回填土区浅埋盾构隧道开挖地层响应分析

徐世红,牛云峰,阳文通,陈 锐,谭芝文

(1.中建隧道建设有限公司 重庆市 401320;2.重庆市轨道交通(集团)有限公司 重庆市 401320;3.中铁二院咨询监理有限责任公司 成都市 610000)

0 引言

随着盾构技术的迅猛发展,中国已经在逐步克服敏感地区、地质复杂多样地区的盾构隧道建设难题,如上海、南京地区的软土地层,北京地区的砂卵石地层以及重庆地区的回填土地层等[1]。这些地层对开挖扰动敏感,在修建隧道时容易发生大变形,尤其是当盾构隧道靠近邻近建筑和管线时,对地层变形控制要求极高。

近年来,已有不少学者在盾构隧道地层变形的相关领域开展了广泛的研究。姜安龙[2]基于弹性理论推导了盾构施工变形计算公式,并依托实际工程分别研究了土舱压力、刀盘和盾壳与土体的摩擦力、地层损失以及同步注浆压力对地表变形的影响。邓皇适等[3]基于Mindlin解推导了由注浆压力非均匀分布引起的地表沉降计算公式,并结合监控量测验证了公式的合理性。郑刚等[4]自行研制了砂土模型试验平台,进行了盾构隧道开挖和注浆的模型试验,并采用Plaxis 2D软件进行了二维数值模拟,研究结果符合Peck公式的预测规律。叶飞等[5]依托西安地铁4号线区间盾构隧道工程,采用Mohr-Coulomb本构模型对盾构施工过程进行了数值模拟分析,最终确定0.1MPa为该工程最合理的土舱压力取值。孙闯等[6]依托上海某盾构隧道工程,借助FLAC3D软件模拟了不同注浆压力工况下地表沉降槽的变化情况,研究结果表明0.2～0.3MPa的同步注浆压力比较适合于该工程地质情况。李俊猛[7]利用数值模拟软件FLAC 3D模拟了不同土舱压力下盾构施工的地层变形情况,研究结果表明,土舱压力越接近于原始静止土压力,地表最大沉降量越小。

不同地区的地质条件存在较大差异,尤其是重庆地区典型的回填土地层,往往存在压实度较低和级配不良等问题,为盾构施工带来了不确定性,也给地层变形的控制增加了难度,因此针对这一特殊地质开展研究具有重大的意义。鉴于此,依托重庆轨道交通五号线北延伸段工程,以土舱压力这一影响因素为侧重点,针对盾构隧道穿越回填土区的情况建立三维数值模型,对不同土舱压力条件下盾构开挖引起的地层变形情况进行研究,研究成果可为类似工程提供参考依据。

1 工程概况

重庆轨道交通五号线北延伸段工程中央公园西站-椿萱大道站区间(FCK5+114.8～FCK6+236.1)位于渝北区,隧道大致沿利成大道地下敷设,全长1121.3m。区间隧道主要采用盾构法施工,盾构开挖直径6.885m,盾构管片外径6.6m,内径5.9m,管片幅宽1.5m,厚度0.35m。其中,中央公园西站-椿萱大道站左线区间(左FCK5+743.7～左FCK6+199.3)及右线区间(右FCK5+752.7～右FCK6+212.7)穿越欠固结回填土区,该区段的人工填土基本上以素填土为主,地质剖面图如图1所示。素填土为杂色,以粘性土夹砂岩、泥岩碎(块)石为主,骨架颗粒粒径以20～600mm为主,局部大于1m,含量一般为20%～45%,在厚度较大的地段中下部块(碎)石含量显著增高,局部可达到50%～60%,粒径也有所增大,局部存在架空现象,由浅及深呈松散～稍密状,土体稍湿,地下水含量主要受大气降水、城市地下排水管线渗漏补给影响,回填区厚0.5～44.5m,沿线填土堆填年限在1～3a左右。

图1 中椿区间回填土段地质剖面图

由于盾构施工隧道所穿越的回填土地层属于级配不良的土石混合体,其施工稳定性和自主承载能力较差,且隧道埋深较浅,施工期间如果出现土舱压力过大的情况则极易引起地表隆起现象,而土舱压力偏小又可能导致掌子面不稳定,土体下移从而引发地层的不均匀沉降,而地铁隧道往往处于城市主干道之下,上述两种情况都将对市政交通及周边环境造成严重的影响。由此看来,回填土区盾构施工存在很大的风险,而土舱压力作为控制地层变形的关键因素之一,其影响机理和合理范围的确定具有较高的研究价值。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型建立

