土压平衡盾构施工引起地面变形研究的评述*

2024-02-23陈梦成何彬彬许开成冯玉林

城市轨道交通研究 2024年1期

姚元陈梦成何彬彬许开成侯宇冯玉林

(1.南昌轨道交通集团有限公司, 330038, 南昌; 2.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室, 330013, 南昌)

土压平衡盾构施工过程中会不可避免地产生土体扰动,造成地面沉降等问题。如何弱化土压平衡盾构施工对周围土体的扰动及对周边建筑环境的影响,对土压平衡盾构施工引起的地面变形进行预测和控制,成为亟待解决的问题。

鉴于此,本文基于土压平衡盾构施工原理,归纳土压平衡盾构施工引起地面变形的因素,论述土压平衡盾构施工引起地面变形的预测方法,并讨论各方法的适用性与优缺点,列举土压平衡盾构施工致地面变形的控制措施,分析土压平衡盾构施工研究中的不足,并对土压平衡盾构施工发展方向进行了展望,以期为该领域的研究与应用提供一定参考。

1 土压平衡盾构原理

土压平衡盾构施工原理简图如图1所示。盾构推进中,前端刀盘切削开挖面前方土体至刀盘后方土舱内,进入土舱内的土体和辅料(泡沫、聚合物、膨润土等)相互混合;承压隔板作为介质;在千斤顶作用下,土舱内混合物产生舱内土压F2。在盾构掘进中,通过螺旋输送机控制出土量保持土舱压力F2与刀盘外土压力F1的动态平衡。

图1 土压平衡盾构施工原理简图

2 土压平衡盾构施工地面变形的诱因

土压平衡盾构施工中,地面沉降影响因素大致分为隧道几何因素、土层地质条件和盾构掘进参数。

2.1 隧道几何因素

地铁隧道施工时不同隧道埋深及外径等因素对地面沉降变形产生较大影响。文献[1]认为隧道埋深和隧道间距对砂卵石地层隧道施工引起地面沉降有显著影响;文献[2]发现随隧道埋深的增大,地面沉降先稳定增大后逐步减小;文献[3]求得双线隧道的几何参数与地面沉降的皮尔逊相关分析为0.44,表明几何参数对地面沉降的影响至关重要;文献[4]认为双线平行盾构隧道地面沉降受隧道相对间距影响显著,建议重视该因素的影响。

2.2 土层地质条件

土层地质条件的差异是引起不同程度地面变形的原因之一。文献[5]发现地面沉降随地应力释放值的增大而增大,增大的趋势在开挖面周边围岩塑性区更明显;文献[6]发现拱顶下沉值与地面变形呈线性;文献[7]发现盾构隧道下卧层含水率影响着施工后的地面沉降大小;文献[8]发现盾构施工地层中的地下管线和地下构筑物对地面沉降存在一定影响,管线及构筑物的埋深越浅,影响越明显。

2.3 盾构掘进参数

隧道几何因素和土层地质条件属于客观条件。盾构掘进参数属于主观条件,在施工中对地面沉降的影响可控。文献[9]模拟了盾构开挖动态过程,发现注浆开始时间、注浆压力和注浆量在很大程度上影响地面变形;文献[10]认为隧道开挖过程中引起的地面变形与掌子面压力关联最大;文献[11]通过数值模拟证实了适当增大注浆压力、及时注浆及在一定范围内增大注浆量都能有效地减少地面沉降;文献[12]发现,在一定范围内,土舱压力和注浆压力对地面变形有显著影响,超过该范围后影响效果不再明显。土压平衡盾构施工是一个复杂的系统工程,地面沉降影响因素众多,各方面间具有较强的关联性。但在研究过程中,通过假设使参数理想化,难以反映实际工况,研究结果与实际情况有一定偏差。此外,研究多集中于盾构施工中地面变形的影响因素,对引起工后地表滞后变形的原因还需进一步深究。

