王 維

(中鐵二十局集團(tuán)第五工程有限公司 廣東廣州 511400)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城際軌道交通建設(shè)越來(lái)越與現(xiàn)代化接軌，盾構(gòu)法施工成為隧道施工過(guò)程中一門(mén)普遍的應(yīng)用技術(shù)。隨著“長(zhǎng)距離、大直徑、大埋深、復(fù)雜地質(zhì)”盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷成熟，盾構(gòu)施工面臨的問(wèn)題也越來(lái)越多，尤其是在地質(zhì)條件差、地質(zhì)情況復(fù)雜、地表建筑物密集等極端工況下，如何能安全、快捷、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，成為國(guó)內(nèi)外工程師必須面臨的一項(xiàng)重要課題[1-3]。

在有著“中國(guó)地質(zhì)博物館”之稱的珠三角地區(qū)，廣泛存在著全、強(qiáng)、中、弱風(fēng)化花崗巖及泥質(zhì)砂巖甚至是具有上軟下硬特征的土-巖復(fù)合地層，其粗粒含量較多、結(jié)構(gòu)疏松、物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜且可能存在溶洞等十分不利于盾構(gòu)掘進(jìn)的物理特征，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效率及經(jīng)濟(jì)效益的影響很大[4-7]。實(shí)際工程中的地勘報(bào)告往往只給出不同土層的力學(xué)特征，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)所面對(duì)的多層土-巖復(fù)合后的地層變形與穩(wěn)定性控制未做深入研究，這勢(shì)必將增加盾構(gòu)掘進(jìn)的負(fù)荷，影響盾構(gòu)使用壽命，倘若控制不當(dāng)，甚至?xí)?duì)周?chē)h(huán)境造成重大災(zāi)害[8]。因此，針對(duì)土-巖復(fù)合地層盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層與隧道結(jié)構(gòu)變形特性影響的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

就目前而言，已有的相關(guān)研究大多針對(duì)單一地層掘進(jìn)[9-12]，對(duì)上軟下硬土-巖復(fù)合地層中盾構(gòu)開(kāi)挖的施工擾動(dòng)，尤其是在考慮不同施工參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)以及周?chē)貙拥淖冃斡绊戇€很少有所涉及。實(shí)際上，在實(shí)際工程中也不可能具備控制不同施工參數(shù)的條件，這也使得針對(duì)土-巖復(fù)合地層中土壓盾構(gòu)施工參數(shù)的合理優(yōu)化與選擇存在一定的困難。因此，本文在前人已有研究的基礎(chǔ)上，以佛莞城際鐵路隧道工程為背景，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)盾構(gòu)穿越土-巖復(fù)合地層條件下周?chē)貙优c管片變形特征進(jìn)行分析，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；以此為基礎(chǔ)，分別考慮盾構(gòu)不同施工參數(shù)(土倉(cāng)壓力、注漿量、掘進(jìn)速度)下對(duì)土層與隧道本體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

2 工程概況

2.1 工程介紹

佛莞城際位于珠三角地區(qū)的中南部，線路西起廣佛環(huán)線上的廣州南站，經(jīng)長(zhǎng)隆、官橋、蓮花后過(guò)珠江獅子洋進(jìn)入東莞境內(nèi)，東至穗莞深新塘至洪梅段望洪站相關(guān)工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)，在廣州南線路銜接廣佛環(huán)線，在望洪站與莞惠線銜接貫通。其由長(zhǎng)隆站向兩邊始發(fā)，在番禺大道站大里程實(shí)現(xiàn)二次始發(fā)，均由明挖段吊出(見(jiàn)圖1)。

長(zhǎng)隆隧道盾構(gòu)區(qū)間DK0＋225～DK4＋840段長(zhǎng)度4 615 m、DK5＋375～DK9＋345段長(zhǎng)度3 970 m、DK9＋615～DK10＋370段長(zhǎng)度755 m，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑8.85 m。管片外直徑8.5 m，管片厚度0.4 m。管片外和土體之間環(huán)形空隙采用同步注漿及二次注漿充填。

圖1 佛莞城際線線路圖

2.2 地質(zhì)條件

本工程擬建場(chǎng)地為丘坡地貌，地勢(shì)相對(duì)開(kāi)闊、平坦，多為旱地及村莊。穿越的土層主要為第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土，褐黃、褐紅色，可塑，成分主要以黏粒為主，粉粒次之，黏性一般；震旦系全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，褐黃色，褐紅色，巖芯呈土狀，原巖結(jié)構(gòu)可辯，手捏易散，浸水易軟化、崩解，局部夾少量強(qiáng)風(fēng)化碎石；中風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，淺灰～灰色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈柱狀，巖質(zhì)硬，場(chǎng)地范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。根據(jù)地勘報(bào)告，其相應(yīng)的土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 穿越地層的物理力學(xué)性質(zhì)

