盾构穿越砂层对地表位移影响模型试验研究

王京涛, 程桦,翟红侠,郝英奇, 曹广勇, 王宁青,余平

盾构穿越砂层对地表位移影响模型试验研究

王京涛1, 2, 程桦1,翟红侠1,郝英奇1, 曹广勇1, 王宁青3,余平2

(1. 安徽建筑大学 安徽省建筑结构与地下工程实验室, 安徽 合肥, 230601; 2. 合肥市轨道交通集团有限公司建设分公司, 安徽 合肥, 230601; 3. 铜陵宁青建筑劳务有限公司, 安徽 铜陵, 244000)

隧道盾构施工过程中不可避免遇到砂土地层, 砂土自稳能力差, 掘进时易发生安全事故。通过在砂层中模拟盾构掘进及壁厚注浆, 研究平行隧道在埋深比和净间距不同情况下施工阶段地表位移的变化。研究结果表明, 左线开挖地表沉降曲线符合正态分布形式, 各阶段沉降最大值同土体损失率呈线性关系, 土体损失率不变时, 地表沉降随埋深比增加而减小, 平行隧道右线掘进时, 对既有左线地表上方产生位移影响, 最终沉降槽形状相互交叠。壁后注浆过程中, 埋深比不变时, 位移值随注浆率的增加而变大, 注浆率不变时, 注浆对地表抬升的效果随埋深比增加而降低。

盾构掘进; 模型试验; 地表沉降; 砂土地层; 壁后注浆

隧道盾构施工穿越砂土地层在城市轨道交通建设中较为常见, 由于砂土自稳性差难以形成拱结构, 掘进时引起衬砌周围土体位移, 地层中的土体位移会延伸至地表直至稳定。地表沉降的主要原因是由于盾尾空隙和施工因素造成的地层损失, 若沉降值过大会对周围环境造成安全隐患, 因此对盾构掘进过程中地表位移变化规律的研究尤为重要。

对于盾构施工引起地表位移变化的规律, 国内外学者做过较多研究, Pcck[1]认为土体不排水时地表沉降槽体积与地层损失体积基本相同, 且沉降槽断面形状服从正态分布。郑刚等[2]通过模型试验研究了隧道开挖及注浆情况下地表变形的规律, 研究表明开挖后地表沉降可以用Peck公式预测, 最大沉降值与土体损失率之间呈线性关系。周小文等[3]研究了离心模型试验下隧道开挖时地面沉降槽的形状, 研究表明沉降槽的形状与Peck提出的正态分布曲线吻合。而对于盾构开挖引起土体沉降目前主要通过壁后同步注浆的方式进行沉降控制, 补偿因盾尾空隙造成的地层损失, 如冯宁宁[4]研究了注浆填充率不同情况下地表变形, 研究表明隧道埋深增加使得注浆对地表变形效果降低。

综上所述, 研究主要针对单线隧道盾构施工引起地表变化的规律, 而目前对平行隧道盾构穿越砂层引起地表变化的规律尚缺乏研究。本文以合肥轨道交通5号线工程某平行隧道盾构区间为实例,通过相似原理设计了1g条件下的模型试验(1g = 9.8 N/kg), 研究盾构掘进在左右线水平净间距及埋深比不同情形下引起地表位移的变化规律。

1 模型试验

1.1 试验原理及相似关系

Altaee等[5]研究在1g情况下砂土地层中盾构模型试验, 得出该情况下相似比理论, 本试验以相似原理为基础确定相似参数[6], 确定几何相似比为60。

1.2 基本参数

试验背景为合肥轨道交通5号线工程某区间段, 两平行隧道间水平净距约6 m, 盾构刀盘直径为6.3 m, 衬砌由外径6 m、内径5.4 m的混凝土管片拼装而成。

1.3 盾构模型试验装置

盾构模型试验箱如图1所示, 箱体尺寸为1.5 m × 0.8 m × 0.7 m, 位移传感器固定于横梁上, 隧道模型两头连进出水管埋置于砂层中, 试验箱的钢板、玻璃挡板与砂之间存在摩擦, 但摩擦较小对模型试验的影响可忽略[7]。

图1 盾构模型试验箱

1.4 模型材料

1.4.1 土体材料

试验土体材料选取按国际土力学及岩土工程学会研究结果[8], 试验土层选用标准砂, 通过筛分选取粒径均小于0.85 mm, 干砂粒径累计分布曲线如图2所示。

为保证砂的均匀性, 通过砂雨法进行铺洒, 落砂高度与密度关系如图3所示, 选取落砂的高度为30 cm, 直剪试验得砂的内摩擦角为19.3°, 重度16.06 kN/m3, 原型与模型土体的参数如表1所示。