3 土压平衡盾构施工地面变形的预测

随着土压平衡盾构施工技术的广泛应用,国内外学者对施工过程中引起地面变形的预测方法进行了大量的研究,目前常用的有如下几种方法。

3.1 经验公式法

科学家Peck首次提出地层损失的概念。通过分析大量隧道地面变形的实测数据,Peck发现横向地面沉降槽近似成正态高斯分布,在不排水的情况下,地层损失与隧道开挖所形成的地面沉降槽在体积数值上是相等的[13]。对此,Peck建立了地面沉降的经验估算公式,即Peck公式,为:

(1)

(2)

式中:

S(x)——距离隧道中心轴线为x处的地面沉降,单位m;

Smax——隧道轴线位置处地面沉降值,单位m;

x——距隧道中心线的距离,单位m;

i——沉降槽宽度,单位m;

Vj——单位长度地层损失量,单位m3/m。

Peck公式因其使用简单明了的特性至今仍被广泛应用于工程实例中。

由式(1)及式(2)可以看出,i对预测结果的合理性起关键性的作用。众多学者在Peck公式的基础上,围绕i展开了深入的研究。文献[14]将i的计算公式补充归纳为四类(24种):i=f(z0,φ)、i/R=a(z0/2R)n、i=a(bz0+cR)、i=az0+b,(其中,z0为隧道的埋深,φ为土层内摩擦角,a为长度常量,b为大于1的常数(量纲为一),c为常数,R为隧道半径,n为截面上的构件总数)明确了i的演变规律。文献[15]通过反分析-分析方法提出黏性土地区i值的拟合公式:

(3)

式中:

m——i值的拟合系数,可取0.45～0.50,平均值取0.475;算例分析表明,m较小的取值范围可减少经验参数较大取值范围所产生的误差;

h——隧道轴线至地面深度,单位m;

Ro——隧道外半径,单位m;

φ——隧道轴线以上土的内摩擦角,对于成层土按厚度取加权平均值,单位(°)。

此外,文献[16]通过对上海地区地面变形实测数据的归纳分析,提出了考虑土体扰动后固结沉降的Peck修正公式;文献[17]结合成都地铁7号线9个区间的地面监测数据,提出了适用于成都砂卵石地层的地面沉降预测经验公式。

经验公式的提出一般基于对现场实测数据的总结、分析和归纳,在使用中只需确定公式中固定的参数即可计算变形值大小,获得地面沉降槽曲线。该方法易懂、易用,但缺乏理论支撑,与工程实测数据有较大依附关系。因此,经验公式仅适用于特定的施工条件,且大多经验公式中参数较为单一。这导致该方法在复杂地层条件中的计算结果与实测数值偏差较大。

3.2 理论解析法

理论解析法是基于弹性、弹塑性等理论推导出的计算公式,对于计算量小,边界条件较为简单的地面沉降计算有一定的优势。文献[18]在平面应变条件下,根据不可压缩土壤土体流失情况的闭合解和弹性各向同性均质体地层损失情况的应变解,提出了地面变形的理论计算方法;文献[19]对文献[18]的方法进行拓展,求解的过程中忽略了隧道的存在及其规定的位移,推导了地面损失引起均匀径向位移和隧道的椭圆化两种情况下的隧道变形近似解析解;文献[20]基于弹性力学Mindlin解,推导了关于刀盘摩擦力、盾尾同步注浆压力和土体损失等因素的地面变形解析式;文献[21]将地面下沉的三维问题转化为一维离散问题,推导出了地面沉降的半解析理论计算函数。随着随机介质理论的发展与应用,部分学者将该理论与土压平衡盾构施工相结合。文献[22]基于随机介质理论,结合实际数据,推导了土压平衡盾构隧道的纵向地面变形理论计算公式;文献[23]将地表下沉和地表隆起考虑为一种随机过程,结合随机介质理论推导了不考虑土体后期固结沉降的地面沉降计算公式。

理论解析法适用于边界条件和初始条件较为简单的问题,在量化研究地面变形各影响因素之间的关系方面具有一定的优势。理论解析法模型通常比较简单,考虑因素少,假设条件与施工现场实际情况相差甚远,所以仅具有理论参考意义,或作为其他方法(如数值模拟法、模型试验法或人工智能法)的理论验证,很少直接应用于实际工程。

