大直徑泥水平衡盾構(gòu)淺覆土始發(fā)數(shù)值分析

劉 方,高 峰,徐汪豪

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

近年來，為了減小城市噪聲、避免路基和橋梁對城市分割的影響，新建高速鐵路線路在城市中基本使用隧道方案。其中，盾構(gòu)法本著環(huán)保、掘進(jìn)速度快、對地層擾動(dòng)小而在城市隧道大量使用[1]。由于高速鐵路隧道斷面大，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對周圍建筑物的影響大于普通地鐵隧道。而在盾構(gòu)始發(fā)階段，覆土淺、地層自穩(wěn)能力差，地層擾動(dòng)引起的危害已成為不可忽視的因素。

袁大軍[2]等依托南京長江隧道工程，對大直徑泥水盾構(gòu)在淤泥質(zhì)土中的掘進(jìn)進(jìn)行現(xiàn)場測試，研究了泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對土體的擾動(dòng)。方勇[3]等使用有限差分模型，建立了考慮施工過程的盾構(gòu)掘進(jìn)三維數(shù)值模型，并分析了由此產(chǎn)生的地表沉降形式。何川[4]等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式，實(shí)現(xiàn)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程的室內(nèi)再現(xiàn)，獲得土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)對地層影響的一般規(guī)律。王俊[5]等使用顆粒流方法，對盾構(gòu)在砂性地層中掘進(jìn)產(chǎn)生的地層擾動(dòng)進(jìn)行了分析。Fang[6]等人通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生不同地層損失后的地表沉降規(guī)律。另外，通過數(shù)值計(jì)算的手段，許多學(xué)者對盾構(gòu)掘進(jìn)及其引起的地表沉降進(jìn)行了研究[7-14]。在盾構(gòu)始發(fā)方面，魏林春[15]等依托上海長江西路隧道工程，對大直徑泥水平衡盾構(gòu)始發(fā)施工風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行了研究。程盼盼[16]等依托北京地鐵8號(hào)線的端頭井加固，對多種加固區(qū)范圍確定方法進(jìn)行了計(jì)算比較。丁烈云[17]等使用有限差分法模型，對城市地鐵隧道的始發(fā)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將現(xiàn)場沉降規(guī)律同數(shù)值模擬進(jìn)行對比，找出了一定規(guī)律。趙寶虎[18]等從數(shù)值模擬、受力分析和現(xiàn)場監(jiān)測的角度，對反力架的功能、作用和拆除技術(shù)進(jìn)行了探討研究。李東海[19]等以某地鐵工程為背景，對盾構(gòu)直削始發(fā)時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖施工過程中的變形進(jìn)行了研究。

綜上，目前研究主要集中于盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)施工中產(chǎn)生的土體擾動(dòng)規(guī)律。本文依托新建京張高鐵清華園隧道工程，基于有限差分法建立三維盾構(gòu)施工模型，研究城市復(fù)雜環(huán)境下大直徑泥水平衡盾構(gòu)淺覆土始發(fā)及掘進(jìn)過程對地層擾動(dòng)的影響，為今后相關(guān)類似工程提供參考依據(jù)。

1 依托工程簡介

清華園隧道為新建京張高鐵重點(diǎn)控制性工程之一，位于北京市海淀區(qū)，全長6.02 km，全隧近距離并行地鐵13號(hào)線，穿越3處地鐵、6處重要城市道路及106條重要市政管線，周邊建(構(gòu))筑物密集。清華園隧道是目前國內(nèi)位于城市核心區(qū)，穿越地層最復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一。盾構(gòu)段內(nèi)凈空斷面如圖1所示，盾構(gòu)管片內(nèi)徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚55 cm，盾構(gòu)刀盤開挖直徑12.64 m。盾構(gòu)段采用泥水平衡盾構(gòu)法施工。

圖1 清華園隧道橫斷面(單位：mm)

