戴洪偉

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014)

0 引言

城市地下空間的開發(fā)成為21世紀(jì)城市的發(fā)展趨勢(shì)，地下工程施工技術(shù)及施工引起的周邊建筑物與環(huán)境的變化成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。盾構(gòu)作為一種新型的地下工程施工方法，隨著其施工技術(shù)的不斷完善，在地下工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

在盾構(gòu)施工過程中，不可避免地對(duì)周邊土體造成擾動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，已經(jīng)對(duì)盾構(gòu)隧道施工造成的受力與變形問題做了大量研究。

Peck［1］在1969年通過研究提出了隧道施工中地表沉降的變化規(guī)律，并提出了沉降經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式;楊洪杰等［2］在軟土、砂土和砂礫土層中進(jìn)行盾構(gòu)模型的掘進(jìn)試驗(yàn)，研究了試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭車翂毫ψ兓偷侗P開口率變化對(duì)密封艙內(nèi)外土壓力的影響，提出土壓平衡盾構(gòu)土艙與開挖面間存在壓力差;張社榮等［3］通過三維數(shù)值模擬，研究軟土盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境的影響;黃潤(rùn)秋等［4］、盧瑾［5］、張?jiān)频龋?］研究了地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，提出地表沉降的主要原因是擾動(dòng)和降水。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面:J.Wongsaroj等［7－8］通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，研究了倫敦地鐵施工中土體長(zhǎng)期變形規(guī)律;R.Standing等［9］通過對(duì)倫敦軟土地區(qū)盾構(gòu)施工引起的地表變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，總結(jié)地表沉降在隧道縱向和橫斷面2個(gè)方向的變化規(guī)律;徐永福等［10］對(duì)上海外灘觀光隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了地表沉降情況和土體應(yīng)力變化狀態(tài)，并提出應(yīng)力擾動(dòng)度的概念;敖日汗等［11］對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道施工誘發(fā)的周圍土體孔隙水壓力重分布情況進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步分析了由此誘發(fā)的固結(jié)沉降情況;袁大軍等［12］對(duì)φ14.93 m泥水盾構(gòu)施工的隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)機(jī)制、規(guī)律和范圍。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)機(jī)制和規(guī)律已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)于小曲率曲線盾構(gòu)隧道施工對(duì)土體的擾動(dòng)和變形機(jī)制研究報(bào)道較少。本文通過采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，研究曲線盾構(gòu)隧道施工造成的土體變形機(jī)制，對(duì)比分析隧道2層土體受力與變形的差異性。

1 工程背景

1.1 工程概況

揚(yáng)州瘦西湖隧道工程下穿揚(yáng)州市重要風(fēng)景區(qū)和多個(gè)文物保護(hù)建筑，該項(xiàng)目的建成對(duì)瘦西湖東西兩側(cè)的交通帶來(lái)便利，同時(shí)可以成為聯(lián)系西區(qū)與東部新城的東西向重要通道之一。該隧道西自維揚(yáng)路與楊柳青路的交叉口，東至漕河西路與史可法路的交叉口，含瘦西湖隧道及瘦西湖東西兩側(cè)的地面接線道路配套工程，包括主體隧道工程、附屬工程、機(jī)電設(shè)備工程、匝道工程及地面接線道路工程。工程全長(zhǎng)5 352.55 m，其中主線隧道全長(zhǎng)約2.64 km，盾構(gòu)段全長(zhǎng)1 275 m，單管雙層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h，采用一臺(tái)直徑為14.93 m的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工。其中盾構(gòu)段在距湖西工作接收井約48.52 m時(shí)，進(jìn)入曲線盾構(gòu)區(qū)段，圓弧曲率半徑約為700 m。瘦西湖隧道工程位置示意如圖1所示。曲線盾構(gòu)隧道平面圖如圖2所示。

隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用單管雙層方式，隧道管片內(nèi)徑為13.3 m，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)分上下2層，上層為由東向西行車路面，下層為由西向東行車路面，結(jié)構(gòu)下層采用預(yù)制箱涵π型件，上層采用立柱+縱梁+現(xiàn)澆混凝土車道板結(jié)構(gòu)，上下行車道寬度均為7 m。針對(duì)洞內(nèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本工法采用下層預(yù)制π型件，上層采用移動(dòng)臺(tái)車現(xiàn)澆行車道板。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意圖Fig.1 Layout of Slender West Lake Crossing Tunnel