3.3 数值模拟法

数值模拟法依托计算机强大的计算能力,解决了参数多、数据大的复杂问题,显著提高了计算速度和计算结果的准确性。目前,该方法中有限差分法和有限单元法的应用较为广泛。

3.3.1 有限差分法

有限差分法求解软弱地层内土压平衡盾构施工造成的地面沉降具有较强的可行性。文献[24]利用有限差分法建立了反映土压平衡盾构施工主要因素的3D模型,分析发现,数值模拟重点是选择合适的数值模拟技术、对细节进行处理及推进过程准确模拟;文献[25]基于有限差分数值模拟分析了深圳某地铁不同施工阶段的地面变形,表明适当增大土舱压力、及时注浆均能有效减少地面变形;文献[26]将土体假设为各向同性,具有与摩尔-库伦阻力准则相联系的完全弹塑性结构,假设衬砌为弹性结构,基于有限差分法模拟了隧道施工;文献[4]建立三维有限差分模型研究了双线平行盾构施工的地面变形影响因素,其结果表明,双线平行隧道盾构施工地面沉降受隧道相对间距影响较大。

3.3.2 有限单元法

有限单元法是求解具有已知边界条件或初始条件的偏微分方程组的一种通用数值解法。文献[27]建立二维平面模型,模拟了相应荷载下的盾头挤压、盾尾脱空、衬砌安装和衬砌固结4个阶段,其研究结果表明,采用非均布荷载计算地面变形更为合理。文献[28]基于plaxis 2D有限元软件建立复合地层沉降预测的数值计算模型,发现开挖隧道横向不均匀变形主要发生在隧道两侧1.5倍隧道直径范围内。

随着研究的深入,学者们发现二维平面应变有限元模型不能模拟复杂的三维几何形体及开挖过程等对地面沉降的影响。由此,建立三维隧道有限元模型研究地面变形机制至关重要。文献[29]基于三维有限单元法计算了盾构推进过程中影响地面沉降的多个因素与地面变形之间的关系,归纳了地面变形规律;文献[30]考虑到隧道结构的对称性,利用plaxis 3D软件建立了半边区域的三维有限元模型,揭示了隧道施工中土拱区的三维应力应变传递机理。文献[31]采用一种新的混凝土模型建立了三维有限元模型,解释了小变形下土壤刚度增加现象。

数值模拟法能有效地模拟盾构施工的实际过程,综合考虑影响地层变形的各种因素,但该方法要求研究人员应具备一定软件运用基础。模型的参数选择难以准确地反映实际情况,使用中也很难模拟地层因素及开挖因素,由此造成沉降预测值与实际情况有较大偏差。

3.4 模型试验法

由于土压平衡盾构施工现场条件复杂,影响地面沉降的参数难以准确掌握,部分学者开展了室内模型试验,易于控制相关参数,较好还原土压平衡盾构施工实际过程,有利于研究地面变形规律。文献[32]建立纵向隧道缩尺模型,提出了盾构隧道纵向变形分布监测策略,该策略可用于检测长期荷载作用下的实际隧道纵向变形。文献[33]通过相似材料模型试验得到盾构施工地层移动规律,明确了先行隧道对地层产生的扰动使地面沉降叠加。文献[34]建立了一个实验室规模的模型,通过对地面沉降分析发现,与黏土地层或砂土地层相比,富水卵石地层在横向和纵向上的地面沉降槽更窄,进而引入与横向不同的纵向宽度系数,修正了施工期间预测地面沉降的方程,使修正方程的结果更符合实测数据。文献[35]开展了一系列的砂土层模型试验,得到了土体损失对地面变形的影响,结果表明,砂土中的土体损失与地面变形呈线性关系。

模型试验法用于研究地面变形,能够忽略施工过程中众多因素的影响,方便研究各个参数对地面变形的影响程度。此外,在试验过程中能清楚地观察到地面变形的引起机理和发展过程,有利于掌握地面变形规律。但模型试验法考虑的参数过于理想化,不能准确地模拟真实的地层条件,且模型试验的周期长、成本高,通过试验所得信息也比较有限。

