朱建明，劉 麟，任瑞樂，王柳茜，邵 坤，騰長浪

(1.華北科技學(xué)院,北京 101601; 2.蘇州市軌道交通集團有限公司,江蘇 蘇州 215004)

0 引言

長三角地區(qū)屬于濱海相軟土的沉積環(huán)境,該地區(qū)形成的海相軟土具有高壓縮性、低強度和較強的結(jié)構(gòu)性(于偉等[1],2016;駱俊暉等[2],2017)。目前該地區(qū)是我國經(jīng)濟最為發(fā)達的地區(qū),隨著經(jīng)濟實力的提升,城市軌道建設(shè)已成為該地區(qū)城市交通建設(shè)的主要方式,越來越多的地鐵在該地區(qū)開始施工建設(shè),并在地鐵施工中出現(xiàn)了一些嚴(yán)重的施工事故(李皓燃等[3],2017)。如2003年7月1日凌晨,正在施工中的上海軌道交通4號線(浦東南路—南浦大橋)區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生滲水,隨后出現(xiàn)大量流沙涌入,引起地面大幅沉降,導(dǎo)致附近8層樓房發(fā)生傾斜,其主樓裙房部分倒塌。由于發(fā)現(xiàn)報警及時,樓內(nèi)所有人員均已提前撤出,因而沒有人員傷亡,造成直接經(jīng)濟損失1.5億元。2008年11月15日,杭州某大道地鐵工地突然發(fā)生大面積地面塌陷事故,造成地面寬20 m、長75 m、深15 m的塌陷,路面地基下陷6 m,使11輛行駛的車輛墜入坑中。從上述事件可以看出,地鐵事故發(fā)生一方面是由于該地區(qū)軟土發(fā)生滲透而產(chǎn)生塌陷引起的,另一方面則是因為該地區(qū)土層的結(jié)構(gòu)性。地鐵施工破壞了土的結(jié)構(gòu)性,導(dǎo)致土層強度迅速降低,因而土體的不穩(wěn)定性直接導(dǎo)致事故的發(fā)生(高國瑞[4],1980;柯文匯等[5],2016)。由于結(jié)構(gòu)性對軟土穩(wěn)定性的影響,目前國內(nèi)許多學(xué)者開展了室內(nèi)土的結(jié)構(gòu)性實驗研究(蔣明鏡等[6],1997;蔣明鏡等[7],1999;Zhang D M等,2013;汪儒鴻等[8],2018)。

蘇州地區(qū)S1軌道線事故地層遇到的軟土為粉質(zhì)黏土,具有強度低、壓縮性大、結(jié)構(gòu)性明顯的特點,開展對該地區(qū)粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)性的研究對該地區(qū)的地鐵施工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

蘇州市域軌道交通S1號線連接蘇州市區(qū)與昆山市,線路起點與蘇州3號線終點夷亭路站銜接,止于昆山市花橋鎮(zhèn),終點站與上海11號線花橋站換乘。線路連接蘇州工業(yè)園區(qū)、滬寧城際陽澄湖站、昆山主城區(qū)、滬寧城際花橋站、昆山花橋鎮(zhèn)。S1線線路全長41.360 km,均為地下線。設(shè)站28座,其中換乘站5座,平均站間距約1.523 km,最大站間距4.670 km,為陽澄湖南站—漁家燈火站;最小站間距0.923 km,為祖沖之路站—文化藝術(shù)中心站。本文主要根據(jù)蘇州市軌道交通S1號線工程勘察和物探報告結(jié)合室內(nèi)土工試驗,對蘇州市S1線盾構(gòu)施工所遇到的地質(zhì)條件開展分析。圖1為S1線走向示意圖,表1為該地區(qū)的地層統(tǒng)計表,根據(jù)設(shè)計該地鐵區(qū)間施工全部采用盾構(gòu)施工,其施工地層主要位于16.28 m～24.79 m之間,結(jié)合表1,盾構(gòu)施工所遇到的地層主要是粉質(zhì)黏土層,因此本文主要開展對該地層的土層地質(zhì)特征及其室內(nèi)土工實驗研究。

