摘 要：砂卵石为散体介质，当盾构在砂卵石地层掘进时极易引起地层失稳进而导致地面沉降。为研究富水砂卵石地层盾构区间施工过程中的地表沉降规律，采用PFC 2D离散元和ABAQUS有限元软件对盾构掘进时砂卵石地层扰动规律及盾构穿越标准段与建筑物段时的地表沉降分布规律分别进行了模拟。研究结果表明：盾构掘进时，掌子面前方出现楔形移动面，松动区内的砂卵石均向此处发生异动；盾构开挖掌子面处的压力相对较小，随着时间不断推移，掌子面前方的砂卵石土体的扰动越来越显著，这是引起掌子面上方土体变形的直接原因；盾构掘进时，左右隧道上方的地表沉降大致呈对称分布，并逐渐聚拢，同时向两翼逐渐变小；根据实际地表沉降监测数据和盾构掘进参数，得到砂卵石地层隧道标准段与下穿建筑物段的总推力、刀盘扭矩、土仓压力、注浆量等盾构掘进参数的控制范围。研究结果可为成都地区砂卵石地层盾构安全施工提供科学依据和理论参考。
关键词：盾构隧道;砂卵石地层;地表沉降;掘进参数;
在一些复杂地层中进行地铁施工时，盾构机切削土体而产生的扰动改变了地层初始应力，使盾构区间一定范围内将产生地表沉降。由于地铁周边环境通常比较复杂，如果掘进参数控制不利，必将引起周边建(构)筑物的沉降变形，严重时甚至会造成地面塌陷、建筑物倒塌等。许多学者对盾构掘进引起的地表沉降规律进行了研究。Peck[1]依托实际工程监测数据，提出了横向地表沉降分布规律公式；O'Reilly等[2]在Peck公式的基础上提出了适用于砂性土和黏性土的地表沉降槽宽度系数公式；方恩权等[3]针对不同地层提出了改进的地面沉降预测公式；李建斌等[4]结合蒙特卡洛策略与有限元模拟进行了地层变形预测。实际工程中，地表沉降量与盾构掘进参数、地质条件之间通常呈现出一种复杂的非线性函数关系，因此，采用BP神经网络[5,6]、支持向量机[7,8]以及蚁群算法[9]等机器学习算法有效地提高了地表沉降的预测精度。砂卵石是一种力学性能极其复杂的地层，颗粒间空隙较大，黏聚力低，盾构掘进时对其具有较大的扰动，因此，地层的自稳性极差。为了掌握砂卵石地层的沉降规律，许多学者依托实际工程对盾构掘进过程进行了有限元模拟[10],分析了盾构掘进参数、地质条件以及隧道埋深对地表沉降分布规律的影响[11],通过建立离散元模型[12]揭示了掌子面失稳机理及沉降发展规律，提出了减小滞后沉降的控制措施[13]以及掘进参数控制范围[14]。虽然对砂卵石地层沉降规律的研究已取得了一定成果，但是针对成都地区富水高漂石含量的砂卵石地层地表沉降规律及盾构参数控制的研究仍存在诸多不足，如适宜掘进参数的选取尚未成熟，引起地层失稳的因素各不相同，数值模拟尚存在一定的局限性等。
本文以成都地铁17号线盾构隧道区间工程为依托，采用PFC 2D离散元模拟分析研究区内盾构掘进对砂卵石的扰动规律，采用ABAQUS有限元模拟分析盾构标准段与穿越建筑物段时的地表沉降分布规律，并将模拟结果与实际监测数据进行比较，分析在砂卵石地层不同掘进区间时的盾构掘进参数控制范围，为砂卵石地层盾构安全施工提供科学依据与理论参考。
1 工程概况成都轨道交通17号线市五医院站～凤溪河站盾构区间全长1 611 m, 采用土压平衡盾构机进行掘进施工，隧道管片外径8.3 m, 内径7.5 m, 管片厚度400 mm, 幅宽1.5 m。区间隧道纵坡坡度为1.0063%,最小平面曲线半径450 m。隧道顶最小埋深约9.5 m, 最大埋深约20 m。盾构从凤溪河站始发，在市五医院站结束。本区间段拟采用两台盾构机进行掘进，为减小左右线盾构机始发到达施工及掘进过程的相互干扰，右线盾构机相对左线盾构机滞后30 d左右始发，并在掘进过程中保证至少60环以上距离。盾构隧道区间走向如图1所示。
