越河盾構(gòu)隧道開挖對(duì)復(fù)合地層滲流場(chǎng)的影響作用研究

李 璋，王自超，鄧國(guó)華，王 強(qiáng)

(1.西安中鐵軌道交通有限公司，陜西 西安 710038；2.西安黃土地下工程技術(shù)咨詢有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

近些年，隨著我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)程的快速推進(jìn)，大量城市地鐵線路出現(xiàn)下穿海河的情況，如蘭州地鐵和濟(jì)南地鐵下穿黃河、南京地鐵和武漢地鐵下穿長(zhǎng)江、廣州地鐵下穿珠江、長(zhǎng)沙地鐵下穿湘江等。目前，土壓平衡和泥水平衡盾構(gòu)法仍是下穿海河隧道開挖所采用的主要手段，下穿海河段富水地層中存在的高水頭壓力將為其帶來(lái)多方面的施工技術(shù)難題，如開挖面失穩(wěn)、盾尾刷擊穿和地下水的噴涌等工程事故[1-7]。

大量學(xué)者針對(duì)高水頭壓力下的盾構(gòu)施工開展了系列研究工作，如朱自鵬[8]通過有限元軟件研究了高水壓條件下盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)內(nèi)的水壓分布及滲流對(duì)地層的影響范圍，并建議了渣土改良方案；曹利強(qiáng)等[9]采用半承壓水模型推導(dǎo)了盾構(gòu)穿越層中沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向水頭分布的解析解，并將其與現(xiàn)有的二維滲流場(chǎng)解析解結(jié)合擴(kuò)展為相應(yīng)的三維解；鄧如勇等[10]、張淑朝等[11]采用FLAC3D軟件模擬了蘭州地鐵1號(hào)線下穿黃河強(qiáng)透水砂卵石地層的盾構(gòu)施工過程，并對(duì)潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；宋曙光[12]依托濟(jì)南地鐵采用多種手段研究了滲流作用下盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)破壞的災(zāi)變特性及防治技術(shù)；李振東[13]、于跟社等[14]、黃明琦[15]、楊關(guān)青等[16]、夏潤(rùn)河[17]和炊鵬飛[18]探討了下穿河流砂卵石地層及富水地層的盾構(gòu)施工技術(shù)?？偟貋?lái)看，針對(duì)高水頭壓力下隧道開挖面的穩(wěn)定問題，相關(guān)科研及技術(shù)人員已開展大量工作，但就下穿河流盾構(gòu)隧道開挖引起復(fù)合地層滲流場(chǎng)的影響作用方面則研究不多。

本文以西安地鐵9號(hào)線下穿灞河段為例，選取其中最具典型性且盾構(gòu)隧道穿越強(qiáng)透水砂卵石層的復(fù)合地層剖面，采用有限元滲流分析軟件，開展了多種開挖滲流條件下的穩(wěn)態(tài)滲流分析，研究了盾構(gòu)隧道開挖滲流條件下復(fù)合地層的總水頭、滲透坡降和滲流速度等滲流場(chǎng)分布特征，探討了地鐵隧道開挖滲流對(duì)地層水頭損失及滲透破壞的影響作用，并針對(duì)越河盾構(gòu)隧道穿越砂卵石底層等類似工程問題給出了施工技術(shù)措施及建議。

1 工程概況

西安地鐵9號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿灞河段處于香王站—灞柳二路站區(qū)間，區(qū)間場(chǎng)地總體呈兩端車站附近高，中間灞河區(qū)域地勢(shì)低，線路底板埋深介于7.0 m～24.9 m之間，灞河段采用盾構(gòu)法施工。

