葛存源，席培勝，2，穆 琳，胡彩云

(1. 安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601; 2. 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601)

隨著城市快速發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程加快，交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速，地鐵由于污染小、容量大、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)成為公眾首選[1]。張治國(guó)[2]使用通過(guò)Laplace并結(jié)合復(fù)變函數(shù)的相關(guān)理論，闡明了開(kāi)挖時(shí)四周土體變形的機(jī)理。年吳昌勝[3]研究了大直徑盾構(gòu)施工過(guò)程中造成的地層變形，闡述在采用大直徑盾構(gòu)隧道施工時(shí)所造成地層變形的規(guī)律。葉飛[4]研究了同步注漿對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生的影響，導(dǎo)出了引起地表變形的計(jì)算公式，并分析出了同步注漿過(guò)程中造成地表變形的一系列影響因素。

本文以合肥地鐵1號(hào)線為背景，深入分析合肥地鐵沿線工程地質(zhì)特征，以及合肥地鐵盾構(gòu)施工引起地層變形的影響因素、作用機(jī)理及一般分布規(guī)律；用巖土數(shù)值模擬軟Midas-Gts系統(tǒng)分析合肥地鐵沿線盾構(gòu)施工引起地層變形影響因素敏感性程度大小，并在此基礎(chǔ)上提出應(yīng)對(duì)措施。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

合肥市軌道交通1號(hào)線三期工程在1號(hào)線北段，線路北從新站區(qū)天水路站開(kāi)始向南進(jìn)行建設(shè)施工，在北二環(huán)路轉(zhuǎn)向東，然后與一期工程起點(diǎn)合肥火車(chē)站連接。如圖1所示。

圖1 工程線路

1.2 地質(zhì)條件

合肥地鐵軌道1號(hào)線所經(jīng)過(guò)地區(qū)內(nèi)巖體主要為碎屑巖建造，沿線基巖埋深總體為北淺南深。地層自上而下表述如下。

1) 人工填土層：褐黃色，稍密，層厚1.5～4.0 m。

2) 第四系全新世沖洪積層：褐黃色，層厚1.2～5.9 m，壓縮模量4.83～21.29 MPa，平均18.5 MPa，天然快剪建議值c=14 kPa，φ=13°。

3) 第四系晚更新世沖洪積層：①黏土②層：褐黃色，硬塑，壓縮模量14.54～25.5 MPa，天然快剪建議值c=20 kPa，φ=15°；②粉質(zhì)黏土層：褐黃色，硬塑，壓縮模量19.1～38.39 MPa，平均29 MPa，天然快剪建議值：c=31 kPa，φ=21°，層厚13.7～31.1 m。

4) 白堊系基巖，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層：棕紅色，巖體破碎，屬極軟巖，巖芯基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

2 地層變形數(shù)值分析

2.1 基本假設(shè)

為了使得盾構(gòu)開(kāi)挖施工過(guò)程更加合理，進(jìn)行以下假定：

1) 假設(shè)土是各向同性的彈塑性體，土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型；

2) 忽略地下水的影響，同時(shí)不考慮時(shí)間作用；

3) 考慮巖土體的自重影響。

2.2 模型中所用地層和材料參數(shù)

天水路站至合肥火車(chē)站區(qū)間內(nèi)盾構(gòu)隧道穿越的土層主要為黏土②層，自上而下分別為雜填土、黏土①、黏土②、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化。地層和材料參數(shù)分別見(jiàn)表1～2。

表1 模型計(jì)算所用的地層參數(shù)

表2 模型中所用的材料參數(shù)

2.3 模型計(jì)算邊界及網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)模擬對(duì)象為瑤海公園站至合肥站盾構(gòu)隧道，根據(jù)工程地質(zhì)條件以及隧道的隱藏深度和環(huán)境等一系列因素，建立的計(jì)算模型中巖土尺寸為45 m×30 m×30 m；x軸方向?yàn)樗淼澜缑娴乃椒较?，隧道的長(zhǎng)度為30 m；z軸負(fù)向?yàn)橹亓Ψ较?，巖土厚度為30 m，y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道方向，每級(jí)長(zhǎng)度為1.5 m。模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型

