李偉

摘要：為了研究富水軟土地層大直徑盾構(gòu)施工引起的沉降情況，選取杭州地鐵8號線一期工程為研究背景，基于有限差分軟件建立三維數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)隧道施工引起的沉降規(guī)律。大直徑泥水盾構(gòu)施工使得地表橫向沉降量不斷增加，且越靠近隧道中心區(qū)域地表沉降越嚴(yán)重。施工階段的增加也造成了地表縱向沉降的增大，距離施工起始點越遠(yuǎn)，沉降變化量越小。地表至拱頂之間的區(qū)域，整體沉降量不斷增加，而距離地表越遠(yuǎn)、越靠近拱頂區(qū)域盾構(gòu)施工引起的地表沉降變化幅值越大。研究結(jié)果表明：大直徑泥水盾構(gòu)施工會造成施工區(qū)域整體富水軟土地層出現(xiàn)不同程度沉降，其中隧道中心、施工起始點和拱頂區(qū)域施工引起的地表沉降影響最嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：富水地層；盾構(gòu)隧道；有限差分；地表沉降

0? ?引言

近年來，城市地下空間作為城市空間結(jié)構(gòu)的重要組成部分，朝著“網(wǎng)絡(luò)化、立體化、集約化、深層化、綜合化”方向發(fā)展趨勢更加明顯，人民群眾對城市公共地下空間安全性、舒適性等品質(zhì)化需求也日益提高[1-2]。

地鐵作為城市軌道交通中最常見的一種形式，通常采用盾構(gòu)法施工[3]。盾構(gòu)法施工在一些特殊地質(zhì)環(huán)境建設(shè)工程中，尤其在富水軟土地層可達(dá)到較好施工效果。但采用盾構(gòu)機進(jìn)行施工，所有施工行為都在巖土體內(nèi)部完成，難免會引起隧道周圍土體的變形與沉降[4]，一旦沉降情況超過安全警戒線，便會給帶來不可估量的經(jīng)濟損失，并可導(dǎo)致人身安全受到威脅。

近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對地表沉降變化進(jìn)行了大量研究。Peck對隧道開挖引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并假定地表沉降曲線符合正態(tài)分布，提出了著名的Peck公式。O'Reilly等[5]根據(jù)大量工程經(jīng)驗，認(rèn)為i和隧道埋深H之間存在簡單的線性關(guān)系，即i=kH。文獻(xiàn)[6-7]采用統(tǒng)一土體移動模型，分析隧道施工引起的不同方向的土體變形情況，再結(jié)合土體水平位移計算公式，得出施工引起的具體沉降變化值。但是該研究結(jié)果不夠精準(zhǔn)。

王睿[8]針對目標(biāo)盾構(gòu)隧道施工區(qū)域，布置多個監(jiān)測點，分別獲取現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)合隧道尺寸、地質(zhì)條件等多方面影響因素，獲取未來地表沉降預(yù)測結(jié)果。但該方法的沉降研究時間成本較高。

魏綱[9-10]采用太沙基一維固結(jié)理論，得到地面工后固結(jié)沉降的理論計算公式。但當(dāng)隧道埋深較大時，可能產(chǎn)生土拱效應(yīng)。胡達(dá)、馬乾瑛等[11-12]在分析盾構(gòu)施工引起的土拱效應(yīng)的前提下，明確施工進(jìn)程與地表沉降量之間的關(guān)聯(lián)性。再結(jié)合隧道收斂面積、隧道埋深等施工參數(shù)，得出地表沉浸計算值。該方法基于彈性假設(shè)，簡化了復(fù)雜土層的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但未考慮地下水等因素的影響，因此應(yīng)用存在較大局限性。

基于上述分析，本文以富水軟土地層為研究重點，針對杭州市單洞雙線盾構(gòu)地鐵隧道施工工程，運用數(shù)值模擬分析軟件，模擬大直徑泥水盾構(gòu)施工過程，研究施工引起的地表沉降變化情況。

1? ?Peck公式修正系數(shù)