據(jù)工程勘察資料顯示，區(qū)間隧道主要地層為：全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、沖洪積(Q4al+pl)黃土狀土、粉質(zhì)黏土、粗砂、圓礫土、卵石土，上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)粉質(zhì)黏土、粗砂、圓礫土、卵石土和中更新統(tǒng)沖洪積(Q2al+pl)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、圓礫土、卵石土組成，如圖1所示。灞河現(xiàn)河面寬度約60.0 m，河水深度約3.0 m，擬建盾構(gòu)隧道與灞河河床底凈距最小處約12.0 m，穿越地層主要為粉質(zhì)黏土層、卵石土層及砂層，卵石土層和砂層均為強(qiáng)透水層，其中卵石土的滲透系數(shù)達(dá)80 m/d，且與灞河存在明顯的地下水聯(lián)通。

圖1 西安地鐵9號(hào)線穿越灞河盾構(gòu)地質(zhì)縱剖圖

2 計(jì)算模型及工況

2.1 基本假定

針對(duì)復(fù)雜工程建立有限元模型，需要對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，以突出所研究的主要問題，并針對(duì)主要因素開展針對(duì)性分析，此處對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了如下假定：

(1)不考慮各地層之間的起伏，假定各地層為水平均勻巖土體，各土體物理力學(xué)特性為各向同性。

(2)假定各巖土層的滲透特性具有各向同性。

(3)河流面保持常水頭，不考慮水流的滲流耦合作用。

(4)僅對(duì)各地層作滲流分析，不考慮滲透力的耦合作用。

2.2 模型尺寸及邊界條件

根據(jù)西安地鐵9號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越灞河的地層資料及灞河河床的地形條件可知，盾構(gòu)穿越灞河段主要地層為粉質(zhì)黏土層、砂土層和卵石土層，其滲透系數(shù)分別為0.5 m/d、30.0 m/d和80.0 m/d。已有研究及工程實(shí)踐表明，黏土的低滲透性使其在一定條件下通常被視為隔水層，因此，相對(duì)于卵石土和砂土地層，低滲透性的粉質(zhì)黏土層具有顯著的隔水作用。

基于上述分析，本次計(jì)算選取代表性地層中的強(qiáng)透水組合地層(卵石土層和粗粉砂層)開展計(jì)算，有限元計(jì)算模型尺寸為：長(zhǎng)60 m(垂直與河道方向)、寬40 m(平行與河道方向)、高32 m(沿深度方向)，自上而下依次為卵石土層和粗粉砂層，厚度分別為13 m和18 m；灞河河床寬34 m，河面寬40 m，河深3 m；盾構(gòu)隧道垂直河床方向掘進(jìn)，隧道直徑6 m，頂部距河床底埋深12 m，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

由于僅對(duì)模型進(jìn)行滲流分析，不進(jìn)行應(yīng)力分析，因此無(wú)需施加位移邊界條件，而僅需施加滲流邊界條件。在模型的頂部和側(cè)面設(shè)置為透水邊界，河床面設(shè)置為恒定的水頭邊界，隧道管片邊界為不透水邊界，在盾構(gòu)掘進(jìn)面處設(shè)置滲流面。

2.3 模型參數(shù)

由于僅對(duì)模型進(jìn)行滲流分析，所以也只需輸入地層的滲流參數(shù)。根據(jù)地鐵9號(hào)線香王站—灞柳二路站區(qū)間詳細(xì)勘察階段的巖土工程勘察資料，模型各單元的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型單元計(jì)算參數(shù)

2.4 計(jì)算工況

如前所述，本文旨在探明盾構(gòu)隧道開挖滲流對(duì)強(qiáng)透水復(fù)合地層滲流場(chǎng)的影響作用，由此，本次分析計(jì)算選取同一種強(qiáng)透水復(fù)合地層結(jié)構(gòu)(卵石土層+砂土層)，而通過在隧道開挖面施加4種不同的滲流邊界條件加以區(qū)分，記為工況1、工況2、工況3和工況4，分別對(duì)應(yīng)的開挖面節(jié)點(diǎn)流量等于-1 m3/d、-5 m3/d、-10 m3/d和-20 m3/d，正負(fù)號(hào)表示滲流方向，負(fù)號(hào)表示由土體流出掌子面，正號(hào)則相反。在滲流計(jì)算中，通過將掌子面位置設(shè)置在河流正中下方，同時(shí)將河水深度設(shè)置為3 m的恒定值，用以模擬最不利情況。以此，通過改變掌子面的滲流速度，用以研究盾構(gòu)機(jī)開挖滲流對(duì)復(fù)合地層滲流場(chǎng)的影響規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)開挖滲流對(duì)地層水頭損失的影響作用