清華園隧道3號(hào)豎井的始發(fā)覆土厚為6.8 m，為淺覆土始發(fā)，存在泥水擊穿冒頂風(fēng)險(xiǎn)高、壓力建倉困難的風(fēng)險(xiǎn)。清華園隧道3號(hào)豎井始發(fā)區(qū)域的地層自地表依次為：粉土、粉質(zhì)黏土1、卵石土1、粉質(zhì)黏土2、卵石土2，始發(fā)時(shí)隧道全斷面處于粉質(zhì)黏土1中。如圖2所示。

圖2 地質(zhì)縱剖面(單位：m)

2 數(shù)值模擬

使用FLAC3D建立三維有限差分模型，進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工力學(xué)行為的研究。

2.1 模型概況

計(jì)算模型如圖3所示，考慮圣維南定律，邊界尺寸為142 m×120 m×45 m，共計(jì)782 110個(gè)節(jié)點(diǎn)，762 036個(gè)單元。土層使用Mohr-Coulomb模型，其中清華園隧道3號(hào)豎井始發(fā)端頭使用高壓旋噴樁進(jìn)行加固，加固區(qū)土體參數(shù)參考孫星亮[20]、張彥斌[21]等人的研究，基坑結(jié)構(gòu)、隧道管片襯砌、注漿層采用彈性模型，如表1所示。

圖3 計(jì)算模型(單位：m)

名稱重度/(kN·m-3)變形模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa粉土19.90.590.3525.224.3粉質(zhì)黏土120.16.560.3018.433.8卵石土119.41500.2345粉質(zhì)黏土219.87.560.3019.636卵石土221.21500.2845加固區(qū)20.110000.230200基坑結(jié)構(gòu)25.031.5×1030.2管片襯砌25.035.5×1030.2注漿層22.0600.2

隧道埋深淺，未見明顯構(gòu)造應(yīng)力，主要受自重應(yīng)力場控制，因此使用位移邊界。應(yīng)力場通過三步獲得，首先計(jì)算無橋墩、不開挖情況下的大地應(yīng)力場，其次加入北京地鐵13號(hào)線橋墩，最后開挖基坑，使用最后獲得應(yīng)力場作為計(jì)算應(yīng)力場。

數(shù)值模擬中把前方土體模型設(shè)置為空單元實(shí)現(xiàn)隧道開挖，并在掌子面設(shè)置有梯度的面力模擬泥水壓力，參考Michael A. Mooney等[22]對泥水平衡的盾構(gòu)模擬方式，考慮泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)包裹于泥漿中，并受部分外溢泥水壓力的影響，因此使用面力模擬盾構(gòu)機(jī)。在盾構(gòu)機(jī)通過后，更改注漿層的參數(shù)及激活管片襯砌單元，實(shí)現(xiàn)漿液硬化及管片受力的過程。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

在地表設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，地表沿縱向10 m布置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，從0～110 m；距洞門縱向10 m處開始，布置橫向監(jiān)測點(diǎn)，自隧道軸線始向左右各間距5 m 1個(gè)，左右各3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。見圖4。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同加固區(qū)范圍時(shí)土體擾動(dòng)情況

若對洞門后土體不進(jìn)行加固改良處理，直接進(jìn)行破除洞門，將會(huì)引起洞門處土體坍塌滑移、地下水涌入，導(dǎo)致地表大面積地表下沉，危及地下管線和附近建筑物，從而造成重大安全事故。

通過計(jì)算無土體改良時(shí)的洞門破除，可了解本工程洞門破除時(shí)引起的土體擾動(dòng)范圍，對加固改良區(qū)的范圍確定提供部分依據(jù)。

