基于復(fù)合地層表征參數(shù)的盾構(gòu)隧道地面沉降預(yù)測分析

田管鳳，李 錕

（1. 東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523808；2. 青海大學(xué)，青海西寧 810016）

1 引言

復(fù)合地層的研究一直是地下工程研究關(guān)注的重要內(nèi)容，尤其是在地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于復(fù)合地層具有復(fù)雜的地質(zhì)特征、巖土性質(zhì)，成為影響制約工程施工安全的關(guān)鍵因素。如何定性、定量描述復(fù)合地層的地質(zhì)類別、力學(xué)性質(zhì)，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文依據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)隧道圍巖的地質(zhì)地層條件，對(duì)復(fù)合地層的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，嘗試用地層復(fù)合指數(shù)來描述復(fù)合地層的復(fù)雜程度，探求復(fù)合地層與掘進(jìn)參數(shù)、地面沉降的關(guān)系，為隧道工程復(fù)合地層的理論研究和盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)提供新的思路。

2 地層組段劃分

依托工程為廣州市地鐵13號(hào)線魚珠—象頸嶺段盾構(gòu)區(qū)間左線，設(shè)計(jì)里程 ZDK60+258.191～ZDK62?+?089.976，線路總長 1 831.785 m，布置管片總計(jì) 1 223 環(huán)，本文取用前700環(huán)分析。該區(qū)段地處珠江三角洲平原，地貌為海陸交互沖積平原；隧道上覆土層為Ⅴ-Ⅵ級(jí)軟土局部夾砂層，厚度H=?9～16?m，盾殼外徑D=?6.26?m，H/D=1.5～2.6，屬于從淺埋到深埋的過渡段。隧道穿越區(qū)域包括的土層主要有：粉質(zhì)軟黏土層、可塑～硬塑狀砂質(zhì)黏土層、全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合巖、混合花崗巖及微風(fēng)化粉混合巖、混合花崗巖。沿線隧道斷面地層分布變化顯著，均質(zhì)的單地層段約占該線路區(qū)段長的23%，雙層至多層的復(fù)合地層段占比達(dá)77%?？梢姡瑢?duì)復(fù)合地層的性質(zhì)特征進(jìn)行定性定量分析是非常必要的。

依據(jù)GB?50307-2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》中附錄E?“隧道圍巖分級(jí)”的方法，結(jié)合地基工程中關(guān)于土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隧道施工沿線的地質(zhì)地層進(jìn)行類別劃分。依據(jù)線路縱斷面地層分布圖和地質(zhì)勘察報(bào)告，考慮隧道上覆土層的地質(zhì)性質(zhì)和地下水壓沿線變化比較小的情況，以隧道開挖面巖土層地質(zhì)類別為主要因素進(jìn)行組段劃分，將此區(qū)段地層劃分為8個(gè)地層組段。隧道剖面地層分布示意見圖1，地層組段劃分及其物理力學(xué)指標(biāo)見表1，其中，編號(hào)①、②、③表示隧道剖面地質(zhì)分層，h1、h2、h3為相應(yīng)的層厚。

圖1 隧道剖面地層分布示意圖

3 地層復(fù)合指數(shù)

表1顯示，8個(gè)地層組段中的地層分布可有單層（只有①）、雙層（有①、②）或3層（有①、②、③），8個(gè)地層組段的區(qū)別既有巖土物理性質(zhì)不同，也有巖土層厚度幾何特征的差異，因此需要對(duì)復(fù)合地層的特點(diǎn)采用定量指標(biāo)進(jìn)行表征，以利于分析計(jì)算。

3.1 復(fù)合地層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)圖1所示，將復(fù)合地層看作由多個(gè)單向地層構(gòu)成的復(fù)合材料，相鄰單向地層之間呈并聯(lián)模型，即各單向地層的應(yīng)變相同，因此復(fù)合地層的變形模量可采用加權(quán)平均公式（1）計(jì)算得出：

表1 隧道開挖面地層組段劃分和物理力學(xué)指標(biāo)

式（1）中，EC為復(fù)合地層的變形模量；n為復(fù)合地層包含的單向地層數(shù)目；Ei為單向地層的變形模量；λi為單向地層在隧道復(fù)合地層斷面的面積比。