图2 干砂粒径累计分布曲线

1.4.2 模型试验隧道

隧道模型材质为有机玻璃, 根据相似比制作隧道模型外径= 100 mm、壁厚15 mm, 隧道与外裹橡胶膜间注水体积的变化模拟隧道开挖和注浆的过程, 隧道模型如图4所示, 原型与模型隧道的参数如表2所示。

表1 土层参数表

表2 隧道参数对比表

图4 隧道模型

1.5 平行隧道和监测点布置

首先保持平行隧道间净距为1, 将隧道布置在拱顶埋深为1、2和3的位置, 相当于隧道埋深比/取1、2、3, 再调整平行隧道间净距为2、3, 共进行9组试验。试验主要研究地表位移的变化, 地表位移值通过激光位移传感器读数差值获取, 布设精度为0.07mmHG-C1100型激光传感器, 测点间距如图5所示。

图5 监测点布置图

1.6 试验方法

(1) 排液法模拟隧道开挖。国内外学者对盾构模型试验开挖方法做过较多研究[9], 本次试验采用排液法模拟开挖土体卸载和地层损失的过程[10], 由于隧道模型刚度大, 开挖卸载对地表影响较小, 因此试验中忽略了土体卸载影响, 主要讨论平面位置上盾尾空隙形成地层损失从而引起地表变化的影响。

盾构掘进时产生的盾尾空隙形成地层损失, 通过在隧道和橡胶膜之间排水模拟盾构开挖后土体损失的过程, 根据实际施工时盾尾空隙体积占隧道体积约10%, 计算得出试验中盾尾空隙体积约235.5 ml。因此, 采用排液法模拟掘进过程中未及时同步注浆造成的地层损失, 首先在隧道与橡胶膜间注235.5 ml的水, 再将隧道埋入砂层中, 各阶段排出隧道体积2% (47.1 ml) 的水, 从10%递减至0%相当于土体损失率为10%, 实现左、右线隧道开挖的模拟。

(2) 模拟壁后注浆。实际盾构开挖时衬砌与土体间的建筑空隙通过同步注浆进行填充, 模型试验在隧道和橡胶膜之间注水模拟壁后注浆过程, 试验注浆率为120%～140%, 研究土体损失后注浆阶段地表恢复的情况, 这里所指的注浆率为实际注浆量与理论开挖空隙的比值[11]。

图6 C/D = 3左线开挖各个阶段地表沉降曲线

2 试验结果分析

2.1 左线隧道开挖

(1) 地表沉降曲线拟合分析。为研究左线开挖地表沉降变化规律, 进行了平行隧道间净距为1且埋深比不同情况下试验, 土体损失各个阶段地表沉降值能够通过高斯曲线拟合, 拟合曲线如图6所示, 发现拟合程度较好, 验证了Peck对沉降槽计算的合理性。并且各个阶段沉降槽基本关于隧道中心线= 10对称, 埋深比一定时, 沉降量随土体损失率的增加而变大; 土体损失率一定时, 地表沉降随着埋深比的增加而减小, 原因是由于砂层内部产生了土拱效应[12]。埋深比增加沉降影响到地表的距离近似为4.2、6.4和9.8, 可知开挖对地表影响的范围随着埋深比的增加而变大。

(2) 地表沉降最大值和沉降槽宽度系数变化规律。各个阶段土体损失后最大地表沉降值位于拱顶上方地表处, 图7为不同埋深比时最大地表沉降值随着土体损失率变化曲线, 可见随着埋深比增加沉降速率降低, 最大沉降值与土体损失率之间基本上呈线性关系, 验证了Shahin[13]等对砂土进行盾构开挖时得出最大沉降值与土体损失率之间的关系。

对以上土体损失各个阶段地表沉降曲线求二阶导得到拐点的横坐标, 拐点到隧道中心线的距离即为沉降槽宽度系数。随土体损失率变化曲线如图8所示, 可知埋深比一定时随着土体损失率的增加沉降槽宽度系数略有变小, 土体损失率一定时随着埋深比增加沉降槽宽度系数变大, 使得沉降槽宽度越宽, 此处沉降槽宽度指对地表造成不利影响的距离[14], O'Reilly[15]认为实际工程中沉降槽宽度可以取6, 试验中不同埋深比下对地表绝对影响的距离分别为7.9、6.5和6.9, 较为符合的验证了O'Reilly对沉降槽宽度的取值。

图7 最大地表沉降随土体损失率变化曲线

图8 沉降槽i随土体损失率变化曲线

2.2 右线隧道开挖

(1) 隧道净距不同情况下地表沉降规律。隧道左右线净距不相同时, 左右线分别掘进结束后, 地表沉降曲线如图9, 左右线开挖均会对互相上方地表产生影响, 但随着隧道净间距变大相互间影响逐变小, 且左右线沉降槽逐渐独立, 不同于左线开挖时地表位移及沉降槽宽度变化。