图1 盾构区间平面示意 下载原图
区间地层由上至下依次为人工填土、粉细砂及卵石土，盾构隧道穿越地层以饱和密实卵石土为主，卵石成份以花岗岩、灰岩、砂岩为主，磨圆度好，分选性差，60～180 mm的粒径约占75%以上。地层中夹有透镜体砂层及漂石，含量约为6～22%不等，一般长度约210～300 mm, 最大的约700 mm。砂层呈透镜体发育，规律性差，一般厚0～3.5 m。盾构区间地质剖面如图2所示，区间内的漂石、卵石如图3所示，地层参数如表1所示。
图2 盾构区间地质情况示意 下载原图
表1 盾构区间地层基本物理指标 导出到EXCEL
|
地层代号 |
地层名称 |
天然密度g/cm3天然密度g/cm3 |
内摩擦角(°)内摩擦角(°) |
变形模量MPa变形模量ΜΡa |
泊松比μ |
渗透系数m/d渗透系数m/d |
承载力kPa承载力kΡa |
|
1-2 |
人工填土 |
1.90 |
-- |
110 | |||
|
2-5-2 |
粉细砂 |
1.85 |
25 |
11 |
0.30 |
5 |
120 |
|
2-9-1 |
卵石土 |
2.00 |
33 |
25 |
0.32 |
35 |
300 |
|
2-9-2 |
卵石土 |
2.10 |
36 |
30 |
0.30 |
30 |
500 |
|
2-9-3 |
卵石土 |
2.20 |
38 |
50 |
0.25 |
28 |
700 |
图3 盾构区间内卵石与漂石 下载原图
2 砂卵石地层地表沉降机理2.1地层损失机理盾构施工过程中地面沉降的主要原因与掘进引起的地层损失及盾构周围土体受扰动或受剪切破坏而发生再固结有关[15]。而地层损失一般包括掌子面处地层损失、盾构机外周地层损失以及盾尾地层损失3个部分。盾构推进时，当掌子面受到的盾构挤压推力小于水土压力时，掌子面处的土体将向盾构方向移动致使前方土体松动，从而引起地层损失，造成地面沉降，如图4所示。盾构推进过程中，由于盾壳与周围土体的摩擦剪切作用与挤压作用，致使土体发生不同程度的移动，并形成剪切扰动区。此时，盾构姿态的变化将引起掌子面的超挖，导致地层损失而引起地表沉降，如图5所示。当管片从盾尾脱出后，盾壳与地层之间将形成一个滑动面，土层将会因受剪切而发生破坏，当盾构通过此处时，盾壳外周土体会向建筑空隙处移动对深层土体产生扰动，引起地层沉降，如图6所示。
图4 掌子面处地层损失机理示意 下载原图
图5 盾壳外周地层损失机理示意 下载原图
图6 盾尾间隙地层损失机理示意 下载原图
2.2砂卵石地层扰动机理砂卵石地层由于卵石含量高、孔隙大、黏聚力低、地层反应极其灵敏，是一种典型的力学不稳定地层，盾构施工时极易引发土体扰动，进而引起地面沉降。地层中高强度的卵石对盾构刀盘、刀具的磨损亦比较严重，换刀作业时极易引起掌子面处的地层扰动，导致深层土体发生移动。此外，由于砂卵石渗透系数大，当盾尾注浆时，浆液极易窜流，无法有效填充土层，进而影响隧道后期的稳定。根据砂卵石地层的特点、土压盾构施工工艺以及地层扰动理论可知，盾构掘进与卸载、盾壳与壳周土体的摩擦剪切作用使砂卵石地层在纵、横向两个剖面一定范围内的土体因加荷、卸荷以及剪切等力学作用下而发生应力应变的改变，其纵向、横向扰动分区如图7所示。图7(a)中①为刀盘切削、盾构挤压扰动区。