考虑到尺寸效应和计算效率问题,土体模型尺寸可取为3～5倍洞径左右,采用有限元软件ABAQUS建立尺寸为50m×40m×30m的三维模型,其中50m为模型宽度,40m为模型深度,盾构开挖模拟每次进尺6m(即4环),开挖5次,共进尺30m。模型的边界条件设置情况是以底面和侧面为位移边界,限制垂直于各面方向的水平移动,地表作为自由边界。填土深度取15m,其下基岩均为泥质砂岩,隧道上覆填土厚度为3.86m。模拟过程考虑土体开挖时的应力释放效应和浆液的硬化过程,利用温度场控制可改变土体和浆液在不同分析步中的材料参数,将应力释放后的土体杨氏模量折减60%。根据工程经验,浆液注入时呈流动状态,弹性模量在0.9MPa左右;24小时后浆液硬化,弹性模量在4MPa左右;28d后长期固化,弹性模量可达到400MPa以上,考虑到开挖步长较短,可取浆液硬化后的弹性模量为4MPa更符合工程实际。利用荷载模块实现对土舱压力和同步注浆压力的控制,根据施工单位专项方案将注浆压力设置为0.3MPa;根据围岩压力计算式q=γh[8](式中γ为围岩重度,单位为N/m3;h为隧道埋深,单位为m)可得掌子面中心围岩压力为146kPa,以此为参考,先施加150kPa土舱压力进行初步模拟。模型中各项材料的基本参数设置情况详见表1,模型情况如图2所示。

表1 模型材料参数

图2 数值模型示意图(半无限空间体)

2.2 竖向位移响应分析

图3展示了开挖完成后地层的竖向位移云图。由图3可知,在盾构隧道开挖完成后,地表1倍洞径左右的区域内出现了较为明显的沉降,沉降槽的幅宽在3倍洞径左右,最大沉降值为12.35mm,由于开挖引起的地应力释放效应,隧底出现隆起现象,最大隆起值为20.85mm。模拟规律符合一般工程经验,所得地层变形也满足相关标准控制值[9]。

图3 竖向位移云图及输出路径示意图

为进一步分析地层变形在盾构掘进过程中的变化规律,在如图3所示的位置设定竖向位移输出路径(15m附近),可得到各开挖步对应的地表变形曲线如图4所示。

图4 不同开挖步的地表变形曲线图

观察曲线可知,当盾构开挖至6m时,监测路径上的竖向位移为正值,隧道中心线上位移值最大,约为0.8mm,说明在盾构经过前地层变形表现为隆起,推测这是由于隧道埋深较浅,推进过程中土舱压力对前方土体影响较大所致;当盾构开挖至12m时,掌子面距监测断面仅为3m,此时隧道中心线处的隆起减小为0.4mm左右,中心线两侧的隆起少量增加,地表出现了沉降趋势;当盾构开挖至18m时,盾构机推进至监测路径正下方,地表出现了沉降槽,隧道中心线处的沉降值为1.4mm,模型两侧的地表继续表现为隆起,推测其原因是受到注浆压力的影响和模型边界效应的限制;当盾构开挖至24m时,盾壳前移,脱出了监测路径正下方,隧道中心线处的最大沉降增加到2.4mm,增加了近70%;当盾构开挖至30m时,隧道中心线的最大沉降值突增到7.7mm,又增加了2倍左右,模型两侧的隆起量也发生下降,推测其原因是受剪力滞后效应的影响,以及模型尺寸有限,开挖30m后贯穿了整个地层,从而导致该开挖步地表沉降量的大幅增加。综上所述,盾构开挖对地层变形的影响可分为盾构到达前、经过时和通过后三个阶段,在盾构到达前地层出现少量隆起,盾构经过时地表出现明显的沉降槽,盾构通过后地表最大沉降还将持续增加70%左右。

2.3 土舱压力对地层变形的影响分析

为研究不同土舱压力对地层变形影响的差异,设置了如表2所示的5种工况分别进行模拟,分别提取不同土舱压力下开挖完成后的最终沉降曲线如图5所示。

表2 数值模拟工况表

图5 不同土舱压力掘进完成后的沉降曲线图

观察5种工况下的最终沉降曲线可知,土舱压力越大,模型两侧的地表隆起量越大,地表最大隆起量通常出现在隧道两侧7.15m处,距隧道约1倍洞径;当土舱压力从0.1MPa提高到0.125MPa时,最大地表沉降量降低了0.4mm左右,此时达到最小值,随着土舱压力继续增大,隧道中心线处的地表沉降值也继续增加。由此可见,地表隆起一定程度上是受到土舱压力的影响,土舱压力越大,隧道两侧的地表隆起量越大;当土舱压力较小时,盾构掘进完成后的隧道中心线处的最大地表沉降量随着土舱压力的增大而增大,当土舱压力超过围岩压力后,最大地表沉降量随土舱压力的增大而减小。综上所述,0.125MPa为适合本工程的最佳土舱压力。

3 结论

依托重庆轨道交通五号线北延伸段工程,基于ABAQUS建立三维数值模型对不同土舱压力下盾构掘进过程进行了模拟,通过对各开挖阶段的竖向位移云图和沉降曲线进行分析,得出了如下结论:

(1)盾构隧道掘进施工过程中引起的地表沉降槽幅宽在3倍洞径左右,最大地表沉降量为12.35mm,最大拱底隆起量为20.85mm,满足相关规范控制值要求。

(2)盾构到达前地层出现少量隆起,盾构经过时其上方地表将出现明显的沉降槽,盾构通过后地表最大沉降还将持续增加70%左右。

(3)盾构掘进过程中,随着土舱压力的增大,地表隆起量也增大,而地表沉降量表现为先减小后增大,说明土舱压力并非越大越好,尤其是在隧道埋深较浅的情况下,其土舱压力设置值略低于围岩压力时为最佳,根据计算结果,该工程条件下土舱压力取约为0.125MPa时对地层变形的影响最小。