圖2 曲線盾構(gòu)隧道平面圖Fig.2 Plan of curved shield-bored tunnel

1.2 地層概況

根據(jù)區(qū)域資料，揚(yáng)州瘦西湖隧道及接線工程為同一地貌單元，主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積砂土、黏性土，為本工程引道段和明挖段穿越地層。沿線第四系上更新統(tǒng)土層為本隧道工程主要穿越地層。本隧道下伏地層主要為白堊系浦口組泥質(zhì)砂巖，埋深55 m左右。隧道工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示。揚(yáng)州瘦西湖隧道地層土體參數(shù)如圖4所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)于隧道沿線布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。對(duì)土體的觀測(cè)項(xiàng)目主要有地表沉降、土體分層沉降、土體水平位移等。測(cè)點(diǎn)斷面圖如圖5所示。監(jiān)測(cè)平面圖(3#—6#斷面)如圖6所示。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 地表沉降

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，隧道上方地表發(fā)生沉降位移，地表沉降變形曲線如圖7所示。

由3#斷面可以看出，隧道上方中線點(diǎn)DB3－0測(cè)點(diǎn)沉降量最大，達(dá)到－14.25 mm，而兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)沉降量則小很多。但幾乎所有測(cè)點(diǎn)都表現(xiàn)出了一種變化規(guī)律:在4月10日之前，沉降量都比較小，約為1 mm，10—13日沉降量增大，但速率較小，屬于第1階段，此階段主要進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)開挖;在13—16日，掘進(jìn)開挖后方，沉降量突然增大，而且沉降速率也增大，屬于第2階段;在4月19日進(jìn)行了二次補(bǔ)漿，在此之后曲線基本上呈現(xiàn)平緩的變化，地表沉降量趨于穩(wěn)定，屬于第3階段。

圖3 揚(yáng)州瘦西湖隧道底層剖面圖Fig.3 Profile showing geological conditions of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

圖4 揚(yáng)州瘦西湖隧道地層土體參數(shù)Fig.4 Parameters of ground of Slender West Lake Crossing Tunnel in Yangzhou，China

圖53#橫斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖(單位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points of No.3 cross-section(cm)

圖6 監(jiān)測(cè)平面圖Fig.6 Plan of mornitoring points

圖7 地表沉降歷程曲線Fig.7 Curves of time-dependent ground surface settlement

從各階段的劃分可以看出，在隧道開挖盾構(gòu)切口到達(dá)時(shí)，地表呈現(xiàn)緩慢隆沉，變形量較小，變形緩慢，這是因正面土體受擠壓而向上隆起以及孔隙水壓力增加引起的，此時(shí)總應(yīng)力和孔隙水壓力增加。隨著盾構(gòu)推進(jìn)，盾構(gòu)通過的過程中，地表開始快速沉降，沉降速率較大，沉降量也較大。盾構(gòu)通過時(shí)的沉降，是由于土體擾動(dòng)和盾構(gòu)與土體之間的剪切帶動(dòng)引起的，為土體應(yīng)力釋放的過程。在盾尾脫出時(shí)，地表會(huì)繼續(xù)發(fā)生沉降，沉降速率減小，沉降量減小，此時(shí)為盾尾空隙沉降，是土體脫離盾構(gòu)支撐后應(yīng)力釋放引起的。

選取3個(gè)橫斷面地表沉降穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪出地表沉降槽曲線圖，如圖8所示。從圖8可以看出，盾構(gòu)施工引起的地表沉降影響范圍約為2倍隧道埋深，隧道中線位置附近沉降最大，最大沉降量略小于0.5%倍的隧道埋深。

2.2.2 土體分層沉降

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，隧道周邊土體會(huì)因擾動(dòng)產(chǎn)生沉降，就土體本身而言，每一層土體呈現(xiàn)不同的沉降規(guī)律。土體分層沉降如圖9所示。

從圖9可以看出，隧道周邊土體呈現(xiàn)沉降和回彈2種不同的變形規(guī)律。在橫斷面上，越靠近隧道，土體分層沉降值越大，距隧道越遠(yuǎn)，分層沉降越小。產(chǎn)生分層沉降的主要原因是盾構(gòu)在施工中，對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，盾構(gòu)刀盤直徑大于盾構(gòu)機(jī)殼直徑，掘進(jìn)過程中刀盤后方產(chǎn)生土體損失造成的沉降。分層沉降最大值出現(xiàn)在距隧道最近的觀測(cè)點(diǎn)的地表層，最大沉降約為0.03%倍隧道埋深。

圖8 不同橫斷面地表沉降槽對(duì)比Fig.8 Comparison and contrast among ground surface settlement troughs at different cross-sections