2.4 結(jié)果分析

通過(guò)有限元Midas-Gts對(duì)瑤海公園站—合肥火車(chē)站區(qū)間盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬[5]，第5步地層位移云圖如圖3。

圖3 開(kāi)挖第5步地層位移云圖(單位：m)

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖時(shí)，隧道四周土體的位移呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，土體沉降深度的增加將導(dǎo)致土體位移的增加。變形與土體和襯砌結(jié)構(gòu)之間的距離呈現(xiàn)出反比的關(guān)系。選取3個(gè)不同的施工斷面將數(shù)值模擬豎向深度沉降曲線與peck經(jīng)驗(yàn)擬合沉降曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖4所示。

由圖4可知：斷面地表沉降結(jié)果符合Peak沉降曲線的特征，當(dāng)y=15 m時(shí)中心點(diǎn)的最大沉降量為12.36 mm；隧道豎向位移最大值發(fā)生在中心位置。模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)擬合沉降存在偏差，但在整體變形上保持一致，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果是可行的，能夠較好地預(yù)測(cè)地表沉降。由于模擬狀態(tài)相對(duì)較理想化，未考慮地層的變化，實(shí)際沉降值會(huì)有一定誤差，但總體的地層變化趨勢(shì)可以反映實(shí)際工程問(wèn)題。

(a) 開(kāi)挖第1步

(b) 開(kāi)挖第5步

(c) 開(kāi)挖第10步圖4 不同斷面豎向深度與peck經(jīng)驗(yàn)擬合沉降 曲線對(duì)比

3 地層變形對(duì)策管控

在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工的過(guò)程中，由于出土量、掘進(jìn)速度以及土倉(cāng)壓力等的不同，對(duì)施工過(guò)程中地層的變形也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)法隧道施工沉降影響的分析，本文從同步注漿、土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度和出渣量方面對(duì)盾構(gòu)法引起的地層變形進(jìn)行控制。

3.1 同步注漿

在盾構(gòu)施工中，注漿壓力是控制漿液流動(dòng)的重要因素，所以在注漿時(shí)一定要保證注漿壓力適當(dāng)[6]。當(dāng)注漿壓力不夠時(shí)，會(huì)造成空隙無(wú)法被完全填充，從而造成地表沉降量增加；當(dāng)注漿壓力過(guò)大時(shí)，會(huì)使四周土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而造成隧道本身和地層產(chǎn)生位移，且易發(fā)生跑漿。在此區(qū)間中，注漿壓力為0.3～0.4 MPa。

注漿量是導(dǎo)致地表沉降的重要因素，因此可以通過(guò)合理地控制注漿量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降的控制。一般情況下，注漿量的多少用填充率來(lái)表達(dá)，填充率是指注漿的體積與建筑空隙體積的比值。只有當(dāng)漿液體積與建筑空隙相等時(shí)，才可以視為注漿量恰好可以填充滿(mǎn)空隙；但注漿時(shí)容易出現(xiàn)跑漿、超挖以及凝固時(shí)發(fā)生體積收縮，因此在實(shí)際工程施工中，填充率都會(huì)按照大于100%進(jìn)行施工。當(dāng)同步注漿完成后如果空隙沒(méi)有被很好地填充，或者漿液硬化后有較大的收縮時(shí)，仍然需要進(jìn)行二次注漿。在天水路站至合肥站盾構(gòu)區(qū)間漿液固結(jié)收縮率小于5%，填充率為理論填充率的2倍左右。

由于在實(shí)際工程施工中存在漿液滲透、跑漿漏漿等一系列現(xiàn)象，所以會(huì)根據(jù)工程的實(shí)際施工過(guò)程來(lái)調(diào)整注漿量，實(shí)際注漿量往往會(huì)大于理論注漿量。根據(jù)本區(qū)間內(nèi)的工程地質(zhì)條件，通常情況下，實(shí)際注漿量一般為理論注漿的1.3～1.8倍，并且需要結(jié)合實(shí)際工程中的地表沉降監(jiān)測(cè)反饋信息來(lái)對(duì)注漿量進(jìn)行合理的調(diào)整。實(shí)際注漿量為

