蔡兵華，崔德山，馮曉臘，李忠超

( 1.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430742；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

小型盾構(gòu)施工法是目前電力隧道施工的主要工法，在武漢綜合管廊建設(shè)中占據(jù)主要地位。但對(duì)于復(fù)合地層，特別是上面是紅黏土、下面是巖溶區(qū)的復(fù)合地層，小型盾構(gòu)施工中不可避免地會(huì)對(duì)巖土層產(chǎn)生擾動(dòng)，從而引起地面沉降和土層自重應(yīng)力的重分布，對(duì)隧道周邊的道路、高架橋和居民樓均產(chǎn)生不利的影響[1-3]。在復(fù)合地層盾構(gòu)施工方面，Clough等[4]研究了土壓平衡盾構(gòu)施工方法，發(fā)現(xiàn)向復(fù)合地層中的砂層注漿可減小地面變形；李杰等[5]通過正交試驗(yàn)確定了復(fù)合地層盾構(gòu)施工中泡沫對(duì)刀盤扭矩的參數(shù)；宋天田等[6]在分析復(fù)合地層中刀具磨損的基礎(chǔ)上,提出了混合刀盤設(shè)計(jì)方法，這些研究均有助于減小盾構(gòu)施工對(duì)復(fù)合地層的擾動(dòng),從而減小盾構(gòu)施工對(duì)地表變形的影響。在復(fù)合地層盾構(gòu)施工引起的地面沉降方面，Lee等[7]采用彈塑性模型對(duì)軟土開挖引起的地面沉降量進(jìn)行了三維有限元計(jì)算；Rowe等[8-9]采用數(shù)值方法和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)隧道施工過程中的地面沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)；傅鶴林等[10]揭示了復(fù)合地層中淺埋盾構(gòu)隧道開挖引起的地層位移和應(yīng)力分布；劉聯(lián)偉[11]研究了復(fù)合地層中盾構(gòu)法施工引起的地面沉降規(guī)律；Cattoni等[12]采用二維有限元方法模擬了盾構(gòu)隧道開挖速度、軟土固結(jié)速度和水力邊界條件下地表的變形；Liu等[13]對(duì)地鐵盾構(gòu)施工引起的地面沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，并對(duì)沉降參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工引起的地面沉降開展了大量的研究，但尚缺乏對(duì)巖溶地區(qū)復(fù)合地層盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律的研究。為此，本文在查明復(fù)合地層結(jié)構(gòu)、揭示溶洞發(fā)育規(guī)律及其與電力隧道聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，得出巖溶區(qū)復(fù)合地層小型盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律，為控制巖溶區(qū)復(fù)合地層小型盾構(gòu)施工地表變形提供依據(jù)。

1 工程概況

本次選取武漢雄楚大道高壓電力隧道項(xiàng)目工程為研究對(duì)象，該隧道工程西起楚平路(K7+320 m)，東至關(guān)山變電站(K11+ 720 m)，隧道直徑為3 m，埋深為8～16 m，線路全長為4 400 m，見圖1。由于雄楚大道有武漢市二環(huán)線高架和BRT快速車道，為了不影響地表交通，本工程項(xiàng)目采用中國鐵建重工集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的ZTE3730型小直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑為3 785 mm，管片為3 500 mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑為100 m，爬坡能力達(dá)±35‰，適用于黏土、卵礫石、灰?guī)r等復(fù)合地層。這是湖北省首次采用小直徑微型盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行城市綜合管廊施工，與傳統(tǒng)頂管等其他施工方法相比，施工效率可提高2～3倍以上，且作業(yè)環(huán)境和安全性也可得到極大的改善。

圖1 武漢雄楚大道高壓電力隧道項(xiàng)目工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan of high-voltage power tunnel project in Xiongchu Anenue,Wuhan T1d為三疊系大冶組，薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖；P1g為二疊系孤峰組，硅質(zhì)巖夾硅質(zhì)灰?guī)r；C2c為石炭系船山組，球?；?guī)r； D3w為泥盆五通組，石英砂巖、底部夾礫巖；S2f為志留系墳頭組，灰綠色粉砂巖、頁巖

楚平路至關(guān)山變電站地貌單元屬于長江三級(jí)階地，沿線地勢(shì)開闊，地形起伏不大，地面高程在23.00～45.00 m之間。根據(jù)《武漢市基巖地質(zhì)圖》(1∶50 000)可知，該隧道工程處于新隆-豹子獬復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜區(qū)域內(nèi)，核部為三疊系大冶組灰?guī)r(T1d)，兩翼為志留系—二疊系泥灰?guī)r、灰?guī)r組成，沿線出露地層主要有第四系填土、紅黏土和二疊系泥灰?guī)r、灰?guī)r。該隧道工程沿線無地表水，地下水的類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，鉆孔揭露地下水為上層滯水，基巖裂隙水和巖溶水不發(fā)育，對(duì)本工程無影響。

