盾构隧道下穿输水干渠设计参数优化模型试验

2023-12-08杨振兴杜家庆孙飞祥李文杰冯仲林杨捷

科学技术与工程 2023年31期

杨振兴, 杜家庆, 孙飞祥, 李文杰, 冯仲林, 杨捷

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室, 郑州 450001; 2.中国中铁隧道集团有限公司, 广州 511458; 3. 郑州地铁集团有限公司, 郑州 450000; 4.华北水利水电大学地球科学与工程学院, 郑州 450046; 5.黄河勘测规划设计研究院有限公司, 郑州 450003)

近年来,随着中国城市轨道交通的快速发展,城市地铁隧道多次出现穿越南水北调干渠的情况。由于干渠底板和渠坡采用刚性结构设计,不会随渠底地层沉降而变形。因此,当盾构下穿南水北调干渠引起地层沉降时,干渠底板和渠坡结构会产生巨大内力,甚至发生裂缝或破损等问题[1-2]。

目前,中国尚无盾构下穿输水干渠的设计与施工标准与规范。部分学者依托相应的盾构下穿南水北调干渠工程,开展了研究工作。从施工的角度,刘阳等[3]依托郑州某工程盾构隧道穿越南水北调干渠工程,采用数值模拟和现场监测证明了地铁隧道施工存在对干渠的扰动影响;杨喜等[4]利用有限元软件对地铁隧道下穿南水北调干渠在未通水和通水两种工况下进行对比模拟分析,给出了隧道水平间距的建议值以及不同工况下隧道埋深的建议值;李新臻等[5]、孙伟良等[6]利用FLAC3D三维数值模拟盾构隧道下穿南水北调干渠工程,表面当隧道顶部距离干渠底部32.24 m开挖时,干渠结构相对稳定,当地层损失率控制在0.5%以及覆土厚度大于2D(D为隧道直径)时,地表沉降较小。贾晓凤等[7]通过对地铁盾构隧道下穿南水北调干渠时沉降监测数据和数值模拟分析,对隧道与干渠渠底埋深2.5D下盾构不同施工措施下渠底沉降量进行了研究,提出了盾构隧道与干渠的净距不少于2.0D,保障干渠底部沉降量不大于15 mm。

从设计的角度,张延[8]以大直径盾构下穿南水北调中线总干渠为例,通过数值模拟研究了不同工况下隧道结构受力,并对实际工况计算了渠道沉降量;田均举等[9]将Peck公式法运用于隧道下穿南水北调工程引起的地表沉降预测中,得出了适用于郑州地区相似工程的Peck公式,并对不同埋深下地表沉降规律进行了研究。除了上述研究成果,尚无关于盾构下穿输水干渠设计的相关研究成果,特别是盾构隧道的埋深与下穿角度的研究。

综上所述,中国对于盾构下穿输水干渠工程的研究侧重于施工过程控制技术,然而对盾构下穿输水干渠的设计参数研究较少。与此同时,中国尚无对盾构下穿输水干渠的专门规范,并且现有规范中尚无明确规定。现以郑州市轨道交通10号线一期工程须水站—市委党校站区间盾构隧道为依托,概化工程边界条件与地质条件,采用相似模型试验,通过分析不同隧道线路轴线与干渠走向夹角(30°、60°、90°)、不同隧道埋深(1.2D、1.5D)设计条件下以及不同盾构掘进参数对渠底和渠坡地层扰动影响,归纳总结出不同盾构条件下南水北调干渠沉降变形规律,为现场施工提供一定的参考作用。

1 相似模型试验

1.1 工程概况

郑州地铁10号线须水站—市委党校站区间的右线里程右K30+270.35～K30+505.40处下穿南水北调干渠,对应南水北调中线干渠桩号SH206+410～ SH206+635,干渠渠底宽约17.5 m,渠深约17.7 m。地铁隧道采用盾构法施工,开挖直径为6.28 m,隧顶距离渠底最小净距约18.5 m。该区域地貌单元为黄河冲洪积二级阶地,70 m勘探深度内所揭露土层均由第四系堆积物组成。选取盾构下穿南水北调干渠左线,揭示岩土分层剖面如图1所示。

1.2 地层概化

根据地质勘查结果,郑州地铁10号线须水站—市委党校站区间下穿南水北调干渠所穿过地层主要物理力学参数如表1所示。

通过比较盾构下穿中线南水北调渠左线的各层土的物理力学参数可以看出,土层之间各项指标差值小,其极差值小于各项指标平均值的0.3倍,为了能简洁明了地观察隧道开挖对地层的扰动情况,可将其概化为同一种地层,概化地层物理力学参数如表2所示。