表1 地層統(tǒng)計表

2 土層成因與工程特性分析

2.1 軟土成因分析

GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范是按照物理性質(zhì)進行軟土的判別,即:“天然孔隙比不小于1.0,且天然含水量大于液限的細(xì)粒土應(yīng)判定為軟土”,而國外則常以力學(xué)性質(zhì)作為判別標(biāo)準(zhǔn),即定義不排水抗剪強度低于25 kPa的黏性土為軟土。

根據(jù)地質(zhì)勘探報告,通過對室內(nèi)試驗和原位測試的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后獲得巖土物理力學(xué)統(tǒng)計指標(biāo),見表2。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)表

根據(jù)表2可知,蘇州地區(qū)的軟土以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為主,厚度很大、土質(zhì)軟弱、呈流塑狀態(tài)、強度低、靈敏度高、壓縮性強。屬于第四紀(jì)中期開始,在多次海陸變遷堆積而成的沉積層;其成因?qū)儆诤Ｏ喑练e。根據(jù)先期固結(jié)壓力試驗值,區(qū)間范圍內(nèi)軟土為正常固結(jié)土,具有典型的海相軟土具有的海綿結(jié)構(gòu)和層理結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)性較強,土中顆粒的比表面積很大,土中液相對其工程性質(zhì)影響較大。

2.2 軟土的工程特性分析

1)顏色主要以深色為主,其不均勻系數(shù)Cu為13.67,曲率系數(shù)Cc為2.35,是級配不良的均勻土,其土體粒度主要為細(xì)顆粒,有機質(zhì)含量較高。

2)天然含水量高,天然含水量大于液限。軟土的飽和度均在95%以上,甚至更大。液限值在20%以上,塑性指數(shù)一般為10～18,大多數(shù)在13～15的范圍內(nèi),屬于低液限黏土,具體根據(jù)GB 50021—2001黏性土分類,屬于粉質(zhì)黏土。

3)滲透系數(shù)小,一般小于10-6cm/s數(shù)量級,大部分為10-7cm/s。沉降速度緩慢,固結(jié)完成所需的時間較長,強度不易提高。

4)壓縮性高,基礎(chǔ)沉降大。壓縮系數(shù)α1-2一般在0.5 MPa-1～0.8 MPa-1之間,屬于高壓縮性土,其壓縮性常常隨液限的增大而增大。

3 粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)性的室內(nèi)實驗分析

3.1 現(xiàn)場土樣提取與室內(nèi)試件制備

用取土袋去施工現(xiàn)場盾構(gòu)機的出渣口取5 kg左右的粉質(zhì)黏土,在密封干燥環(huán)境處保存,取土當(dāng)天先做土樣的界限含水率試驗,將塑限、液限算出。剩下的土制成計算好配比的土樣為三軸試驗做準(zhǔn)備。實驗室所采用的制樣模具尺寸按照《土工實驗規(guī)程》中規(guī)定高為8 cm,直徑為3.91 cm,經(jīng)計算試樣的體積為96 cm3,所取蘇州粉質(zhì)黏土的密度為1.82 g/cm3,孔隙比為1.054,需制備出包含三種水泥配比共9組試樣。

3.2 土樣前期處理

將從現(xiàn)場取得的土樣放入烘干箱中,在105 ℃的溫度下烘干水分,待24 h后取出,得到的是堅硬塊狀的土體。用橡膠錘把土塊砸碎,過0.5 mm篩后得到較為細(xì)小的土顆粒。

3.3 室內(nèi)人工結(jié)構(gòu)性土的制備

根據(jù)現(xiàn)有土樣條件進行室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土樣制備,主要包括以下幾個步驟。

3.3.1 添加水泥和食鹽恢復(fù)原狀土的結(jié)構(gòu)性

試驗所使用的膠結(jié)添加劑為普通硅酸鹽水泥,添加的水泥含量依次為水泥與土顆?？傎|(zhì)量比值的0%,1%,2%,5%,還原孔隙則通過在土中添加食用鹽,在后期利用水流來溶解并將其帶出土體,由食用鹽碾碎并過0.5 mm的篩子,放入盆中備用。在試樣中,鹽粒占總質(zhì)量的10%。整體制備過程中,保證土顆粒與水泥質(zhì)量的總和不變,具體人工制備土樣的配比如下:

1)0%水泥含量試樣制樣配比:m土=135.072 g;m水泥=0 g;m鹽=13.5 g。

2)1%水泥含量試樣制樣配比:m土=133.735 g;m水泥=1.34 g;m鹽=13.5 g。

3)2%水泥含量試樣制樣配比:m土=132.423 g;m水泥=2.64 g;m鹽=13.5 g。

4)5%水泥含量試樣制樣配比:m土=128.640 g;m水泥=6.43 g;m鹽=13.5 g。

3.3.2 采用干粉制樣法替代傳統(tǒng)的濕式制樣方法

“干粉制樣法”即將篩好的土樣直接倒入飽和器中進行擊實操作,這種方法的優(yōu)點是能保證土樣中鹽粒的完整度,以免影響后期孔隙的還原程度,并保證干燥的粉末在擊實后不會從飽和器中脫落。具體要求在擊實過程中,按照固定的配比將土、水泥、食鹽放入燒杯中均勻攪拌,以保證水泥與鹽粒的均勻分布。在擊實前先將飽和器底座上放置一片濕濾紙,把所得混合物分多次倒入土壤飽和器中,少量多次擊實,盡量降低由于擊實所帶來的各向異性的干擾,以保證試樣最后的完整性。然后將制作好的干式試樣放至真空飽和器中進行飽和,控制抽氣時間,并在抽氣結(jié)束后將真空飽和器內(nèi)徐徐注入水,在充分飽和后,將試樣放入流水中,利用流水的作用將飽和器中的鹽分帶出試樣,從而保證制作的室內(nèi)土樣符合原狀土的特性。圖2為采用干粉制樣法與傳統(tǒng)濕式的對比效果。

3.4 室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性分析

3.4.1 粉質(zhì)黏土液塑限測定結(jié)果

對現(xiàn)場取得的土樣,按照液塑限測定實驗的要求,得出蘇州展覽路地區(qū)施工地層的粉質(zhì)黏土液塑限測定結(jié)果如表3所示。

表3 施工地段土樣液塑限測定

3.4.2 粉質(zhì)黏土的三軸固結(jié)實驗

根據(jù)現(xiàn)場土體的受力情況,室內(nèi)三軸實驗選擇固結(jié)不排水剪切(CU)實驗。設(shè)定好固結(jié)試驗的參數(shù)后,點擊開始試驗,待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門,再施加豎向壓力,使試樣在不排水的條件下剪切破壞,剪切階段測量的參數(shù)有主應(yīng)力差、軸向變形、孔隙水壓力。記錄上述數(shù)據(jù),并繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線、有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。

3.4.3 粉質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)性分析

為了分析粉質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)性,對其摻入不同水泥量測定土體的參數(shù)c,φ值,見表4。

從不同水泥配比的粉質(zhì)黏土實驗可以看出,隨著水泥量的增加,土的c,φ值隨之增大,土的強度也逐漸增大,同時1%的水泥土摻量與土的原位實驗結(jié)果比較符合。

表4 不同水泥摻量下土的c,φ值變化

3.4.4 不同圍壓下室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)關(guān)系

不同圍壓下(1%水泥配比)σ1-σ3與ε的關(guān)系圖見圖3,從圖3中可看出,土的結(jié)構(gòu)性隨著圍壓的增強,在固結(jié)過程中土?xí)粔好?而且圍壓越高,土的固結(jié)程度就會越高,相應(yīng)的土的先期固結(jié)壓力就會越大。在之后的不排水剪切過程中,隨著試樣的不斷剪切,土體也在不斷地變形。同時相應(yīng)的固結(jié)圍壓越大,其剪切屈服應(yīng)力會越高,土的變形也越不明顯。

4 土層對施工的影響分析

4.1 土層地質(zhì)條件的影響

根據(jù)施工地段的土層地質(zhì)條件分析可知,該地段的土層主要影響有以下幾方面:

1)工程區(qū)表層普遍存在的灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑狀態(tài),夾粉土層,工程性質(zhì)差,易產(chǎn)生較大變形,區(qū)間隧道位于此層中,宜采用注漿等加固方式進行地基土加固;對于黏聚力和側(cè)阻力較大區(qū)土層,在膨潤土基礎(chǔ)上添加泡沫劑;粉土、砂土層易產(chǎn)生涌砂等現(xiàn)象,需引起重視。

2)盾構(gòu)穿越不同土層時易產(chǎn)生不均勻沉降,且導(dǎo)致盾構(gòu)偏離軸線;連接處由于結(jié)構(gòu)及施工方法的不同,也會產(chǎn)生不均勻沉降,需引起重視。

3)施工中應(yīng)針對不同土性選擇有效的加固措施,確保加固體的強度、均勻性及抗?jié)B性;施工位于承壓含水層中,應(yīng)采取相應(yīng)措施;不同土層的凍脹沉陷不同,應(yīng)注意冷凍法加固引起的凍脹融陷問題。

4)重視地下障礙物對盾構(gòu)施工的影響,采取合理措施減小盾構(gòu)引起的周圍建(構(gòu))筑物的影響,并加強檢測。

5)應(yīng)充分考慮蘇州軟土地質(zhì)特點及環(huán)境條件,采取有效的防范措施和監(jiān)測措施,以控制地面沉降和結(jié)構(gòu)不均勻沉降,克服鬧市區(qū)建造地下軌道交通的困難。

4.2 土層對盾構(gòu)施工產(chǎn)生的影響

盾構(gòu)穿越上述地層范圍內(nèi),其土層對盾構(gòu)施工影響分析見表5。

表5 盾構(gòu)施工影響土層分析

4.3 盾構(gòu)施工產(chǎn)生的變形影響分析

1)縱向變形及沉降分析。S1線區(qū)間盾構(gòu)主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中,容易產(chǎn)生較大變形;局部區(qū)域盾構(gòu)穿越粉土、砂土層,與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層沉降量不同。因此在盾構(gòu)時,應(yīng)及時注漿加固,填充盾構(gòu)施工產(chǎn)生的空隙,提高注漿質(zhì)量,減少隧道差異沉降。

盾構(gòu)工作井、中間風(fēng)井及隧道區(qū)間等連接處,也會產(chǎn)生差異沉降。施工中除采用柔性接頭外,環(huán)形鋼筋混凝土保護圈采用摻加合成纖維的混凝土,有助于柔性接頭鋼筋混凝土保護圈避免收縮裂縫。同時盾構(gòu)施工期間應(yīng)重視地面建(構(gòu))筑物及地下管線的變形監(jiān)測。

2)進出洞加固措施。S1線盾構(gòu)進出洞口涉及地層主要有②y淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③3粉土夾粉砂層、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土層,其中②y、⑤1土體強度不滿足要求,需要采取加固措施,且黏性土黏聚力和側(cè)阻力較大,易黏著盾構(gòu)設(shè)備造成堵塞;同時③3粉土夾粉砂層、④2粉砂夾粉土層透水性較強,施工時易造成流砂等事故。

5 結(jié)論

1)蘇州地區(qū)S1軌道線施工遇到的軟土為粉質(zhì)黏土,具有強度低、壓縮性大、結(jié)構(gòu)性明顯的特點。

2)地鐵施工中要注意軟土對施工的影響,注意由于軟土變形而引起的不均勻沉降,防止涌砂等事故發(fā)生。

3)在本次實驗中可以得出此種在試樣中摻入一定含量的水泥及鹽粒的方法在一定程度上可以用來模擬實際工程中的原狀土,而且基于“干粉制樣法”所制人工制備結(jié)構(gòu)性土方法基本可行,在一定的圍壓下也可滿足相應(yīng)的強度,驗證了室內(nèi)人工制備原狀土樣的可行性。得出了蘇州地區(qū)粉質(zhì)黏土室內(nèi)重塑原狀土的最佳配比應(yīng)為1%,為室內(nèi)開展原狀土的實驗確定了配比參數(shù)。

4)提出了該地區(qū)盾構(gòu)施工可能出現(xiàn)的施工問題,為現(xiàn)場施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。