同理，復(fù)合地層的密度、泊松比、綜合內(nèi)摩擦角都可采用加權(quán)平均公式計(jì)算得到，結(jié)果見表2。

3.2 復(fù)合地層變異程度指標(biāo)

表2中，復(fù)合地層各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)的加權(quán)平均值，在一定程度上能夠體現(xiàn)單向地層在隧道斷面的幾何比例和物理參數(shù)數(shù)值大小對(duì)復(fù)合地層的貢獻(xiàn)，然而卻無法顯著表達(dá)出單向地層之間的相對(duì)特征對(duì)復(fù)合地層的影響程度。因此，選擇加權(quán)變異系數(shù)COVX來表征復(fù)合地層中某項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)X復(fù)合變異程度，表達(dá)式如下：

式（2）中，X表示任一物理力學(xué)參數(shù)，如密度、變形模量、泊松比、綜合內(nèi)摩擦角；Xi表示第i層的該參數(shù)值；XC表示根據(jù)式（1）計(jì)算得到的該參數(shù)復(fù)合地層的加權(quán)平均值，由此可得物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的加權(quán)變異系數(shù)值，見表2。

分析表2，比較不同地層組段、不同物理力學(xué)指標(biāo)的加權(quán)變異系數(shù)COVX可見，變化程度最顯著的是變形模量加權(quán)變異系數(shù)（本文用COVE表示），其中，COVE最大值0.576發(fā)生在復(fù)合地層組段Gt-008，該組段自上而下分布巖土地層有強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化硬巖?3層，層間物理力學(xué)性質(zhì)相差懸殊；COVE較小值0.101發(fā)生在復(fù)合地層組段Gt-006，該組段分布巖土層有硬塑黏土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖3層，屬于多層分布，但中間層在隧道剖面的面積占比達(dá)72.1%，層間性質(zhì)差異較小。因此，本文選擇COVE來表征復(fù)合地層性質(zhì)變化的復(fù)雜程度，并將COVE定義為地層復(fù)合指數(shù)CE，CE取值范圍[0，∞)?，CE值越大，表明復(fù)合地層的地質(zhì)特征、物理性質(zhì)和幾何分布越復(fù)雜懸殊。

表2 復(fù)合地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的加權(quán)平均值和加權(quán)變異系數(shù)

4 復(fù)合地層水平位移和地面沉降分析

為進(jìn)一步探索隧道復(fù)合地層的巖土物理力學(xué)參數(shù)與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，對(duì)以上8個(gè)地層組段進(jìn)行隧道掘進(jìn)力學(xué)理論分析，計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)水平位移和地面沉降。然后，將理論計(jì)算結(jié)果與盾構(gòu)施工貫入度和地面實(shí)測沉降做關(guān)聯(lián)分析。

4.1 貫入度與地面最大沉降實(shí)測值

基于工程盾構(gòu)掘進(jìn)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得每個(gè)地層組段條件下盾構(gòu)總推力F、貫入度f和地面最大沉降實(shí)測值ws，見表3。

4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)水平位移和地面最大沉降理論值

依據(jù)盾構(gòu)隧道力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式，通過總推力F可計(jì)算得到有效推力值F"。依據(jù)地基有限層法理論，可計(jì)算得到F"作用下地面最大沉降理論值wm，以及盾構(gòu)掘進(jìn)水平位移u。對(duì)盾構(gòu)施加單位有效推力可產(chǎn)生的水平位移量，采用水平柔度系數(shù)δ=u/F"來表示。在每個(gè)地層組段條件下理論計(jì)算結(jié)果見表4，分析比較表?3、表4可見，對(duì)于隧道剖面分布地層比較均勻的地層組段，如Gt-001，地面最大沉降理論值為4.59 mm 大于實(shí)測值 1.35 mm，偏安全；但是，對(duì)于隧道剖面地質(zhì)性質(zhì)變化懸殊的復(fù)合地層組段，如Gt-008，地面最大沉降理論值為 0.35 mm 小于實(shí)測值 1.5 mm，偏不安全。因此，對(duì)于復(fù)合地層，有必要對(duì)地面沉降實(shí)測值與理論值進(jìn)行進(jìn)一步的關(guān)聯(lián)分析，才能夠更加合理可靠地進(jìn)行地面沉降預(yù)測。