圖5 無加固措施下鑿除洞門后的土體位移矢量云圖

圖5為無加固措施時(shí)，洞門鑿除后的土體位移矢量云圖。從圖5可以明顯看出，土體呈現(xiàn)向基坑滑移坍塌趨勢，洞門處土體向基坑內(nèi)移動(dòng)、洞門后方地表向下移動(dòng)，隨著深度的增加，土體移動(dòng)方向逐漸轉(zhuǎn)向洞門方向，并且洞門后方2～14 m的土體位移達(dá)5 cm以上，洞門中心土體達(dá)到45 cm。圖6表明，無加固措施時(shí)，洞門鑿除后豎向呈現(xiàn)一個(gè)類橢圓大沉降區(qū)，范圍達(dá)32 m(X方向)×22 m(Y方向)，并隨沉降區(qū)橢圓范圍的縮小，變形沉降值逐漸加大，其中變形區(qū)中心處豎向沉降值在8 cm以上。圖7表明，若無加固措施進(jìn)行洞門鑿除，洞門后土體呈現(xiàn)大范圍剪切滑移破壞。

圖6 無加固措施下鑿除洞門后的地表沉降等值線(單位：cm)

圖7 無加固措施下鑿除洞門后的土體塑性區(qū)

圖5、圖6、圖7表明，當(dāng)不采取加固措施時(shí)，洞門鑿除后的大范圍土體將產(chǎn)生剪切破壞，并產(chǎn)生較大變形，因此認(rèn)為此情況下土體已發(fā)生滑移坍塌。

對端頭井加固區(qū)進(jìn)行加固，加固范圍取值如表2所述。其中，橫向距離為自隧道軸線起向兩側(cè)等距延伸，豎向距離等同橫向距離，縱向距離為自地下連續(xù)墻掘進(jìn)方向側(cè)起向外側(cè)延伸。

表2 加固區(qū)范圍 m

不同加固范圍下，洞門鑿除后的洞門中心土體的變形情況如圖8所示，其中位移值向基坑變形為負(fù)值，向外側(cè)變形為正值。

圖8 不同加固范圍下洞門中心土體的變形情況

從圖8可以看出，土體依然向基坑內(nèi)變形，但同未加固情況下的較大變形(45 cm，圖5)相比，變形趨勢大為改善。從變形的數(shù)值上看，不同橫向加固范圍下，隨著縱向加固距離的增長，變形值下降，但是當(dāng)加固范圍達(dá)到6 m以上時(shí)，下降趨勢較6 m范圍內(nèi)時(shí)更為緩慢。另一方面，同一縱向加固長度下、不同橫向加固范圍時(shí)，隨著橫向加固范圍的增長，鑿除洞門后土體的變形值更小，但是兩者相差不大。

圖9為不同加固區(qū)范圍下鑿除洞門后，隧道軸線正上方地表沉降規(guī)律。圖9表明，洞門端頭區(qū)域土體經(jīng)土體改良加固后，地表沉降同圖6相比得到明顯改善，降至2 mm以下，并且洞門后方地表土體沉降呈現(xiàn)隨距洞門的距離增加而下降的趨勢。另一方面，隨加固區(qū)縱向距離的增加，洞門后方近距離處土體的沉降呈現(xiàn)下降趨勢，而遠(yuǎn)離洞門處的土體沉降呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于加固區(qū)改良土的密度較天然土體大，隨著加固區(qū)縱向長度的增長，加固區(qū)下方未加固土體受上方土體重力荷載的增加導(dǎo)致沉降，最終體現(xiàn)為遠(yuǎn)離洞門處地表沉降的增加。

圖9 洞門隧道軸線正上方地表沉降

3.2 始發(fā)段掘進(jìn)時(shí)土體擾動(dòng)情況

清華園隧道3號(hào)豎井始發(fā)段埋深淺，土層物理力學(xué)性能差，因此泥水壓力的設(shè)定對始發(fā)段土體擾動(dòng)尤為重要。

泥水平衡盾構(gòu)的泥水壓力一般可通過公式(1)確定

p=pw+pe+pp

(1)