圖3給出了盾構(gòu)隧道開挖滲流工況2引起地層水頭損失的分布云圖。

圖3 盾構(gòu)開挖滲流時(shí)的地層總水頭云圖(工況2)

由圖3(a)所示的剖面圖可以看出，計(jì)算模型邊界位置的總水頭相對(duì)于開挖滲流前基本未變，仍保持接近于31 m的總水頭。由此可見，當(dāng)掌子面節(jié)點(diǎn)流量較小時(shí)，計(jì)算模型邊界位置的水頭基本未受到盾構(gòu)開挖滲流的影響，而在盾構(gòu)隧道開挖掌子面滲流周圍位置的總水頭變小，出現(xiàn)了開挖滲流引發(fā)總水頭損失的情況。由圖3(b)所示的未開挖土體總水頭云圖可見，水頭損失最大位置出現(xiàn)在掌子面的中心偏下的位置，最大水頭損失1.24 m左右，開挖掌子面滲流影響最大位置距開挖滲流面5.4 m左右。

與圖3所示的地層水頭損失相一致，圖4分別給出了工況2地層剖面和掌子面滲透坡降的等值線圖。由圖4(a)可見，盾構(gòu)隧道開挖滲流作用下，地層的滲透坡降相對(duì)較大值主要出現(xiàn)在掌子面附近，而其它區(qū)域的滲透坡降值不大，與地層水頭損失的分布規(guī)律一致。從圖4(b)還可以看出，該圖中所示的滲透坡降云圖呈現(xiàn)出一定的非對(duì)稱性，這是由于有限元網(wǎng)格劃分圓形區(qū)域的不對(duì)稱造成的。然而，滲透坡降在掌子面的分布整體上是合理的，呈現(xiàn)出由上向下逐漸變大的分布規(guī)律，即滲透坡降的最大值位于掌子面的下側(cè)位置，這也是隧道開挖過程中最易出現(xiàn)管涌破壞的位置。

圖4 盾構(gòu)開挖滲流時(shí)的地層滲透坡降云圖(工況2)

3.2 盾構(gòu)開挖滲流作用下的地層滲流速度場(chǎng)特征

圖5給出了盾構(gòu)隧道開挖滲流條件下的地層滲流速度場(chǎng)。由圖5(a)可以看出，盾構(gòu)隧道開挖滲流條件下，原有地層的水壓平衡條件遭到破壞，河水沿河床底部垂直向下入滲，并隨著入滲路徑的發(fā)展而朝向掌子面。同時(shí)，朝向河床兩側(cè)的入滲路徑也隨著入滲路徑的延伸，呈現(xiàn)出環(huán)形的滲流路徑，且越靠近模型邊界，其滲流路徑越長(zhǎng)。同時(shí)，滲流路徑還呈現(xiàn)出以掌子面為中心的向心發(fā)射，即盾構(gòu)開挖滲流時(shí)地層四周的水均流向開挖面。從圖5(b)還可以看出，滲流速度的等值線圍繞掌子面呈環(huán)狀形態(tài)，距離隧道掌子面越遠(yuǎn)，其滲流速度越小。

圖5 盾構(gòu)開挖滲流時(shí)的地層滲流速度場(chǎng)(工況2)

