的土體，保持土艙內(nèi)渣土量恒定。由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況的不確定性，因此很難保證盾構(gòu)掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)進(jìn)土過(guò)快或者過(guò)慢時(shí)，易導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)。將PFC2D部分盾構(gòu)刀盤(pán)前方0.5m范圍內(nèi)的土體顆粒視為開(kāi)挖面土體，監(jiān)測(cè)開(kāi)挖面土體顆粒進(jìn)入土艙的狀態(tài)。在模擬過(guò)程中，不斷調(diào)整耦合模型中的盾構(gòu)掘進(jìn)模式，若開(kāi)挖面土體顆粒進(jìn)入土艙的速度基本不變，則開(kāi)挖面穩(wěn)定，若開(kāi)挖面土體顆粒進(jìn)入土艙的速度發(fā)生突變，則開(kāi)挖面失穩(wěn)。

對(duì)推進(jìn)100mm后的地面擾動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，有效掘進(jìn)面積與有效出土面積之比為3.9/0.7=5.57，因此出土速率為5.57。初始狀態(tài)顆粒速度為0，并以推進(jìn)100mm時(shí)的速度狀態(tài)模擬施工推進(jìn)過(guò)程的掌子面狀態(tài)，用30mm/min推進(jìn)，掌子面顆粒運(yùn)動(dòng)速度最大達(dá)到1.5mm/s，相對(duì)擾動(dòng)可忽略不計(jì)，對(duì)地層的影響隨深度減少，影響范圍為正前方約45°楔形體。地表顆粒最大速度約為0.2mm/s，可見(jiàn)此狀態(tài)對(duì)地表影響增加，但整體仍較小，掌子面穩(wěn)定。地表顆粒最大速度約為0.2mm/s，此狀態(tài)下的掌子面顆粒變化較大，但對(duì)地表影響不大，地表小范圍出現(xiàn)隆起或沉降現(xiàn)象。用70mm/min推進(jìn)，掌子面顆粒運(yùn)動(dòng)速度最大為3.0mm/s，掌子面處的顆粒受到周?chē)馏w的阻力，速度沒(méi)有顯著提高。地表顆粒最大速度約為1mm/s，此狀態(tài)下的掌子面顆粒變化較大，但對(duì)地表影響不大，地表出現(xiàn)隆起或沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)論

當(dāng)使用土壓盾構(gòu)進(jìn)行地層施工時(shí)，除了可能引起地層變形外，若土倉(cāng)內(nèi)支護(hù)壓力控制不當(dāng)，則可能導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)，出現(xiàn)地表坍塌，嚴(yán)重影響施工人員、施工機(jī)械和周?chē)h(huán)境的安全，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。因此選擇合適的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)極為重要。本文針對(duì)大連地鐵工程具體參數(shù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。1）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度越大，對(duì)地表擾動(dòng)的影響也越大，在速度超過(guò)5mm/s后，位移基本達(dá)到最大。推進(jìn)速度對(duì)地層的擾動(dòng)主要體現(xiàn)在刀盤(pán)前方地面隆起，隨著推進(jìn)速度增加，隆起位移也隨之增加。當(dāng)速度增加時(shí)，沉降位移也會(huì)增加，但幅度與隆起相比較小。由此可見(jiàn)，速度對(duì)地層擾動(dòng)影響較大，控制好推進(jìn)速度對(duì)維持地層穩(wěn)定極為重要。由實(shí)際項(xiàng)目可知，推進(jìn)速度不足0.1mm/s，對(duì)地表擾動(dòng)可基本忽略。2）螺旋出土機(jī)的出土速率對(duì)地層的擾動(dòng)包括刀盤(pán)前方的地面隆起和沉降，隨著出土速率增加，位移先減少后增加，最佳狀態(tài)是保證開(kāi)挖速率的同時(shí)減少地層擾動(dòng)。當(dāng)推進(jìn)速度為1mm/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的最佳出土速率為工況0.05m，因此施工時(shí)，應(yīng)提前確定不同的推進(jìn)速度的最佳出土速率。3）當(dāng)?shù)乇頁(yè)p失率控制為1%時(shí)，地表沉降位移最大為46mm，此時(shí)的地表擾動(dòng)可忽略，對(duì)地面建筑基本無(wú)影響。根據(jù)地層力鏈分布狀況可知，拱效應(yīng)對(duì)維持地層穩(wěn)定有較大幫助，充分利用地層拱效應(yīng)可有效減少地表擾動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]方恩權(quán)，楊玲芝，李鵬飛.基于Peck公式修正的盾構(gòu)施工地表沉降預(yù)測(cè)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（1）：143-149，162.

[2]李健斌，陳健，羅紅星，等.基于隨機(jī)場(chǎng)理論的雙線(xiàn)盾構(gòu)隧道地層變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（7）：1748-1765.

[3]郝如江，季雁鵬，倪振利.基于DEACO-WNN的盾構(gòu)施工地表沉降預(yù)測(cè)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2015，32（1）：12-16.

[4]梁榮柱，夏唐代，林存剛，等.盾構(gòu)推進(jìn)引起地表變形及深層土體水平位移分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（3）：583-593.

[5]龍飛.基于PFC的盾構(gòu)穿越既有隧道穩(wěn)定性分析[J].土工基礎(chǔ)，2020，34（5）：587-592.