图7 砂卵石地层盾构施工纵、横向扰动分区示意 下载原图
如图7所示，在刀盘切削和盾构挤压扰动区内的土体处于动态变化过程，是砂卵石地层进行盾构掘进过程中的主要扰动区域。在盾构挤压、松弛区内，因刀盘的扰动减弱，土体主要受到盾构挤压而导致土体应力变化，因此，土层扰动并不明显。而在剪切扰动区内，由于盾壳与周围土体的剪切摩擦作用，土体受剪切作用十分明显。当管片脱出后，上部土体因重力作用而产生荷载释放，导致部分土体松动，甚至局部塌落。当盾尾注浆后，由于砂卵石的大孔隙率和高渗透率，浆液非常容易窜流，进而对隧道周围一定范围内的土体产生扰动。
2.3地表沉降规律Peck通过统计分析大量地表沉降数据，提出了地表沉降槽近似呈正态分布曲线，即Peck公式。该理论认为盾构施工引起的地表沉降是在不排水条件下发生的，其沉降槽的体积与地层损失的体积相等。横向地表沉降槽曲线如图8所示，沉降量计算如式(1)～式(3)所示。
Smax=ΔV2πi√ (1)S(x)=Smaxexp(−x22i2) (2)i=Z2π√tan(45°−φ2) (3)Smax=ΔV2πi (1)S(x)=Smaxexp(-x22i2) (2)i=Ζ2πtan(45°-φ2) (3)
图8 横向地表沉降槽曲线 下载原图
式中：S(x)为距隧道中线x处的地面沉降量，mm; Smax为隧道中线处地表最大沉降量，mm; ΔV为隧道掘进单位长度的地层损失体积，m3;i为沉降槽宽度系数；Z为隧道中心深度，m; φ为隧道周围地层土体内摩擦角，(°)。
如图8所示，地面沉降槽宽度B近似于2.5i,反弯点处的沉降量近似于0.61 Smax,最大曲率半径点的沉降量近似于0.22 Smax,而沉陷断面面积约等于2.5i Smax。其中，沉降槽宽度系数i是隧道中心深度Z的近似线性函数，可由式(4)和式(5)计算获得。
黏性土：
i=0.43Z 1.1 (4)
砂性土：
i=0.28Z 0.1 (5)
3 砂卵石地层沉降数值模拟分析3.1离散元模拟分析由于砂卵石地层为散体介质，变形主要源自于内部颗粒介质沿接触面的滑移和转动，或因内部软弱界面的张开与闭合。因此，把砂卵石假定为刚性体相对准确。采用PFC 2D计算软件对盾构掘进引起的砂卵石地层横、纵断面的地层损失进行模拟，建立数值分析模型，由颗粒接触和移动对地层扰动的特点入手，在这一层面上分析盾构施工时引起的地层扰动特点。
根据工程概况，标准段盾构隧道断面离散元模型的基本尺寸：横断面模型长50 m, 高30 m, 纵断面模型长30 m, 高30 m, 拱顶埋深为10 m, 盾构隧道外径为8.3 m, 横断面模型共生成10 077个颗粒，纵断面模型共生成13 604个颗粒。采用Wall单元对盾构隧道管片衬砌进行模拟，按照线性接触刚性计算模型，砂卵石颗粒间的法向、切向接触刚度均设置为107 kN/m, 其摩擦系数取1.0。计算模型模拟了砂卵石在自重下的自然堆积过程，待地层达到平衡状态后开始进行盾构开挖。横断面地层损失按0.5 m地层建筑空隙，纵断面地层损失按0.5 m地层空隙。横、纵断面模型如图9所示。
图9 盾构隧道断面模型 下载原图
对盾构掘进过程中的砂卵石颗粒在横、纵断面上的位移进行模拟，分析因刀盘切削土体致地层损失而引起的土体扰动情况，掘进过程中每个阶段横、纵断面的砂卵石颗粒位移矢量模拟如图10和图11所示。