3.3 不同開挖滲流量條件下的地層滲流場(chǎng)變化規(guī)律

上述研究表明，盾構(gòu)隧道開挖滲流條件下的地層水頭損失主要產(chǎn)生在掌子面及待開挖土體部位。因此，圖6分別列舉了對(duì)應(yīng)工況1、工況2、工況3和工況4的不同開挖滲流條件下待開挖土體的總水頭云圖。由圖6可以看出，工況1、工況2、工況3和工況4條件下掌子面對(duì)應(yīng)的最大水頭損失分別為0.25 m、1.24 m、2.47 m和4.95 m。顯然，地層的水頭損失與隧道開挖面的滲流速度密切相關(guān)，滲流速度越大，對(duì)應(yīng)的水頭損失越大。從一定程度上來(lái)看，水頭損失越大，掌子面的水壓越小，則越有利于盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)土壓平衡條件，從而降低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的施工工作難度。不利的是，滲流速度的增大，同時(shí)也代表滲透力的增大，這種情況下掌子面則容易發(fā)生滲透破壞，而不利于施工安全。

圖6 不同工況下待開挖土體的總水頭云圖

通過比較4種工況條件下待開挖土體的滲流速度，沿盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向的滲流速度逐漸降低，最大滲流速度出現(xiàn)在掌子面位置。工況1、工況2、工況3和工況4條件下掌子面頂部位置的最大滲流速度分別為2.57 m/d、12.80 m/d、25.70 m/d和53.10 m/d，滲流速度隨著掌子面節(jié)點(diǎn)流量的增大而增大。與地層滲流速度分布規(guī)律相對(duì)應(yīng)，沿盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向的水力坡降也逐漸降低，最大水力坡降出現(xiàn)在掌子面位置。工況1、工況2、工況3和工況4條件下掌子面頂部位置的最大水力坡降0.07、0.37、0.73、1.47，水力坡降隨掌子面節(jié)點(diǎn)流量的變化規(guī)律與地層滲流速度的變化規(guī)律一致。

據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算，砂土的臨界水力坡降為1.04，與上述計(jì)算工況中掌子面的最大水力坡降比較可見，工況1、工況2和工況3的最大水力坡降0.07、0.37、0.73均小于砂土層掌子面的臨界水力坡降1.04，此時(shí)的滲透力不會(huì)產(chǎn)生砂土滲透破壞；而工況4的最大水力坡降為1.47，則顯然大于砂土層掌子面的臨界水力坡降1.04，在砂土層的掌子面位置則會(huì)出現(xiàn)滲透破壞，這種情況下掌子面則容易發(fā)生滲透破壞，而不利于施工安全。

4 結(jié)論與討論

(1)地鐵盾構(gòu)開挖滲流引起的地層水頭損失大小變化與滲流路徑相關(guān)，地層水頭損失大小由入滲面至出滲面沿滲流路徑逐漸增大，最大的水頭損失出現(xiàn)在盾構(gòu)開挖掌子面位置。地層的滲透坡降與地層水頭損失的分布規(guī)律一致，滲透坡降的最大值出現(xiàn)在掌子面的下部，也是隧道開挖過程中最易出現(xiàn)管涌破壞的位置。

(2)地鐵開挖滲流引起的水頭損失、滲透坡降和滲流速度大小均隨著開挖滲流量的增大而增大。較大的開挖滲流量產(chǎn)生較大的滲透坡降，滲流速度隨之增大，相應(yīng)地也會(huì)產(chǎn)生較大的水頭損失。

(3)從一定程度上來(lái)看，水頭損失越大，掌子面的水壓越小，則越有利于盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)土壓平衡條件，從而降低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的施工工作難度。不利的是，滲流速度的增大，同時(shí)也代表滲透力的增大，這種情況下掌子面則容易發(fā)生滲透破壞，而不利于施工安全。

(4)地鐵盾構(gòu)機(jī)下穿河流砂卵石地層時(shí)，砂卵石地層的強(qiáng)透水性使得水頭損失較小，隧道掌子面位置即存在較大的水頭壓力，容易發(fā)生螺旋機(jī)噴涌的情況，掘進(jìn)難度較大。此時(shí)，可采用聚合物及膨潤(rùn)土的渣土改良技術(shù)，以增加渣土的塑性；螺旋機(jī)宜采用軸式葉片，以利于形成土塞；也可減小皮帶輸送機(jī)傾斜段的角度等改進(jìn)措施。