(2) 不同埋深比的地表沉降规律。随着埋深比的增加, 右线开挖结束后形成平行隧道时地表沉降曲线变缓, 但对地表影响的范围变大, 且除叠加部分外, 其余处的地表沉降值随着埋深比的增加均减小。

2.3 左线隧道壁后注浆

(1) 地表位移变化规律分析。盾构掘进同时进行壁后注浆可以有效地控制地层损失, 通过分析国内盾构掘进实例, 表明注浆填充最终使得地层损失率保持在0.2%～3%[16]。本试验通过注水模拟壁后同步注浆过程, 研究注浆率对地表位移的影响, 左线注浆各阶段地表位移变化曲线如图10所示, 可见注浆使得地表抬升, 随埋深比增加, 注浆对地表影响范围变大。

图9 净距1D右线开挖结束地表沉降曲线

图10 C/D = 3左线注浆阶段地表位移曲线

(2) 地表位移最大值变化规律分析。在埋深比不同情况下, 地表位移最大值随着注浆率变化曲线如图11所示, 位移最大值与注浆率呈线性关系, 随着埋深比变大位移速率下降。

图11 地表抬升最大值随注浆率变化曲线

2.4 右线隧道壁后注浆

注浆对地表抬升使得地层损失率减小, 注浆结束后最终地表变化曲线如图12、13所示, 图中包括开挖后地表沉降曲线和注浆地表位移曲线。可见埋深1时注浆120%时, 地表基本恢复最初位置; 埋深2注浆140%时, 沉降恢复70%～80%, 随埋深比增加注浆对地表位移效果减小。

3 结论

本文通过盾构施工模型试验, 研究盾构隧道掘进及壁后注浆地表位移规律, 结论如下:

图12 净距1D地表位移变化对比曲线

图13 净距2D地表位移变化对比曲线

(1) 左线隧道掘进时, 土体损失各阶段地表沉降曲线符合Peck提出的正态分布, 地表沉降最大值同土体损失率基本呈线性关系。地表沉降值随埋深比/的增加而减小, 当隧道埋深一定时, 沉降槽宽度系数随土体损失率增加而变小; 当土体损失率不变时, 沉降槽宽度系数随埋深比的增加而变大, 对地表影响范围变大;

(2) 平行隧道在右线盾构掘进过程中会对既有左线产生影响, 相对于单线掘进时, 使得沉降槽相互交叠, 由单线“V”状变为 “W”状, 并且随着埋深比的增加, 右线开挖结束后地表沉降曲线变缓, 影响范围变大;

(3) 壁后注浆阶段, 在埋深比一定时, 随埋深比增加注浆对地表影响的范围变大, 注浆各阶段最大位移值与注浆率之间呈线性关系, 抬升速率随埋深比的增加而降低。注浆结束后,/= 1时的地表沉降基本上恢复原状, 随着埋深比的增加注浆对地表抬升效果降低。

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Model test study on influence of shield passing through sand layer on surface displacement

Wang Jingtao1, 2, Cheng Hua1, Zhai Hongxia1, Hao Yingqi1, Cao Guangyong1, Wang Ningqing3, Yu Ping2

(1. Anhui Provincial Building Structure and Underground Engineering Laboratory, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2. Hefei Rail Transit Group Co Ltd, Hefei 230601, China; 3.Tongling Ningqing Construction Labor Service Co Ltd, Tongling 244000, China)

In the process of tunnel shield construction, it is inevitable to encounter sand strata, which has poor self-stability and are prone to safety accidents during tunneling. By simulating shield excavation and wall thickness grouting in sand beds, the changes of surface displacement in the construction stage of parallel tunnels under different buried depth ratios and net spacing are studied. The results show that the surface settlement curve of left-line excavation conforms to the normal distribution form, and the maximum settlement at each stage is linear with the soil loss rate. When the soil loss rate is constant, the surface settlement decreases with the increase of buried depth ratio. When the right line of the parallel tunnel is excavated, the displacement above the surface of the existing left line is affected, and the final settlement trough shape overlaps with each other. In the process of grouting after wall, when the buried depth ratio is constant, the displacement value increases with the increase of grouting rate. And when the grouting rate is constant, the effect of grouting on surface uplift decreases with the increase of buried depth ratios.

shield excavation; model test; surface subsidence; sand stratum; grouting after wall

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.01.016

U 455.43

A

1672–6146(2021)01–00075–06

王京涛, wangjingtao@hfgdjt.com。

2020–09–30

合肥市轨道交通科研项目(2014CGFZ3107)。

(责任编校: 张红)