成都富水砂卵石地层土体颗粒级配特性与强度分析

2021-11-10张延杰龚晓南

地基处理 2021年5期

张延杰，龚晓南

（1.云南省滇中引水工程有限公司，云南昆明 650204；2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江杭州 310058）

0 引言

颗粒级配是影响土体渗透性和力学强度的重要因素[1-3]。砂卵石土颗粒受生成环境的影响，呈现出不同形态、不同尺寸，而不同粒度的颗粒介质对其力学性能有很大的影响[4]。目前国内大范围存在砂卵石地层的地铁城市主要有北京、沈阳、成都地区和处于深层地铁隧道施工的广州地区。其中，北京地铁隧道砂卵石地层卵漂石含量50%～70%，粒径主要分布在20～60 mm区间，偶见漂石分布，但基本无地下水；沈阳地铁砂卵石地层卵石含量5%～20%，粒径主要分布在20～45 mm区间，基本无漂石，地下水位在地表下4.5～10 m[5]；随着城市发展需要和地铁线路的增多，广州等城市的地铁隧道工程，在大埋深下的盾构施工中面临穿越砂砾石地层。而成都地区的地铁隧道工程呈现“三高”特点[6-7]：地下水位高、卵石含量高、地层强度高，工程和水文地质特征为其他城市地铁隧道工程所罕见。由于富水砂卵石地层的地质特性，国外大中型盾构隧道建设中较少见到类似实例分析。基于土质与级配的不同，关于国外掘进参数的研究规律是否适用于该地层，也可借鉴国外较为成熟的研究方法，进行该地层下的掘进参数研究分析。祝林[8]提到成都地区饱和砂卵石土的内摩擦角为39°，但并未指明地层形成时期与砂卵石类别。相关研究在数值模拟研究中土体参数的选取上和室内试验得出的土体物理力学参数是有差异的[9]，并同时以成都地铁2号线站东广场站为研究背景时，在选择的物理力学参数值存在较大不同[10-11]。陈盛金[12]通过勘探查明的砂卵石层，根据试验发现，地铁2号线部分车站的第四系人工填土层和第四系全新统冲积层砂土、卵石土等均为松散堆积，压缩性高、荷重易变形的特点。

数值分析方面，国内相关研究较多并取得很大进展，包括细粒土层下的有限元分析、粗粒土层下的有限差分软件和离散元分析。室内试验方面，由于砂卵石土（粗粒土）试验操作的复杂性，其试验周期冗长并且试验费用高。成都地铁目前已开通13条线路，开通后成都轨道交通运营总里程将达到558 km，成都地铁在建线路共有10条，截至目前在建线路总长仍超过200 km。因此针对选取具有代表富水砂卵石地层的成都地区确定土体颗粒级配是一项基础性的研究，同时又是一项极其重要的研究。

1 地质和水文条件对隧道施工的影响

1.1 地质条件对地铁隧道施工影响

成都平原处于新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，为一断陷盆地。成都地铁线路场地内及其附近无影响工程稳定性的不良地质作用，为稳定场地。卵石地层主要分布在第四系全新统冲洪积层（Q4）和第四系上更新统冲洪积层（Q3），两种地层均具二元结构。其中Q4地层上组为褐色黏土，灰黄色粉质黏土、粉土、灰黄-灰色砂土，沉积韵律明显；下组为灰白-褐灰色卵石土，混有 20%～40%砂及少量黏性土，常有砂薄层或透镜体，一般分为砂层、圆砾、松散、稍密、中密、密实等亚层。Q3地层上组为黄-褐黄色黏土，粉质黏土、粉土、砂土，裂隙发育，黏土可具胀缩性；下组为黄灰色卵石土，混砂及黏性土，有砂薄层或透镜体，一般分为砂层、圆砾、松散、稍密、中密、密实等亚层。卵石层按照颗粒大小和密实程度可分为稍密、中密和密实卵石。其中稍密卵石以灰褐色为主，湿-饱和，粒径一般为30～100 mm，成分以岩浆岩为主，磨圆度较好，卵石含量约65%～70%，含少量漂石，充填物为砾石、细砂、中砂，N120动力触探击数7～10击；中密卵石呈黄褐色-黄色，中密，饱和，卵石粒径一般40～100 mm，呈亚圆形，含65%～70%的卵石，充填中砂、砾石和少量黏土，N120修正击数一般为 7～10击；密实卵石呈黄-黄褐色，密实，饱和，卵石粒径一般40～100 mm，个别大于15 cm，呈亚圆形，含70%～80%的卵石，充填中砂、砾石和少量黏土，修正击数大于10击。

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其结构松散、卵石含量大、地下水位高、渗透性强并分布少量漂石。富水砂卵石为主的地层中粒径大于20 mm以上的达到 60%～80%，其最大粒径超过300 mm；卵石硬，最高硬度达到230 MPa，盾构刀具破碎土体困难，施工进度慢、刀具磨损严重，换刀频繁；高富水，砂卵石层渗透系数达到 18～25 m/d。盾构施工时，既容易流失细颗粒形成空洞，发生砂土坍塌或沙漏，又易造成土压不稳，掘进参数失调，对施工环境造成隐患。