图10 开挖后横断面各阶段颗粒位移矢量 下载原图
由图10可知，盾构施工过程中卵石土颗粒在重力与颗粒位移重分布的联合影响下，在隧道上方形成了一个近似于三角形的松动区，颗粒沿着此三角形区域边缘发生明显移动。卵石土颗粒在移动过程中形成的拱效应并未使松动区完全发展至地表而引起坍塌，但依然引起了地表一定范围内的沉降。
由图11可知，开挖掘进所引起的地层损失将导致隧道掌子面前方一定范围内产生松动，并且在掌子面前方一定范围内的砂卵石土颗粒均朝着此松动区发生移动。由于拱效应，其地层松动区域并未发展延伸至地表。通过位移模拟结果可知，砂卵石土颗粒自隧道底部延伸至拱顶上方一定范围产生移动，形成明显的楔形面。
图11 开挖后纵断面各阶段颗粒位移矢量 下载原图
由整个盾构在砂卵石地层中掘进的扰动情况来看，初始状态时，盾构开挖掌子面处的压力相对较小，此时前方土体率先因盾构开挖扰动而失稳，土颗粒受扰动后向盾构土仓方向内移动，随着时间不断推移，掌子面前方的砂卵石土体的扰动越来越显著，其位移越来越大，这是引起掌子面上方土体发生较大地层损失的直接原因。从应力情况来看，在初始阶段，盾构掌子面支护压力相对较小，掌子面前方土体率先因扰动而产生应力松弛，并随之形成一个曲面，随着时间的推移，该应力松弛区逐渐向上扩展，范围呈逐渐扩大趋势，砂卵石地层的扰动区也因此不断扩大，最终引起地层损失。
3.2有限元模拟分析为了掌握盾构掘进引起的砂卵石地层地表沉降分布规律，选取标准段和下穿建筑物段的盾构区间为研究对象，采用ABAQUS有限元软件模拟不同掘进阶段隧道横向地表沉降的变化规律。标准段各施工阶段的沉降云图如图12所示。
随着盾构不断地推进，双线隧道的隧道底部会产生一定的隆起，而隧道拱顶部位土体会产生较大的沉降。此沉降会引起地层卵石颗粒的不断位移，进而引起地表沉降。此外，双线隧道的沉降彼此互相影响，沉降区反映了土体松弛范围。如图12所示，此范围随着施工不断推进，呈聚拢状态发展，而由此衍生的地表沉降范围也逐渐增大。对于双线隧道，地表沉降规律呈现出中间大，向两翼逐渐减小的趋势。
图12 标准段盾构区间隧道断面沉降云图 下载原图
当盾构区间周边有建筑物存在时，掘进时地表沉降在一定程度上亦会受到建筑物的影响，因此，对盾构下穿建筑物段各施工阶段的沉降进行有限元模拟，其沉降云图如图13所示。
如图13所示，随着施工阶段的深入，盾构隧道的拱顶沉降呈三角形形状不断增大，而由于盾构区间附近的建筑物增加了隧道上方的荷载；因此，在下穿建筑物时，两个隧道的沉降区迅速向彼此靠拢，并联通，形成一马鞍形沉降区。而盾构隧道底部的隆起区也会随着施工阶段不断进行，呈增大趋势。
3.3与监测数据的比较为了准确反映盾构掘进中的地表沉降规律，选取标准段YDK60 050里程处的盾构隧道断面为对象，绘制该断面处左右线隧道正上方所对应的地表沉降值随施工阶段的变化曲线，并将现场监测数据与模拟数据进行对比，如图14所示。
图13 下穿建筑物群时盾构区间隧道断面沉降云图 下载原图
图14 地表沉降模拟值与监测值对比 下载原图
由图14可知，模拟结果与实测结果地表沉降的大致变化趋势一致且结果相差不大，均随着盾构的开挖施工逐渐变大，而后趋于稳定。稳定后的地表沉降模拟值最大为-13.31 mm, 而实测地表沉降最大值为-12.5 mm, 模拟数值与地表沉降监测值基本吻合。