Peck經(jīng)驗公式作為預(yù)測地表沉降最常用的公式在實際工程中被廣泛運用。然而，該公式是基于早期有限的盾構(gòu)隧道實測數(shù)據(jù)而得到的經(jīng)驗公式，特別是對于復(fù)雜地質(zhì)條件和不同施工方案等因素引起的盾構(gòu)施工地表沉降，直接用來預(yù)測沉降值會存在一定的誤差。

截止目前，大量學(xué)者結(jié)合不同地區(qū)的盾構(gòu)隧道施工對其適用性進(jìn)行了修正，即引入地表最大沉降量的修正系數(shù)α和沉降槽寬度修正系數(shù)β來定義地表沉降曲線的形狀。修正后的Peck公式如下：

式中：x為離隧道中心線的水平距離；Smax為隧道上方沉降最大值；Vloss為施工引起的地層損失；i為沉降槽寬度。

部分學(xué)者對這兩個修正系數(shù)，通常采用大量工程實測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，并通過將修正Peck公式取對數(shù)函數(shù)的方法，將分散點進(jìn)行線性擬合找到α和β之間的關(guān)系，以此得到修正系數(shù)區(qū)間的大小，隨后取合適值來預(yù)測地表沉降值。

雖然該種方法能夠得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測模型，但在某些情況下缺少適合特定工程的以往實測數(shù)據(jù)。與此同時，O'Reilly等對沉降槽寬度的取值并沒有考慮到隧道直徑這一因素。為了簡化修正系數(shù)的取值，本文通過直接建立沉降槽寬度修正系數(shù)β與埋深比之間的關(guān)系來確定其大小。計算關(guān)系式如下：

式中：n為埋深比系數(shù)，H為隧道埋深，D為隧道外徑。由于盾尾注漿的影響，實際地層損失率難以精確計算，對于最大沉降量的修正系數(shù)α本文仍然取1。

為了得到n的大小，本文將3個工程案例的實測結(jié)果與修正Peck公式進(jìn)行比對分析，案列一[13]、案列二[14]和案列三[15]的詳情可參考具體文獻(xiàn)，對比結(jié)果如圖1所示。當(dāng)n的取值區(qū)間為[0.70，0.80]時，實測結(jié)果與Peck修正公式擬合程度較高，因此本文推薦埋深比系數(shù)n取0.75較為合適。

2? ?工程概況

本文以杭州地鐵8號線一期工程為研究對象，其施工區(qū)域跨越了下沙和大江東兩個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)機進(jìn)行施工，起始和終止里程分別為K2+196.000、K5+702.550，隧道全長為3466.1m，埋深9.5～36.5m，最大坡度26.73‰，最小曲線半徑800m。區(qū)間段平面圖如圖2所示。

區(qū)間先后下穿錢塘江施工段和北岸海塘施工段，長度分別為2090m和50m，并下穿南岸海塘施工段，長度為30m。區(qū)間隧道盾構(gòu)機開挖直徑為11.7m，管片外徑為11.3m，內(nèi)徑10.3m，壁厚500mm，每環(huán)寬2m。盾構(gòu)機施工參數(shù)如表1所示。隧道斷面地質(zhì)狀況如圖3所示。

為保證富水軟土地層大直徑泥水盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行，需在施工區(qū)間中部建設(shè)一座水泵房，并從施工起點開始共布置14道防護(hù)門，相鄰防護(hù)門之間的距離小于230m。本區(qū)間隧道下穿兩段重點區(qū)域，分別是錢塘江北岸下沙段標(biāo)準(zhǔn)海塘、錢塘江南岸蕭圍西線海塘，起止里程分別為DK2+630～DK2+680、DK4+770～DK4+800，區(qū)間段各地層的土體參數(shù)如表2所示。

3? ?三維數(shù)值模型

3.1? ?模型參數(shù)

本文采用FLAC 3D有限差分軟件，針對目標(biāo)盾構(gòu)施工段建立三維數(shù)值模型，如圖4所示。模型長50m，寬32m，高45m，其中模型底部邊界采用固定約束，側(cè)面邊界均采用水平法向約束。本文假定如下：土層水平且為各向同性，土體視為理想彈塑性體，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。管片采用彈性本構(gòu)模型，管片材料為C55高性能混凝土，混凝土抗?jié)B等級P12，管片視為均質(zhì)圓環(huán)，不考慮橫、縱向螺栓的影響。不考慮開挖面地下水滲流對沉降的影響。