根據(jù)《武漢雄楚大道電力隧道勘察報(bào)告》，該隧道工程沿線地面以下均存在二疊系泥灰?guī)r和灰?guī)r，基巖面起伏高差約為5.41～17.80 m(見圖2),特別是在N3#～N4#區(qū)間的灰?guī)r中，巖溶較發(fā)育，溶洞見洞率高達(dá)81.1%，最大洞徑達(dá)6 m，平均洞徑約為3.5 m，溶洞為半充填-全充填狀態(tài)，充填物為軟塑-硬塑狀態(tài)的黏性土。因此，在該區(qū)間開展小直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，溶洞的大小、埋深、距隧道底板的距離、充填物等均會(huì)影響地面沉降的大小。根據(jù)《武漢雄楚大道電力隧道勘察報(bào)告》，在該區(qū)間的灰?guī)r中，溶洞高度在(0，1 m]的數(shù)量占總數(shù)的百分比為14%，溶洞高度在(1，3 m]的數(shù)量占總數(shù)的百分比為42%，溶洞高度在(3，6 m]的數(shù)量占總數(shù)的百分比為33%，溶洞高度在6 m以上的數(shù)量占總數(shù)的百分比為11%；溶洞距隧道底板的距離在(0，2 m]的數(shù)量為6個(gè)，占總數(shù)的百分比為7.8%,溶洞距隧道底板的距離在(2，4 m]的數(shù)量為43個(gè)，占總數(shù)的百分比為55.8%,溶洞距隧道底板的距離在(4，6 m]的數(shù)量為6個(gè)，占總數(shù)的百分比為7.8%,溶洞距隧道底板的距離在(6，8 m]的數(shù)量為11個(gè)，占總數(shù)的百分比為14.3%,溶洞距隧道底板的距離在(8，10 m]的數(shù)量為4個(gè)，占總數(shù)的百分比為5.2%,溶洞距隧道底板的距離大于10 m的數(shù)量為7個(gè)，占總數(shù)的百分比為9.1%。

圖2 武漢雄楚大道高壓電力隧道項(xiàng)目工程鉆孔剖面圖Fig.2 Boring cross section of high-voltage power tunnel project in Xiongchu Avenue,Wuhan注：N為巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)貫入原位測(cè)試中錘擊數(shù)。

2 復(fù)合地層小型盾構(gòu)施工引起的地面沉降的數(shù)值模擬

根據(jù)《武漢雄楚大道電力隧道勘察報(bào)告》和設(shè)計(jì)文件，在N3#～N4#區(qū)間的地層主要為填土、紅黏土、含礫黏土、灰?guī)r等。為了研究復(fù)合地層小型盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降，本文采用有限元軟件Abaqus對(duì)不同工況組合進(jìn)行了數(shù)值模擬。本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸為40 m×30 m，隧道直徑為3 m，隧道埋深取15 m，巖土層和襯砌基本物理力學(xué)參數(shù)的選取，見表1。

巖溶地層的三維地質(zhì)建模較復(fù)雜[14]，本文采用二維模型建模。受地層巖性和裂隙控制，碳酸鹽巖地層中溶洞的發(fā)育極不規(guī)則，在數(shù)值模擬時(shí)，可根據(jù)鉆孔地質(zhì)剖面和溶洞掉鉆記錄，近似將溶洞模擬成圓形且主要位于隧道基準(zhǔn)面以下。本次數(shù)值模擬過程中，假設(shè)各地層為各向同性，符合Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，且不考慮溶洞形成過程即溶洞處于穩(wěn)定狀態(tài)。本次數(shù)值模擬過程分3步：第一步，根據(jù)地層參數(shù)生成模型，并施加初始地應(yīng)力場(chǎng)；第二步，生成不同直徑和不同埋深的溶洞，計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；第三步，開挖隧道并生成襯砌結(jié)構(gòu)，計(jì)算復(fù)合地層小型盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形規(guī)律。

表1 復(fù)合地層的基本物理力學(xué)參數(shù)

2.1 紅黏土和灰?guī)r復(fù)合地層中小型盾構(gòu)施工引起的地面沉降規(guī)律模擬

通過該隧道工程鉆孔剖面圖(見圖2)可知，在K69、K70、K73和K74地段，小型盾構(gòu)施工主要穿越的地層是紅黏土，紅黏土層厚越大，灰?guī)r表面埋深越深，巖層表面距隧道底板深度Z越大。為了揭示不同厚度紅黏土和灰?guī)r復(fù)合地層中小型盾構(gòu)施工引起的地面沉降規(guī)律，假設(shè)復(fù)合地層組合見表2，采用Abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)不同復(fù)合地層組合下小型盾構(gòu)施工引起的地面沉降量進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其模擬結(jié)果見圖3。