3.5 人工智能法

人工智能法源于神经元网络理论。该方法在使用前需结合大量土压平衡盾构施工地面变形实测数据,建立起地面变形与各个影响因素之间的映射关系,通过使用训练好的神经网络映射对地面变形进行预测。在使用过程中,还可不断通过新的数据来训练神经网络,提高预测精度。文献[36]建立了BP(反向传播)神经网络预测模型,结果表明,该预测模型经过训练后具有较好的泛化预测能力。文献[37]基于遗传算法对BP神经网络进行优化,提高了神经网络的训练稳定性。文献[38]建立了DEACO-WNN(差分进化与蚁群优化-小波神经网络)模型,提高了预测模型的收敛速度和预测精度;文献[39]基于敏感性分析方法确定了影响土压平衡盾构施工地面变形的参数,通过正交试验获得了用于网络模型的训练样本和测试样本,从而建立了径向基函数神经网络模型。

人工智能法通过神经网络的优势,在建立影响因子和变形量之间的非线性关系时,无需获得各影响因子与变形量之间确切的物理关系,从而避免了建立复杂本构模型的过程,并且在使用过程中可通过不断的训练提高预测精度,是一条不同于传统数学建模的研究思路。但该方法需要使用者具有一定的编写代码的能力,并且该方法的关键在于建立一个储存大量详实参数的数据库,而计算精度又过于局限数据库中的样本数量。因此,人工智能法虽为主流趋势,但仍有必要进一步深入研究。

4 土压平衡盾构施工地面变形的控制

合理的变形预测是盾构施工顺利开展的前提,而对地层扰动和变形的有效控制是保证施工安全的关键。因此,在工程中实现从变形预测到变形控制的转变至关重要。

地面变形控制一直是盾构施工中一个亟待解决的重要问题。受盾构总推力、千斤顶顶力、推进速度、排土量和注浆参数等掘进参数影响,土舱压力的设定是一个动态过程,土压平衡实质是一种动态平衡,而现有技术较难保持其动态平衡。因此,国内外众多学者致力于盾构掘进参数的研究,实现更具有操作意义的土压平衡,以保证掘进面相对稳定,减小地面沉降。

文献[40]针对西安地铁2号线某区间含细砂、中粗砂土层,使用质量比为1∶10膨润土泥浆,以2∶10 的体积比加入到渣土,进行了改良试验。结果表明,当土舱压力、出土量、注浆压力和注浆量分别控制在140～260 kPa、54～56 m3、210～300 kPa、每环4 m3时,土压平衡盾构能较好适应改良后的含砂土层。针对卵石含量为50%～75%,主要粒径为20～80 mm的砂卵石地层,文献[41]认为将刀盘转速控制在1.0～1.2 r/min较为适合,刀盘扭矩控制在3 000～4 600 kNm为宜;文献[42]通过对隧道平均埋深为16.90 m,成型隧道管片外径为6.0 m、内径为5.4 m的北京地铁8号线某区间进行检测,提出注浆压力与拱顶竖向土压力之比保持在1.5以上,注浆压力控制在2.43 bar较为安全;文献[43]研究了富水圆砾地层(粒径为2～20 mm的颗粒为主,最大粒径为 63 mm,粒间主要以中、粗砂填充)中不同盾构掘进参数对地面变形的影响,结果表明:圆砾地层盾构推力和土舱压力应分别控制在12 000 kN和 1 bar左右,且正负波动不宜过大。

对土压平衡盾构施工所引起地面变形控制的现有研究,多局限于根据施工经验调整施工参数(通过对地面变形的实时监测,不断调整盾构施工参数),最终获得引起地面沉降较小的施工参数区间值。这类控制方法缺乏对工程状况的预测机制,且实际施工情况复杂多样,已有研究很难直接用于其他同类地层。此外,现有研究对施工后的地面沉降控制关注过少,且事后处理耗费高、延误工期。因此,对工后沉降控制方法应有进一步深入研究。