3 有限元模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際隧道空間曲線形狀以及土層分布的非均勻性，建立土層和待開(kāi)挖隧道的空間幾何有限元模型。在綜合分析計(jì)算效率和實(shí)際隧道開(kāi)挖的最大影響范圍的基礎(chǔ)上，將整條隧道分成若干段進(jìn)行重點(diǎn)分析。

所建立的模型基本尺寸為:深度方向(Y向)58.2 m，沿在建隧道方向(Z方向)300環(huán)，垂直在建隧道方向115.5 m(X向)。按照實(shí)際環(huán)寬度，建立每環(huán)的詳細(xì)模型，模擬一環(huán)一環(huán)的實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程。盾構(gòu)管片外徑8.5m、內(nèi)徑7.7 m，環(huán)寬1.6 m，管片厚0.4 m。以實(shí)際開(kāi)挖一環(huán)作為一個(gè)載荷進(jìn)行迭代計(jì)算。有限元網(wǎng)格如圖2所示。各土層的物理力學(xué)參數(shù)取值與實(shí)際相同。

圖2 三維彈塑性有限元計(jì)算模型

4 有限元結(jié)果分析與實(shí)測(cè)驗(yàn)證

本次計(jì)算中，分別提取第200環(huán)上方橫向地表位置、隧道正上方縱向地表位置、監(jiān)測(cè)環(huán)(100環(huán)、200環(huán)及300環(huán))的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4.1 地表沉降

圖3所示為數(shù)值模型豎向位移云圖。由圖可知，盾構(gòu)開(kāi)挖卸荷與地層損失作用下，隧道結(jié)構(gòu)周?chē)貙訉a(chǎn)生顯著沉降，且隧道結(jié)構(gòu)自身也產(chǎn)生較大變形。由于同步注漿以及二次注漿等地層加固作用，地層變形體現(xiàn)在地表位置處將比隧道周?chē)@著減少。

圖3 數(shù)值模型豎向位移云圖(單位:m)

4.1.1 地表沉降橫向分布

圖4所示為地表沉降橫向分布規(guī)律對(duì)比。從圖中可知，所選取的斷面處(第200環(huán))數(shù)值模擬計(jì)算所得的沉降槽曲線較好地還原了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是在接近于開(kāi)挖隧道位置處的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果吻合較好，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果稍小的原因可能是由于實(shí)際施工中的注漿作用對(duì)抑制地層變形的效果更佳。總體而言，該計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)預(yù)測(cè)開(kāi)挖引起的沉降槽最大值。

圖4 地表沉降橫向分布規(guī)律對(duì)比

4.1.2 地表沉降縱向分布

圖5所示為地表沉降縱向分布規(guī)律對(duì)比。由圖5可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果在規(guī)律上基本一致，數(shù)值上的誤差也控制在可以接受的范圍內(nèi)。沉降最大值出現(xiàn)在靠近盾構(gòu)機(jī)機(jī)尾部分，且當(dāng)遠(yuǎn)離機(jī)尾時(shí)，出現(xiàn)部分反彈現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖5 地表沉降縱向分布規(guī)律對(duì)比

4.2 管片變形

在圖6中，A、B點(diǎn)的豎直向位移反映了整體隧道豎直方向位移Δx；C、D點(diǎn)的水平向位移反映了隧道的水平方向位移Δy。

圖6 地表沉降縱向分布規(guī)律

圖7為監(jiān)測(cè)環(huán)管片變形有限元云圖，圖8為不同監(jiān)測(cè)環(huán)管片(第100環(huán)、第200環(huán)、第300環(huán))相對(duì)變形量曲線圖。從圖7與圖8可知，隧道結(jié)構(gòu)主要以豎直向位移為主。隨著開(kāi)挖面切口的逐漸遠(yuǎn)離，隧道豎直向下的位移也開(kāi)始增加，各監(jiān)測(cè)環(huán)之間的變形規(guī)律相差不大。開(kāi)挖面切口距監(jiān)測(cè)環(huán)位置的變化對(duì)新拼接的管片變形影響不是很大，基本上隨著開(kāi)挖面切口距離增加而增大，但增大趨勢(shì)有所減小，而管片的變形量反而逐漸減少。

圖7 監(jiān)測(cè)環(huán)管片變形有限元云圖

圖8 監(jiān)測(cè)環(huán)管片相對(duì)變形量曲線圖

圖9為監(jiān)測(cè)環(huán)管片變形量實(shí)測(cè)示意圖(實(shí)線為管片理論形態(tài)，虛線為拼裝后的管片實(shí)際變形)?？梢园l(fā)現(xiàn)在該段土-巖復(fù)合地層中，因盾構(gòu)掘進(jìn)引起的管片變形呈明顯的擠壓形態(tài)，管片結(jié)構(gòu)整體處于上浮狀態(tài)，這是由于在上軟下硬地層中，下層硬土對(duì)隧道的抗力相對(duì)上層軟土較大，此時(shí)盾構(gòu)受力處于非平衡狀態(tài)，隧道圍巖的擠壓不可避免造成拼裝管片變形。各監(jiān)測(cè)環(huán)間的變形相差不大，這也與數(shù)值模擬結(jié)果相近。