表2 典型的復(fù)合地層組合

由圖3可見，紅黏土層厚度越大、灰?guī)r埋深越深的復(fù)合地層中，小型盾構(gòu)施工引起的地面沉降越大，地面最大沉降量可達(dá)2.68 mm[圖3(a)]對(duì)周邊建筑物的影響也最大；紅黏土層厚度越小、灰?guī)r埋深越淺的復(fù)合地層，小型盾構(gòu)施工引起的地面沉降越小，地面最大沉降量為1.42 mm[圖3(c)]；當(dāng)隧道中心正好處于紅黏土與灰?guī)r的分界面時(shí)，地面最大沉降量可達(dá)1.97 mm，這主要是因?yàn)榧t黏土具有較高的塑性，當(dāng)開挖形成隧洞后，在自重應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，從而引起較大的地面沉降，而灰?guī)r強(qiáng)度和變形模量均較紅黏土高，開挖后，在自重和上覆壓力下產(chǎn)生的地面沉降非常小。

2.2 溶洞直徑大小和埋深對(duì)地面沉降的影響規(guī)律模擬

通過該隧道工程鉆孔剖面圖(見圖2)可知，在K71和K72地段，小型盾構(gòu)施工主要穿越的地層是紅黏土和灰?guī)r復(fù)合地層，此時(shí)溶洞直徑D和溶洞距隧道底板的距離H對(duì)地面沉降的影響較大。本文采用Abaqus數(shù)值模擬軟件，根據(jù)前期勘察統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮隧道底部溶洞直徑D分別為2 m和4 m，溶洞距離隧道底板的距離H分別為2 m、4 m時(shí)，對(duì)不同溶洞直徑大小和埋深對(duì)地面沉降量的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其模擬結(jié)果見圖4、圖5和圖6。

Fig.5 溶洞距隧道底板的距離為6 m時(shí)的地面 沉降云圖Fig.5 Surface subsidence cloud with the karst cave being 6 m away from the tunnel floor

圖6 溶洞直徑大小和埋深對(duì)地面沉降量的影響Fig.6 Influence of size and buried depth of karst cave on surface subsidence

由圖4、圖5和圖6可見，在隧道底板以下，隨著溶洞直徑的增加，地面沉降量最大值增加，橫向影響范圍也在增加；對(duì)于相同直徑的溶洞，其距隧道底板的距離越大，地面沉降量最大值減小，橫向影響范圍增加；當(dāng)溶洞直徑較小時(shí)(洞徑為2 m時(shí))，溶洞距隧道底板的距離超過6 m時(shí)，地面沉降量趨于穩(wěn)定。

3 地面沉降監(jiān)測(cè)

在巖溶區(qū)復(fù)合地層進(jìn)行小型盾構(gòu)施工過程中，要對(duì)附近建筑物地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)[15]。本工程項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)N3#～N4#區(qū)間地面沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，即沿著該電力隧道中心線，每隔5 m布置一個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每天讀取一次地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隧道底板以下有溶洞的情況下地表變形較大。以K72處地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D14-1的地面沉降量監(jiān)測(cè)曲線(見圖7)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小型盾構(gòu)機(jī)在該處施工時(shí)，地面沉降速率較快，且地面沉降量較大；當(dāng)小型盾構(gòu)機(jī)通過該段后，地面沉降量趨于平緩，說明當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)完成后，地表變形逐漸穩(wěn)定。

圖7 D14-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降量監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Monitoring curve of surface subsidence at monitoring point D14-1

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察、監(jiān)測(cè)及室內(nèi)數(shù)值模擬，揭示了武漢巖溶區(qū)復(fù)合地層小型盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

(1) 在巖溶區(qū)復(fù)合地層中進(jìn)行小型盾構(gòu)施工時(shí)，巖層表面距隧道底板的距離越大，地面沉降量越大。這是因?yàn)樯喜客翆拥膲嚎s系數(shù)較大、變形模量較小，當(dāng)開挖后，引起的地表變形較大。

(2) 在巖溶區(qū)復(fù)合地層進(jìn)行小型盾構(gòu)施工時(shí)，隧道底板以下溶洞的直徑越大、溶洞距隧道底板的距離越近，施工引起的地面沉降量越大；

(3) 在巖溶區(qū)復(fù)合地層進(jìn)行小型盾構(gòu)施工時(shí)，當(dāng)溶洞距隧道底板的距離超過6 m后，對(duì)地面沉降的影響趨于穩(wěn)定。因此，在施工前，建議對(duì)隧道底板以下6 m內(nèi)的溶洞進(jìn)行重點(diǎn)處理。