圖9 分層沉降曲線Fig.9 Curves of layered settlement

2.2.3 土體水平位移

2.2.3.1 縱向水平位移

為獲取盾構(gòu)頂進(jìn)過程中盾構(gòu)刀盤前方土體沿隧道方向變形的規(guī)律，選取3#斷面，布設(shè)土體深層水平位移測(cè)點(diǎn)，盾構(gòu)過程中獲得數(shù)據(jù)如圖10所示。

從圖10可以看出，在盾構(gòu)施工過程中，隧道前方土體隨著盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)沿著隧道方向產(chǎn)生向前的水平位移。其中，盾構(gòu)刀盤位置水平位移較大，向地表逐漸減小。但由于盾構(gòu)隧道埋深較淺，地表土體均會(huì)產(chǎn)生向前移動(dòng)的位移。在同一橫斷面上，越靠近隧道中線，縱向水平位移越大。

2.2.3.2 橫向水平位移

見圖11。

圖10 土體縱向水平位移Fig.10 Curves of horizontal displacement of ground in longitudinal direction

圖11 橫向水平位移Fig.11 Curves of horizontal displacement of ground in transverse direction

從圖11可以看出，在盾構(gòu)工作期間盾構(gòu)外側(cè)土體受擠壓效應(yīng)較為明顯，離盾構(gòu)越近的測(cè)點(diǎn)橫向水平位移越大，擠壓范圍越集中，且集中在盾構(gòu)附近區(qū)域。如測(cè)點(diǎn)CX04(離盾構(gòu)外邊緣1 m)土體受擠壓區(qū)域位于深度－10～－28 m處。最大水平位移位于深度－18 m處，其值約為0.05%倍隧道埋深。測(cè)點(diǎn)CX05(離盾構(gòu)外邊緣約6 m)與CX06(離盾構(gòu)外邊緣約11 m)監(jiān)測(cè)深度范圍內(nèi)土體均處于受擠壓狀態(tài)，最大水平位移分別位于深度－17 m和－18 m處，其值均小于0.01%。由此可知，隨著離盾構(gòu)越來(lái)越遠(yuǎn)，擠壓范圍在擴(kuò)散，擠壓效應(yīng)在減弱。

3 有限元分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)受埋設(shè)方法和現(xiàn)場(chǎng)工況的限制可能出現(xiàn)一定的誤差，為更好地從理論上論證盾構(gòu)施工引起的土體變形，利用三維有限元軟件FLAC 3D，采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，對(duì)施工過程土體變形進(jìn)行模擬分析。

3.1 模型建立

隧道采用泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道開挖直徑為14.93 m，盾構(gòu)機(jī)頭長(zhǎng)10 m，盾構(gòu)刀盤外徑比盾構(gòu)機(jī)殼外徑大2 cm，管片寬2 m，厚60 cm。地基土自上而下依次為雜填土(0 ～1.8m)、粉質(zhì)黏土(1 ～2.1 m)、黏土(6 m以下)。隧道埋深15 m，分析區(qū)域豎向深50 m，寬200 m，沿隧道縱向長(zhǎng)350 m，共77 487個(gè)單元，14 415個(gè)節(jié)點(diǎn)。曲線盾構(gòu)隧道模型如圖12所示。地層參數(shù)如表1所示。

圖12 曲線盾構(gòu)隧道模型Fig.12 Model of curved shield-bored tunnel

表1 模型中采用的地層參數(shù)表Table 1 Ground parameters used in the model

3.2計(jì)算結(jié)果分析

通過模擬提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到地表沉降和土體深層水平位移計(jì)算結(jié)果，繪制變形數(shù)據(jù)曲線，如圖13和圖14所示。

圖13 地表沉降模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.13 Comparison and contrast between simulated ground surface settlement and measured ground surface settlement

3.2.1 地表沉降

選取地表沉降穩(wěn)定之后的數(shù)據(jù)，從圖13可以看出，在隧道中線兩側(cè)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，沉降槽左右不對(duì)稱性比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更加明顯，但變形規(guī)律相似。

圖14 土體水平位移模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.14 Comparison and contrast between simulated ground horizontal settlement and measured ground horizontal settlement

3.2.2 深層水平位移

圖14對(duì)比分析了隧道兩側(cè)土體在隧道掘進(jìn)過程中的水平位移，模擬結(jié)果呈現(xiàn)與實(shí)測(cè)相似的變形規(guī)律，最大位移發(fā)生在地表以下－17 m左右的位置，模擬最大測(cè)斜稍小于實(shí)測(cè)值。