根据成都轨道交通建设工程监控量测管理办法及相关规范要求，需确定地表沉降、地中位移等控制值，其中，报警值取控制值的2/3,地中位移报警值取控制值的70%,本工程部分监测项目及控制值如表2所示。
表2 监测指标控制值与预警值 导出到EXCEL
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监测指标 |
累计控制值mm累计控制值mm |
报警值mm报警值mm |
变形速率控制值mm⋅d−1控制值mm⋅d-1 |
|
地表沉降(隆起) |
-30( 10) |
-20( 6.7) |
3 |
|
建筑物沉降 |
10 |
6.7 |
1 |
|
管线沉降 |
15 |
10 |
2 |
|
地下水位 |
隧道底部以下1 000 |
— |
— |
|
地中位移 |
根据其深度按地表沉降和拱顶下沉控制值线性内插 |
— |
— |
在实际工程中，为了减小沉降，在穿越砂卵石地层标准段和下穿建筑物段对盾构机掘进参数进行了相应调整，从总体效果来看，满足了监测要求，确保了盾构隧道区间的安全贯通。盾构掘进控制参数如表3所示。
表3 盾构掘进参数值控制范围 导出到EXCEL
|
序号 |
总推力kN总推力kΝ |
刀盘扭矩kN⋅m刀盘扭矩kΝ⋅m |
刀盘转速rpm刀盘转速rpm |
推进速度mm/min推进速度mm/min |
注浆量m3注浆量m3 |
土仓压力MPa土仓压力ΜΡa |
|
穿越建筑物群段 |
19 000～41 000 |
8 000～23 000 |
1.3～1.5 |
50～80 |
6～13 |
0.8～6.2 |
|
标准段 |
20 000～35 000 |
9 000～13 000 |
1.5～1.8 |
50～80 |
10～13 |
0.7～1.3 |
(1)通过PFC 2D离散元模拟分析，在隧道上方形成的松动区域近似于倒三角形，掘进过程中，砂卵石土颗粒自隧道底部延伸至拱顶上方一定范围内产生移动，形成明显的楔形移动面。隧道掌子面前方一定区域内也会有松动区产生，盾构掘进时前方土体率先因盾构开挖扰动而失稳，砂卵石颗粒受扰动后向盾构土仓方向移动；同时，在该范围内的砂卵石颗粒均朝着此松动区发生移动。随着时间不断推移，掌子面前方的砂卵石土体的扰动越来越显著，其位移越来越大，这是引起掌子面上方土体发生较大地层损失的直接原因。
(2)通过ABAQUS有限元软件对标准段与下穿建筑段盾构在不同施工阶段掘进过程中所引起的地表沉降规律可知，随着隧道的开挖，左右线隧道两侧的地表沉降值大致呈对称分布。随着施工阶段的不断推进，逐渐呈聚拢状态发展，而由此衍生的地表沉降范围也逐渐增大。对于双线隧道，地表沉降规律呈现出中间较大，并向两翼逐渐减小的趋势。
(3)在砂卵石地层中进行盾构掘进需根据区间内的实际情况调整掘进参数。本工程中，标准段盾构掘进的总推力范围为20 000～35 000 kN,刀盘扭矩范围为9 000～13 000 kN·m; 刀盘转速1.5～1.8 rpm; 推进速度50～80 mm/min; 注浆量为10～13 m3;土仓压力0.7～1.3 MPa。下穿建筑物时，总推力范围为19 000～41 000 kN,刀盘扭矩范围为8 000～23 000 kN·m; 刀盘转速1.3～1.5 rpm; 推进速度50～80 mm/min; 注浆量为6～13 m3;土仓压力0.8～6.2 MPa。
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