該區(qū)段屬于穿江盾構(gòu)隧道，根據(jù)地勘報告取江面水位線高3.5m，各土層參數(shù)如表2所示，圖5展示了隧道與地質(zhì)剖面的關(guān)系。

針對大直徑盾構(gòu)隧道穿越富水軟土地層，施工過程中需要著重考慮水壓力的影響，水壓力矢量如圖6所示。開挖前地層在自重應(yīng)力下達(dá)到平衡，初始地應(yīng)力如圖7所示。隨后進(jìn)行位移清零并準(zhǔn)備開挖。

3.2? ?測點布置

距離起始開挖面16m處選定15個沉降特征點并進(jìn)行對稱分布，針對橫向沉降進(jìn)行監(jiān)測，測點布置如圖8所示。開挖前后通過A1、B1、C1、D1和E1等5個地表監(jiān)測點，研究地表縱向沉降。拱頂監(jiān)測點與之平行，均位于隧道中線平面內(nèi)，其距初始開挖面的距離分別為4m、8m、16m、20和24m。

4? ?結(jié)果分析

4.1? ?橫向沉降

地表橫向沉降值的變化曲線如圖9所示。從圖9可知，隧道中心線處的沉降值最大，隨著水平距離的增加，地表沉降值在不斷減小，曲線基本呈正態(tài)分布。隨著開挖面的不斷推進(jìn)，各測點沉降值遞增，其中位于中心線的測點沉降值從6.9mm逐漸遞增至11.5m。

本文計算結(jié)果與Peck經(jīng)驗公式相比較為接近，但隨著水平距離的增加誤差不斷增大。原因是該經(jīng)驗公式是基于理想正態(tài)分布函數(shù)曲線而得到，與實際相比具有一定的誤差。實測沉降對比如圖10所示，從圖10可以看出，修正Peck公式結(jié)果與現(xiàn)場實測值相比較為吻合。

4.2? ?縱向沉降

圖11反映了地表沉降值隨不同掘進(jìn)長度的變化規(guī)律。從圖11可以看出，在縱向中心線測點前后4m處的范圍內(nèi)掘進(jìn)時，沉降值的增加速度最快，之后緩慢增加。分析認(rèn)為，開挖面通過測點附近時，地層損失迅速增大，導(dǎo)致地表沉降值的增加，開挖面通過一定距離后對沉降影響較小。

由不同測點間的沉降值對比可知，相同掘進(jìn)距離下，開挖面先通過的測點沉降值更大。其中，掘進(jìn)長度大于10m后測點A1的沉降值偏小。這是由于開挖卸載及管片上浮等原因，導(dǎo)致沉降幅度削減。

不同掘進(jìn)長度下拱頂沉降值的變化曲線如圖12所示。與地表沉降曲線變化規(guī)律類似，拱頂沉降同樣在開挖面通過時增長速度最大，在掘進(jìn)完成后，最大拱頂沉降為15.1mm。相較于地表沉降，拱頂沉降更大，這是因為拱頂沉降直接受到盾尾間隙大小的影響。

5? ?結(jié)束語

本文針對富水軟土地層大直徑盾構(gòu)隧道施工，基于有限差分軟件建立三維數(shù)值模型，分析了隧道開挖引起的沉降變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

隧道埋深比是影響沉降槽寬度修正系數(shù)大小的重要因素，建議埋深比系數(shù)的取值為0.70～0.80之間。地表橫向沉降槽基本呈正態(tài)分布形狀，隨著開挖面的推進(jìn)，沉降值逐漸遞增；隧道中線處沉降值最大，并隨著水平距離的增加而不斷減小，理論與實測結(jié)果較為吻合。地表縱向沉降隨著掘進(jìn)長度的增加不斷增大，在開挖面通過前后4m的范圍內(nèi)沉降速度最快，之后沉降緩慢增加。拱頂縱向沉降規(guī)律與地表類似，但沉降值更大，最大拱頂沉降為15.1mm。距離開挖起始面越遠(yuǎn)，沉降值越低。

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