4 結(jié)論與建議

1)隧道正上方的地表沉降最大，隨著隧道掘進(jìn)，地表沉降在盾構(gòu)的切口到達(dá)時(shí)緩慢隆沉、盾構(gòu)通過時(shí)快速沉降、盾尾脫出時(shí)趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，土體產(chǎn)生縱向和橫向2個(gè)方向的水平位移，沿隧道方向，土體產(chǎn)生向掘進(jìn)方向的位移。橫斷面上，土體水平位移在隧道掘進(jìn)方向曲線內(nèi)側(cè)變形量小于外側(cè)變形量。

2)在已發(fā)表的研究文獻(xiàn)中，研究對(duì)象多為直線盾構(gòu)隧道，本文對(duì)曲線盾構(gòu)隧道的研究成果對(duì)相關(guān)工程具有一定指導(dǎo)作用。

3)研究過程中獲得了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但對(duì)其他工程能起直接指導(dǎo)作用的參數(shù)間經(jīng)驗(yàn)公式模型，尚未建立。下階段將對(duì)曲線盾構(gòu)施工造成的周邊土體變形進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建進(jìn)行研究。

4)針對(duì)曲線盾構(gòu)施工造成的周邊土體變形在隧道兩側(cè)的差異性，在工程中應(yīng)采取不同的措施，以防對(duì)周邊土體或構(gòu)筑物造成損害。

［1］ Peck R B.Deep excavation and tunneling in soft ground［C］//Proc.7th Int.Conf.Soil Mech.Found.Engng，Mexico City，State-of-the-Art Volume，1969:225 －290.

［2］ 楊洪杰，傅德明，葛修潤(rùn).盾構(gòu)周圍土壓力的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(8):1652－1657.(YANG Hongjie，F(xiàn)U Deming，GE Xiurun.Experimental study and numerical simulation of earth pressure around shield machine［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006(8):1652－1657.(in Chinese))

［3］ 張社榮，田新星，王剛，等.軟土地區(qū)盾構(gòu)法隧道施工三維數(shù)值模擬［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012(4):807－814.(ZHANG Sherong，TIAN Xinxing，WANG Gang，et al.3D numerical simulation of excavation of shield tunnel in softground［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012(4):807－814.(in Chinese))

［4］ 黃潤(rùn)秋，戚國(guó)慶.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)環(huán)境的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(S1):2464－2468.(HUANG Runqiu，QI Guoqing.Study on the influence of subway by shield tunneling on environment［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003(S1):2464－2468.(in Chinese))

［5］ 盧瑾.軟土地層中盾構(gòu)法開挖引起的地表沉降研究［D］.南京:河海大學(xué)地質(zhì)工程學(xué)院，2007.(LU Jin.In soft soil ground settlement caused by shield excavation of［D］.Nanjing:Geological Engineering College，Hehai University，2007.(in Chinese))

［6］ 張?jiān)疲笞跐?，徐永?盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(3):388－392.(ZHANG Yun，YIN Zongze，XU Yongfu.Analysis on threedimensional ground surface deformations due to shield tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002(3):388－392.(in Chinese))

［7］ J Wongsaroj，K Soga，R J Mair.Modelling of long-term ground response to tunnelling under St James’s Park，London［J］.Geotechnique，2007，57(1):75 －90.

［8］ J Wongsaroj，K Soga，R J Mair.Modelling of long-term ground response to tunnelling under St James’s Park，London［C］//Stiff Sedimentary Clays， Session 4 Engineering in Stiff Clays，2011:253 －268.

［9］ R Standing，D Selemetas.London clay ［J］.Geotechnique，2013，63(12):989－1007.

［10］ 徐永福，陳建山，傅德明.盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍土體力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(7):1174－1179.(XU Yongfu，CHEN Jianshan，F(xiàn)U Deming.Effect of shield tunneling on mechanical properties of soils［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003(7):1174－1179.(in Chinese))

［11］ 敖日汗，張義同.盾構(gòu)施工引起的固結(jié)沉降分析［J］.巖土力學(xué)，2011(7):2157－2161.(AO Rihan，ZHANG Yitong.Analysis of consolidation settlements caused by shield tunneling ［J］.Rock and Soil Mechanics，2011(7):2157－2161.(in Chinese))

［12］ 袁大軍，尹凡，王華偉，等.超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(10):2074 －2080.(YUAN Dajun，YIN Fan，WANG Huawei，et al.Study of soil disturbance caused by super-large diameter slurry shield tunnelling［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009(10):2074－2080.(in Chinese))