4.3 地層復(fù)合指數(shù)與掘進(jìn)位移比關(guān)系

為進(jìn)一步研究隧道復(fù)合地層的地面沉降與盾構(gòu)掘進(jìn)水平位移的定量關(guān)系，進(jìn)而探索與地層復(fù)合指數(shù)的相關(guān)性，從理論計(jì)算和工程實(shí)測2方面分析比較。

表3 不同地層組段條件下實(shí)測數(shù)據(jù)

表4 不同地層組段條件下理論計(jì)算數(shù)據(jù)

基于有限層法理論分析，設(shè)理論位移比r1=wm/δ，相應(yīng)于對(duì)盾構(gòu)施加單位有效推力產(chǎn)生的地面豎向位移與開挖面水平位移的比值。

通過盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，設(shè)實(shí)測位移比r2=ws/f，相應(yīng)于盾構(gòu)旋轉(zhuǎn) 1 圈的地面沉降與盾構(gòu)掘進(jìn)水平位移的比值。經(jīng)過計(jì)算，分別繪制r1、r2與CE的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖2。比較r1-CE曲線和10r2-CE曲線可見，2條曲線變化規(guī)律非常一致。

圖2 地層復(fù)合指數(shù)與位移比的關(guān)系

進(jìn)一步探索各參數(shù)間關(guān)聯(lián)性，繪制r1/CE與10r2/CE關(guān)系曲線如圖3所示。由圖可見，r1/CE與10r2/CE間的線性關(guān)系非常顯著，經(jīng)過整理擬合可得：

將r1和r2的最初設(shè)定參數(shù)代入式（3），可得地面最大沉降實(shí)測值ws、貫入度f與地面最大沉降理論值wm、水平柔度系數(shù)δ、地層復(fù)合指數(shù)CE的擬合關(guān)系式，即為最大沉降實(shí)測值ws與理論值wm的關(guān)系式：

圖3 r 1 / CE與10 r 2 / CE的擬合關(guān)系

在最大沉降理論值wm的基礎(chǔ)上，把通過式（4）得到的ws作為地面最大沉降的預(yù)測值w*，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

5 地面最大沉降預(yù)測實(shí)例驗(yàn)證

據(jù)廣州地鐵13號(hào)右線盾構(gòu)施工實(shí)例，隨機(jī)選擇10個(gè)隧道斷面的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行地面最大沉降預(yù)測驗(yàn)證。驗(yàn)證中，把按公式（4）獲得的地面最大沉降預(yù)測值w*與現(xiàn)場實(shí)測值ws進(jìn)行比較，見圖4；地面最大沉降預(yù)測誤差與地層復(fù)合指數(shù)CE關(guān)系曲線見圖5。

圖4 地面最大沉降預(yù)測值與實(shí)測值比較

圖5 復(fù)合指數(shù)CE與地面最大沉降預(yù)測誤差關(guān)系

由圖4可見，盾構(gòu)隧道復(fù)合地層的地面最大沉降預(yù)測值w*與實(shí)測值ws有良好的一致性，驗(yàn)證了式（4）的合理可靠性；由圖5可見，隨著地層復(fù)合指數(shù)CE值增大，對(duì)地面最大沉降值的預(yù)測誤差越來越小，漸趨于5%，進(jìn)一步說明在進(jìn)行復(fù)合地層的地面沉降分析時(shí)，通過地層復(fù)合指數(shù)CE對(duì)地面沉降實(shí)測值與理論值進(jìn)行關(guān)聯(lián)擬合分析是非常必要的。

6 結(jié)論

通過上述分析可以得到以下結(jié)論：隧道復(fù)合地層性質(zhì)特征的復(fù)雜程度可以采用地層復(fù)合指數(shù)CE來有效表征；CE數(shù)值越大，表明盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面復(fù)合地層的物理力學(xué)性質(zhì)和幾何特征的變化程度越復(fù)雜；通過工程實(shí)例驗(yàn)證表明，隧道地層復(fù)合指數(shù)CE與貫入度、地面沉降、盾構(gòu)掘進(jìn)水平柔度系數(shù)的擬合關(guān)系式（4）的合理可靠性，為地面沉降分析提供了有效方法。