式中，p為泥水壓力；pw為地下水壓；pe為土壓；pp為預(yù)壓。

由于清華園隧道3號(hào)豎井始發(fā)段埋深淺，同時(shí)地下水位較深，因此不考慮水壓。預(yù)壓按照北京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，取值20 kPa。土壓力計(jì)算按靜止土壓力計(jì)算，土壓力系數(shù)取0.43。通過式(1)的計(jì)算，掌子面頂部壓力88 kPa，底部壓力為133 kPa。另一方面，泥水盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)處于加固區(qū)土體范圍內(nèi)，加固區(qū)土體經(jīng)過改良，性質(zhì)較優(yōu)。因此，建倉壓力較小，按照北京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，取值30 kPa。考慮盾構(gòu)機(jī)長13.5 m，為降低盾構(gòu)泥水外溢風(fēng)險(xiǎn)，并保障洞門二次密封，基于對加固區(qū)的計(jì)算分析，取橫向加固距離11 m、豎向加固距離11 m、縱向加固距離17 m的模型作為始發(fā)掘進(jìn)土體擾動(dòng)研究對象。

圖10為隧道掘進(jìn)過程中，隧道軸線正上方地表位移曲線；圖11為隧道掘進(jìn)過程中各橫斷面沉降槽。

圖10 隨盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降曲線

圖11 橫斷面沉降槽

圖10顯示當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，地表位移極小，基本不產(chǎn)生土體擾動(dòng)，地表沉降主要由后期固結(jié)沉降導(dǎo)致。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至加固區(qū)外時(shí)，地表位移增大，逐漸產(chǎn)生一定的土體擾動(dòng)。并隨盾構(gòu)機(jī)逐漸遠(yuǎn)離加固區(qū)域，土體擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)一步增大，最終土體擾動(dòng)響應(yīng)趨于同一水平。

圖11從橫斷面沉降槽的角度再次驗(yàn)證了圖8的規(guī)律，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于加固區(qū)內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生極小的土體擾動(dòng)，橫向沉降槽不明顯。隨著盾構(gòu)機(jī)的繼續(xù)掘進(jìn)，土體擾動(dòng)逐漸加大，最終趨向于同一水平。

從圖10、圖11可以發(fā)現(xiàn)，清華園隧道大直徑泥水平衡盾構(gòu)淺覆土掘進(jìn)過程的土體擾動(dòng)情況與加固區(qū)有關(guān)。在加固區(qū)內(nèi)及加固區(qū)外一定范圍內(nèi)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生的土體擾動(dòng)較??；隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸遠(yuǎn)離加固區(qū)，土體擾動(dòng)逐漸加大，并趨向于同一水平。

4 結(jié)語

以FLAC3D有限差分計(jì)算軟件為輔助手段，對清華園隧道3號(hào)豎井大直徑泥水平衡盾構(gòu)淺覆土始發(fā)產(chǎn)生的土體擾動(dòng)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

清華園隧道天然土體下鑿除洞門后將產(chǎn)生較大變形，存在滑移坍塌風(fēng)險(xiǎn)，因此需對豎井端頭區(qū)域土體進(jìn)行土體加固改良。當(dāng)加固區(qū)縱向長度達(dá)到一定值后，洞門鑿除后的土體穩(wěn)定性得到明顯改善，再增加縱向加固區(qū)長度對洞門鑿除后的土體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)不明顯。

基于對淺覆土始發(fā)掘進(jìn)時(shí)地表沉降規(guī)律的研究，認(rèn)為清華園隧道大直徑泥水平衡盾構(gòu)淺覆土始發(fā)掘進(jìn)過程的土體擾動(dòng)情況和盾構(gòu)機(jī)同加固區(qū)之間的距離有關(guān)。加固區(qū)內(nèi)外一定范圍內(nèi)，土體性質(zhì)較好，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)較小；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離加固區(qū)，土體性質(zhì)回歸至天然土體，掘進(jìn)產(chǎn)生較大土體擾動(dòng)。