Q=λ×V，

式中：λ為注漿率(一般取1.3～1.8)；V為盾尾建筑空隙體積；D為刀盤(pán)直徑；d為管片外徑；L為每環(huán)管片寬度(1.5 m)。

則V=π×(39.69-36)÷4×1.5=1.38 m3，計(jì)算得注漿量為Q=1.7～2.5 m3/環(huán)。

3.2 土倉(cāng)壓力

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力P值與靜水壓力地層土壓力之和應(yīng)為相對(duì)穩(wěn)定，設(shè)靜水壓力之和為P0[7]，有

P=k×P0，

P0=γ×h，

式中：k為土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù)(通常情況下取1.0～1.3)：γ為土體的平均重度；h為刀盤(pán)中心距離地表的高度。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)整機(jī)全部進(jìn)入土體時(shí)，開(kāi)始設(shè)立土倉(cāng)壓力，由計(jì)算結(jié)果可知，土倉(cāng)壓力設(shè)定為：0.12 MPa；在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的過(guò)程中，壓力設(shè)定為0.14～0.20 MPa。在實(shí)際工程施工中，可以通過(guò)即時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)土量與出土量，來(lái)平衡土倉(cāng)內(nèi)的進(jìn)土量與出土量，從而使得土倉(cāng)壓力保持穩(wěn)定[8]。

3.3 推進(jìn)速度

推進(jìn)力的選定和掘進(jìn)速度[9]的選擇以保持土倉(cāng)壓力為目的，使盾構(gòu)掌子面在側(cè)向壓力的作用下掌子面地層不會(huì)發(fā)生塌陷。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)速度應(yīng)保持低速、勻速掘進(jìn)，一般選擇在15～25 mm/min區(qū)間內(nèi)，正常段掘進(jìn)速度一般保持在45～75 mm/min區(qū)間內(nèi)[10]。出土量影響著地表隆沉情況，所以控制出土量也可以達(dá)到使隧道上方土體保持穩(wěn)定的目的。

3.4 出渣量

海瑞克S217盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)每一環(huán)理論出土量為

式中：V′為每環(huán)開(kāi)挖量；D′為盾尾外徑。

則

V′=π/4×D′2×L=3.14/4×39.69×1.5=46.37 m3.

盾構(gòu)機(jī)實(shí)際出土量保持在97%～103%區(qū)間內(nèi)，實(shí)際工程中1環(huán)出土量為44.91～47.69 m3；如果工程中出現(xiàn)1環(huán)的出土量小于44.91 m3的現(xiàn)象，那么下一步掘進(jìn)則需要合理降低土壓，還需要對(duì)地表起伏進(jìn)行觀測(cè)；如果工程中出現(xiàn)1環(huán)實(shí)際出土量大于 47.69 m3的現(xiàn)象，那么則應(yīng)該馬上停止出渣，然后關(guān)閉螺旋機(jī)，并且還需要注意監(jiān)控地表的沉降情況，當(dāng)?shù)乇沓两盗窟_(dá)到預(yù)警值時(shí)，則需要給土倉(cāng)壓力加壓，來(lái)減少地表的沉降量。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)不同斷面數(shù)值模擬沉降曲線隨著開(kāi)挖面積的推進(jìn)，該場(chǎng)地的沉降速率將逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬位移云圖和不同斷面數(shù)值模擬沉降曲線得出，盾構(gòu)施工時(shí)在沒(méi)有到達(dá)影響區(qū)時(shí)地表沉降的變化十分小，但當(dāng)開(kāi)挖場(chǎng)地通過(guò)盾構(gòu)時(shí)，沉降值會(huì)突然發(fā)生變化。一段時(shí)間過(guò)后趨于穩(wěn)定。

3) 通過(guò)數(shù)值模擬位移云圖得出，完成盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后，隧道四周土體向內(nèi)有變形趨勢(shì)，土體產(chǎn)生變形，且變形向四周擴(kuò)散，變形會(huì)逐步向上傳遞至地表，從而導(dǎo)致隧道正上方地表沉降。

4) 根據(jù)合肥軌道交通1號(hào)線三期工程地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，建議了控制地表沉降的同步注漿量、土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度和出渣量4種參數(shù)的設(shè)定規(guī)律。