根據(jù)對(duì)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，可知盾構(gòu)在土-巖復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)關(guān)注管片拼接變形的發(fā)展，尤其應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)縫與縱縫間的相對(duì)變形量，避免出現(xiàn)裂縫引起滲漏等安全隱患。

圖9 監(jiān)測(cè)環(huán)管片變形量實(shí)測(cè)示意圖(單位:mm)

5 不同施工參數(shù)對(duì)地表沉降影響

5.1 土倉(cāng)壓力影響

圖10給出了不同土倉(cāng)壓力下橫向沉降槽、縱向地表沉降的對(duì)比。從圖10可以看出隨著土倉(cāng)壓力的增大，最大隆起值的數(shù)值和增長(zhǎng)速度也隨之加快。0.3 MPa與0.4 MPa最大隆起值之間差距超過(guò)1 cm，而0.2 MPa與0.3 MPa之間差距很小。從數(shù)值上講，土倉(cāng)壓力對(duì)縱向地表沉降的影響更加顯著一些。此外，可以看出，在土-巖復(fù)合地層中，隨著設(shè)定土倉(cāng)壓力的增大，地面最大沉降不斷減小，但地面沉降的變化量很小，土倉(cāng)壓力增大了0.2 MPa，而地面最大沉降只減小了5 mm。

5.2 注漿量影響

圖11給出了不同注漿量下橫向沉降槽、縱向地表沉降對(duì)比。為反映注漿率對(duì)地表沉降的影響，分別取注漿率ψ＝180%、250%和320%三種工況進(jìn)行有限元計(jì)算，實(shí)際工況中采用的注漿量為200%。整理計(jì)算結(jié)果得到地表沉降與注漿率的關(guān)系曲線可知，注漿率對(duì)土體沉降的影響相當(dāng)大，隨著注漿率的增大，最終沉降明顯減少。從變化幅度上來(lái)講，不同注漿量下土-巖復(fù)合地層橫向沉降所受的影響要略大于縱向地表沉降。此外，隨著盾構(gòu)切口的逐漸推進(jìn)，其前方土體的變形逐漸增大，后方土體由于襯砌支護(hù)、注漿作用下沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 不同土倉(cāng)壓力下地表沉降對(duì)比

圖11 不同注漿量下地表沉降對(duì)比

圖12 不同掘進(jìn)速度下地表沉降對(duì)比

5.3 掘進(jìn)速度影響

圖12給出了不同掘進(jìn)速度下橫向沉降槽、縱向地表沉降對(duì)比。為反映推進(jìn)速度對(duì)地面沉降的影響，分別取推進(jìn)速度v為1 cm/min、2 cm/min和3 cm/min三種工況進(jìn)行有限元計(jì)算。由圖可知，盾構(gòu)推進(jìn)速度的增加相當(dāng)于在同樣的時(shí)間內(nèi)盾構(gòu)擾動(dòng)的范圍擴(kuò)大，在地層變形上表現(xiàn)為盾構(gòu)后方變形區(qū)域增大，而前方的隆起區(qū)域同時(shí)受到了限制。推進(jìn)速度對(duì)地表縱向變形曲線的形狀影響較大，隨著推進(jìn)速度的增大，最大隆起量朝遠(yuǎn)離盾構(gòu)的方向移動(dòng)，隆起也明顯減小，沉降略有增大。在盾構(gòu)通過(guò)時(shí)土體沉降的影響比較大，隨著推進(jìn)速度的增大，沉降明顯增加。

6 結(jié)論

本文以佛莞城際鐵路隧道工程為背景，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)盾構(gòu)穿越土-巖復(fù)合地層條件下周?chē)貙优c管片變形規(guī)律進(jìn)行了分析，并討論了考慮盾構(gòu)不同施工參數(shù)(土倉(cāng)壓力、注漿量、掘進(jìn)速度)下對(duì)土層與隧道本體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。主要結(jié)論為:

(1)土倉(cāng)壓力對(duì)橫向沉降槽的影響較小，對(duì)縱向位移曲線的隆起范圍和隆起值影響很大。土倉(cāng)壓力從0.2 MPa增大至0.4 MPa，最大沉降量減小了20.3%，14 m覆土的砂土相應(yīng)的變化量為15.2%；最大隆起值改變量下降了近1/2。

(2)注漿量對(duì)橫向沉降槽寬度影響不大，考慮注漿量從250%增加到320%，最大沉降量減小近50%，縱向隆起值減小了近40%，并且在實(shí)際施工中，注漿量的影響可能會(huì)更大。

(3)推進(jìn)速度對(duì)于橫向沉降槽寬度影響很小，但隨著速度的增大，最大沉降量也有所增大。盾構(gòu)推進(jìn)速度從3 cm/min減小到1 cm/min，最大沉降量改變量幾乎相同，均減小了30%左右。隨著推進(jìn)速度的增加，縱向位移曲線上的最大隆起值朝遠(yuǎn)離切口方向移動(dòng)。