表1 地层物理力学参数Table 1 Formation physical and mechanical parameters

图1 地质分层剖面图Fig.1 Geological layered profile

表2 概化地层物理力学参数Table 2 Generalized formation physical and mechanical parameters

1.3 模型相似比

物理相似模型试验是根据相似原理对特定工程问题进行的缩尺度研究方法。地下工程在自重作用下的弹性力学模型所要确定的相似比有:几何相似比Cl、容重相似比Cγ、应力相似比Cσ、应变相似比Cε、弹性模量相似比CE、泊松比相似比Cμ、位移相似比Cδ。盾构下穿中线南水北调模型试验开展1g下的物理相似模型试验,采用几何相似比:Cl=1/10,容重相似比:Cγ=1,重力加速度相似比:Cg=1作为基础比尺。根据Buckingham-π[10]定律推导各相似比之间关系如表3所示。

表3 模型试验相似关系Table 3 Similarity relation of model test

1.4 土体材料配制

相似材料一般由骨料、胶结材料和辅助材料三类材料组成。窦远明等[11-12]通过大量试验,认为膨润土掺量对相似材料密度、泊松比起主要控制作用,对压缩模量影响极不显著,黏聚力随膨润土掺量的增大而增大,相对密度、内摩擦角、泊松比随膨润土掺量的增大而减小;骨胶比对黏聚力影响最大,膨润土掺量和含水量次之,内摩擦角随含水量的增大而减小;含水量对压缩模量影响最大,对密度和泊松比指标影响次之。李国梁等[13]以中央电视台主楼深基坑工程为背景,采用淤泥质黏土、粉细砂和铁粉配制了一种高容重、低弹模土质相似材料。缪圆冰[10]等以重晶石粉、工程现场黏土、粉细砂和膨润土为基材,配制了边坡动力稳定分析试验中的黏土和粉质黏土。因此,本次对粉质黏土、黏质粉土的相似材料配制采用膨润土、铁粉、锯末、水等作为基础材料。

在配制相似材料时,所有物理力学参数均满足相似比尺和相似判据是几乎不可能的,所以应满足主要相似比尺。由于本次试验相似材料为高密度、低压缩模量相似材料,因此选择容重γ、压缩模量Es、黏聚力c为主控变量,选择内摩擦角ζ、泊松比μ为辅助变量。相似土力学参数测试如图2所示。

通过正交试验测试出最符合相似目标的材料配合比为:铁粉含量59.53%、锯末含量8.9%、膨润土掺量5.95%、水含量25.6%。相似材料与概化地层物理力学参数对比如表4所示。

图2 相似土力学参数测试Fig.2 Test of similar soil mechanical parameters

表4 相似材料与概化地层物理力学参数对比Table 4 Comparison of physical and mechanical parameters between similar materials and generalized formations

2 试验概况

2.1 试验装置

2.1.1 盾构掘进系统

本次试验采用的盾构掘进系统主要由盾体部分、泥浆环流部分、传感器部分及控制部分等组成。通过设置仓内压力以及刀盘转动参数,实现盾构掘进过程,该盾构掘进系统可实现掘进速度在10～100 mm/min任意设定速度的稳定掘进以及土仓压力在0～0.05 MPa任意设定的稳定控制,其中仓内压力可达到精度±0.002 MPa的控制需求。盾构掘进系统实物如图3所示。

图3 盾构掘进系统Fig.3 Shield tunneling system

2.1.2 量测系统

为了测取盾构掘进过程中,渠底和渠坡的表面隆起与沉降变形量,特别设计模型表面变形监测表架。该表架是由百分表、表架、数据采集器等组成。表架里的水平横梁可在水平纵梁上滑动,用螺栓固定,其间距可以自由调节;竖向固定杆可自由上下移动,范围达到1.2 m,用螺栓固定于水平横梁。该表架包括支腿、竖向固定杆、水平横梁、水平纵梁、竖直表架,所有连接部分均使用套管连接,可以随意增加测量表的数量和位置,本次试验共使用36组百分表进行地表变形数据监测。变形监测表架及百分表布置如图4所示。

2.2 试验过程

根据试验目的,共设计6组不同隧道埋深、不同干渠与隧道轴线夹角下的试验,每组试验工况如表5所示,干渠与隧道轴线夹角如图5所示。

表5 不同实验工况Table 5 Different experimental conditions

图4 变形监测表架及百分表布置Fig.4 Layout of deformation monitoring gauge frame and dial gauge

2.2.1 干渠模型夯筑

试验过程中首先对相似材料进行配制,计算搅拌机每次所能搅拌的体积,称量每次搅拌所需的基础材料重量,依次加入铁粉、锯末、膨润土搅拌15 min至均匀;再加入规定质量的水进行二次搅拌,直至无生团结块。工作过程如图6所示。

将每次搅拌完成的相似材料倒入模型箱内,每填筑相似材料厚度10 cm进行一次人工平整。当填筑至盾构刀盘高度时,用轻薄纸板遮蔽住刀盘,一方面防止相似材料通过刀盘开口进入土仓,另一方面防止在盾构试掘进之前,即调整泥浆循环系统阶段,泥浆进入地层。分层填筑,直至渠底层表面,形成渠底地层。按照上述步骤,继续搅拌相似材料,根据渠坡尺寸做成干渠模型。夯筑完成后的干渠模型如图7所示。