1.2 水文条件对地铁隧道施工影响

成都市属中亚热带湿润气候区，雨量充沛，多年平均气温16.2 ℃，极端最高气温38.3 ℃，多年平均降雨量947.0 mm，降雨主要集中在5—9月。

（1）补给充足：孔隙潜水赋存于细砂、中砂、卵石层中。以成都地铁3号线标段为例，在马鞍北路站—李家沱站区间YDK32+549～YDK32+729范围内为沙河Ⅰ级阶地，属于侵蚀-堆积地貌。主要受大气降水、地表河水及来自NW方向的侧向地下径流补给，土层孔隙水相互间的水力联系较为紧密，相互补给。

（2）水位埋深浅：地铁隧道标段基本处于II级阶地区，丰水期地下水位埋深一般3～5 m，水位年变化幅度一般在2～3 m之间。孔隙浅水位年变化幅度为1～3 m，丰水期最高水位埋深约2～4 m，正常水位约3～5 m，因施工降水，稳定水位埋深8～14 m。

（3）渗透性强：卵石层渗透系数约为 18～25 m/d，均属强透水性。

上层滞水水量相对小，对地下工程基本无影响。区间穿越沙河、府河以及洪渠等地表水。沿线河流，尤其是流经市区段落，已受到人为改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人为控制。孔隙浅水位在砂卵石地层中为强透水层。其水量丰富，水位变化不大，对地铁施工影响较大，但不排除区段局部地段有富水条件，储藏有一定裂隙水，对地铁工程产生一定影响。

2 富水砂卵石土力学特性

2.1 地铁隧道下穿地层统计分析

调查成都城市轨道交通地铁1、2、3号线与地铁环线7号线进行勘察分析，调查数据如下：

（1）1号线

地铁1号线一期工程盾构隧道分为4个标段11个区间。胡茜[13]提到地铁一期工程Q32地层分布于桐梓林以北的沿线地带的二级阶地上，有 Q4冲积层分布的地带埋于其下。Q31地层分布于桐梓林以南的地铁一期工程沿线地带的二级阶地上，在桐梓林以北地带，埋藏于Q32地层之下。杨书江等[14]提到成都地铁1号线试验段工程主要下穿卵石地层，局部位置穿越细砂层和泥岩层。线路基本沿人民南路中部敷设，分省体育馆路—倪家桥站区间、倪家桥站—桐梓林站区间、桐梓林站—火车南站站区间3个区间。

魏龙海[15]通过反复多次调整三轴数值试验模型中的细观参数，使之与成都地铁2号线地铁勘察资料的统计分析结果基本一致。有关研究提到成都地区饱和砂土层的内摩擦角为 39°，但并未指明地层形成时期与砂卵石类别[8]。文献[16]提到成都地铁1号线一期工程盾构1标区间工程盾构施工穿越土层主要为卵石土（Q3）。

（2）2号线

调查中发现，在数值模拟研究中土体参数的选取上和室内试验得出的土体物理力学参数是有差异的[9]。

表1和表2的数据显示，两位学者[10-11]同时以成都地铁2号线站东广场站为研究背景时，在选择的物理力学参数值存在较大的不同。

表1 土层物理力学参数指标[10]Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer[10]

表2 土层物理力学性质指标[11]Table 2 Physical and mechanical property indexes of soil layers[11]

（3）3号线

调查地铁 3号线的 4个隧道区间（驷马桥北站—驷马桥站—李家沱站—马鞍北路站）标段的勘察报告，得出盾构隧道下穿的砂卵石地层的主要组成情况，如图1所示。

图1 3号线隧道区间穿越地层分布图Fig.1 Strata distribution map traversed by line 3 tunnel section

（4）7号线

对7号环线31个区间的勘察资料进行调查研究，然后将隧道主要下穿的卵石地层物理力学参数进行统计分析，得到的抗剪强度值统计情况如表 3所示。

表3 7号线隧道区间下穿的砂卵石土层的抗剪强度指标Table 3 Shear strength indexes of sand cobble soil layers under tunnel section of line 7

a）中密砂卵石地层

中密砂卵石地层的天然状态（以下简称天然）抗剪强度摩擦角值φ=38°，降水后φ=45°的结果统计中包含 13个区间，分别为茶店子路站—花照壁站区间、文化宫站—清江西路站区间、花照壁站—交大路口站区间、交大路口站—九里堤路口站区间、金沙博物馆站—一品天下站区间、九里堤路口站—城北客运中心站区间、清江西路站—金沙博物馆站区间、清水河大桥站—文化宫站区间、神仙树西站—太平园站区间、武侯大道站—清水河站区间、一品天下站—茶店子站区间、八里庄—成都理工大学站区间、川师站—琉璃厂站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=38°，降水后φ=44°的统计有1个区间，为火车北站—驷马桥站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=35°，降水后φ=42°的统计有2个区间，分别为二仙桥站—成都理工站区间和驷马桥站—八里庄站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=37°，降水后φ=42°的统计有2个区间，分别为驷马桥站—八里庄站区间和东区医院站—二仙桥站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=36°，降水后φ=38°的统计有1个区间，为太平园站—武侯大道站区间。

b）密实砂卵石地层

密实砂卵石地层的天然抗剪强度摩擦角值φ=42°，降水后φ=50°的统计结有10个区间，分别为茶店子路站—花照壁站区间、文化宫站—清江西路站区间、花照壁站—交大路口站区间、交大路口站—九里堤路口站区间、金沙博物馆站—一品天下站区间、九里堤路口站—城北客运中心站区间、清江西路站—金沙博物馆站区间、清水河大桥站—文化宫站区间、武侯大道站—清水河站区间和一品天下站—茶店子站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=46°，降水后φ=50°的统计有1个区间，为火车北站—驷马桥站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=47°，降水后φ=52°的统计有2个区间，分别为八里庄—成都理工大学站区间和川师站—琉璃厂站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=42°，降水后φ=48°的统计有2个区间，分别为二仙桥站—成都理工站区间和驷马桥站—八里庄站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=42°，降水后φ=46°的统计有4个区间，为东区医院站—二仙桥站区间、驷马桥站—八里庄站区间、建材南路站—成都东客站区间和成都东客站—沙河铺站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=40°，降水后φ=50°的统计有2个区间，分别为太平园站—武侯大道站区间和城北客运中心站—火车北站区间。

天然抗剪强度摩擦角值φ=42°，降水后φ=52°的统计有1个区间，为神仙树西站—太平园站区间。

由于成都地铁近年来施工线路多、施工体量大、工期紧，而对于盾构穿越地层的土质分析方面仍处于经验理论阶段，存在摸索性。从地铁2号线的研究调查中可以看出，对于地质的分析仍存在较大差异，如勘察数据与数值分析数据的差别；不同学者对于同一工程的地层参数选取也有所不同。通过地铁3号线的研究调查，得到了下穿砂卵石地层的主要地层组成情况。通过地铁7号线的研究调查中可以看出，同一家勘察机构通过理论经验得出的31个区间的勘察数据同样存在差异，这说明砂卵石地层由于级配的较小差别，在定义土质物理力学特性的表述和判定就存在较大变化；并且以上砂卵石抗剪强度的统计数据是基于经验公式得出，有必要开展砂卵石土颗粒级配选定的研究。

2.2 砂卵石土样级配

根据成都地铁隧道下穿地层的统计数据，现选取具有代表性盾构区间，即地铁交叉站点的区间，对其勘察数据中的砂卵石土进行粒径分析，如火车北站—驷马桥站区间隧道（火车北站为7号线与1号线交叉车站）穿越砂卵石土的粒度见图 2；金沙博物馆站—一品天下站区间隧道（一品天下为7号线与2号线交叉车站）穿越砂卵石土的粒度见图3；太平园站—武侯大道站区间隧道（太平园站为7号线与3号线交叉车站）穿越砂卵石土的粒度见图4；清江西路站—文化宫站区间隧道（文化宫站为7号线与4号线交叉车站）穿越砂卵石土的粒度见图5。

图2 火—驷区间隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲线图Fig.2 Grain size curves of Huo-Si section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

图3 金—一区间隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲线图Fig.3 Grain size curves of Jin-Yi section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

图4 太—武双楠区间隧道穿砂卵石土（Q3）粒度分析曲线图Fig.4 Grain size curves of Tai-Wushuangnan section tunnel crossing sandy pebble soil layer (Q3)

图5 清—文区间隧道穿砂卵石土粒度分析曲线图Fig.5 Grain size curves of Qing-Wen section tunnel crossing sandy pebble soil layer

通过观察图2～5，对83组砂卵石土样本进行统计。鉴于勘查数据中中密砂卵石土级配的缺失，选取李家沱站—驷马桥站和驷马桥站—昭觉寺南路站2个区间隧道（驷马桥站为7号线与3号线交差叉车站）下穿卵石土进行现场取样分析，其粒度分析如图6和图7所示。

图6 中密砂卵石土粒度分析Fig.6 Grain size analysis of medium dense sand pebble soil

图7 密实砂卵石土（Q3）粒度分析Fig.7 Grain size analysis of dense sand pebble soil (Q3)

通过对已有研究中涉及的卵石粒径进行调查，对以上勘查数据的统计，再加上在建隧道区间拟开挖区域的取土筛分检验，得到了2组统计砂卵石土平均级配和3组现场勘查土样的平均级配，即卵石土中的3组中密卵石（级配1）和2组密实卵石（级配 2）平均级配代表值，每组筛分结果平均值如图8所示，为满足室内试验要求，采用等量替代法将天然砂卵石土中大于 60 mm粒径的超径料剔除后的颗粒级配如图9所示。