2.2.2 盾构掘进参数设置

由表3可知,盾构掘进的长度相似比Cl=1/10,时间相似比Ct=1/3.16,速度相似比Cv=1/3.16,转速相似比Cθ=1/10。盾构推进速度直接反映了盾构推进效率,是盾构施工过程中的关键掘进参数,其取值常受盾构推进系统、刀盘刀具设置、盾构穿越地层及其复杂程度等因素综合决定。通过对临近的郑州地铁10号线商隐路站—庙王站左线区间盾构穿越粉质粘土时盾构掘进速度统计分析:盾构推进速度主要集中在65～90 mm/min,考虑到软土中掘进一般取较大的推进速度以能够有效控制出碴量。因此,推荐采用75 mm/min的推进速度进行盾构隧道开挖;盾构刀盘转速取1.16 ～1.36 r/min。盾构掘进相似参数如表6所示。

图5 不同夹角干渠平面布置与尺寸Fig.5 Layout and size of main canal under different angles

图6 相似材料搅拌Fig.6 Mixing of similar materials

表6 盾构掘进相似参数Table 6 Similar parameters of shield tunneling

根据表5计算的盾构掘进相似参数,取盾构掘进速度为24 mm/min,盾构刀盘转速为4.3 r/min。

本次试验采用朗肯主动土压力计算仓内压力,公式为

(1)

式(1)中:Pa为朗肯主动土压力值,MPa;γ为土层重度,kg/m3;h为土层高度,m;φ为土层内摩擦角,(°);c为土层内聚力,kPa。

试验开始的前0～0.25 m为盾构试掘进段,之后以0.3 m为一个掘进进尺,根据相似土层材料的物理力学参数值,分段代入式(1)可得盾构穿越建模区域时保持开挖面稳定需要提供的仓内支护力,为了保证掘进安全,通常会在朗肯主动土压力计算值Pa的基础上预留10%～15%的施压储备。计算得各次试验掘进土仓压力值设置如表7所示。

2.2.3 盾构开挖

每次试验的前0～0.25 m为盾构试掘进段,在此区间,逐渐缓慢增大刀盘转速、刀盘推进速度至设定要求值并调整土仓压力稳定在试验所需的仓内压力值。当刀盘转速、刀盘推进速度以及土仓压力达到稳定值之后,百分表清零,试验正式开始。盾构正式掘进过程中,保持刀盘转速和刀盘推进速度不变,根据表6的数据设定对应试验各掘进段仓内压力值。

3 试验结果及分析

3.1 渠底与渠坡地层隆沉变形规律

每次盾构试验掘进完毕后,采集监测系统百分表读数,绘制测区有效范围内的渠底和渠坡地层的隆起与沉降变形量云图。试验1-1～1-3、1-4～1-6地层变形云图如图8、图9所示。

图8 1.2D埋深下不同夹角的地层变形云图Fig.8 1.2D cloud map of stratum deformation at different angles under buried depth

表7 盾构掘进仓内压力Table 7 Earth bin pressure of shield tunneling

图9 1.5D埋深下不同夹角的地层变形云图Fig.9 1.5D cloud map of stratum deformation at different angles under buried depth

由地层变形云图可以看出,盾构掘进对隧道正上方地表的沉降影响最大,沿隧道横断面方向,渠底地层沉降量逐渐减小,即呈漏斗状沉降;渠坡地层的沉降量小于渠底地层的沉降量,且渠坡高程越大,受隧道盾构掘进施工的影响越小;隧道轴线与渠坡底相交的局部区域地层沉降量稍大于周围范围,如图10所示,分析原因是由于盾构掘进至相交范围时,渠底地层沉降引起渠坡底交汇区域沉降,当相似土层材料内聚力无法抵抗破坏力时,会发生局部微破坏,形成该局部区域的负载,从而加剧了局部变形量。

图10 渠底相交区域破坏示意图Fig.10 Diagram of damage to the intersection area at the bottom of the drain

3.2 不同夹角下渠底与渠坡地层隆沉变形量对比

由于隧道正上方渠底和渠坡变形量相对来说较大,因此,分别选取隧道左侧正上方和隧道右侧正上方的测点隆沉变形量数据进行对比。两种不同埋深下隧道上方测点位移曲线如图11所示。

可以看出,采用盾构掘进土仓压力(朗肯土压力+10%～15%储备值)时,隧道埋深1.2D下渠底地层变形量介于-2.55～-2.41 mm,渠坡地层变形量介于-2.53～-1.70 mm;隧道埋深1.5D下渠底地层变形量介于-1.87～-1.73 mm,渠坡地层变形量介于-1.85～-0.22 mm。与此同时,盾构掘进下穿不同夹角的干渠模型时,渠底和渠坡的地层沉降变化规律基本一致,由渠底到渠坡,变形量逐渐减小。在同一隧道埋深下,隧道正上方的土体变形基本满足:隧道轴线与干渠走向夹角为30°的盾构施工引起的渠底和渠坡地层沉降变形范围及变形量最大,夹角为60°的盾构施工引起的渠底和渠坡地层变形范围及变形量次之,夹角为90°的地层变形范围及变形量最小。