軟硬互層場地盾構隧道施工的地層擾動效應研究

徐 彧

（南京高等職業技術學校，江蘇南京 210000）

盾構機一直都是城市軌道交通建設的主要施工工具，其對城市隧道建設起到了舉足輕重的作用，因此得到了廣泛運用。但我國幅員遼闊，地形復雜多樣，地質條件極為復雜，因此對盾構機的要求也往往很高。而不均勻地層多為我國南方地區常遇到的地質條件，此類地層常常在施工過程中遇到超挖現象，從而引起地中變形和地表沉降，導致事故發生。對于目前情況，開展盾構機掘進對不均勻地層擾動現象進行研究，對我國城市建設和地下隧道開發具有指導性意義。

針對目前盾構機掘進對不同地層沉降影響，我國許多研究者已對此進行研究分析。林春金等［1］基于現有監測數據，建立數值模型，精確預測了土倉壓力。王曉睿等［2］通過結合經驗、理論分析結果和數值模擬預測結果，研究分析盾構機施工引起的地表沉降現象。黃志強等［3］為解決盾構機在砂性地層施工過程中出現的一系列問題，以膨潤土和生石灰為原料配制土體改良劑，對渣土進行了改良。鄭剛等［4］對盾構機在施工過程中，由于劇烈震動產生的土體損失，基于數值模擬通過注漿來達到沉降控制的目的。高守棟等［5］以實際工況為研究背景，基于數值模擬對幾種不同工況的地層位移和孔隙水壓力變化，與實際工況數據進行對比分析。江英超等［6］通過室內盾構機掘進砂土地層的擾動現象，對盾構隧道動態施工全過程進行分析。王俊等［7］通過盾構機對砂土地層進行施工，并基于數值模擬分析砂土地層在盾構機掘進過程中與停止狀態下的穩定性。王曉睿等［8］以軟體巖層為掘進地層，基于數值模擬和實際工況數據相結合，研究地表和上層建筑物的沉降變化和控制方法。周躍飛等［9］基于不均勻地層研究，通過復合式土壓盾構機在該隧道施工，并通過改變盾構機相關參數進行適應性分析。劉新新［10］基于土壓盾構試驗，研究頻繁置換水泥情況下的管理技術研究，分析掘進不同巖體過程中，盾構機可能出現的問題。許立明［11］基于盾構技術，對鋼套管等設備進行改造，以此解決實際工況中存在的安全隱患。李盤石［12］為避免盾構施工與原先隧道出現交叉問題，提出更先進的沉降控制方案，并運用于實際工況，實施效果較為明顯。

由以上研究可知，雖然國內對于盾構機掘進過程有多種研究手段和形式，但對軟硬不均勻地層研究較為匱乏，以南京市珍珠泉站—定向河北站區間盾構施工為研究對象，使用室內盾構機對軟硬不均勻地層沉降變化規律進行研究，與砂土（典型砂性土，由自然河流沖刷堆積而成）地層進行對比，并基于數值模擬對試驗過程地層變形進行研究，從而探究盾構機掘進軟硬不均勻地層擾動全程變化規律，以期可為實際工程提供參考。

1 地層盾構掘進模擬試驗

1.1 試驗儀器介紹

以南京市珍珠泉站—定向河北站區間盾構施工為研究對象，使用室內盾構機進行試驗，機體全長1 300 mm，盾構機結構由4個液壓千斤頂驅動，襯砌環幅寬度為150 mm，由合金制造而成。

試驗儀器在4.4 m×4.4 m×2.5 m的圓柱體土槽內進行，具體盾構機實物如圖1所示，圖左為模型盾構機，圖右為修建中的土壓盾構隧道。將準備工作完成同時，需將圓柱體土槽兩邊及后方裝置進行約束，同時設置4道三角斜支撐，提供反力以及防止結構變形過大。試驗采用土壤為本地區渣土，其主要通過水、洗衣液和CMC進行改良，能有效提高渣土基本性能。

圖1 盾構機實物

圖2 室內試驗圖cm

1.2 材料準備

由于試驗過程較為復雜，涉及盾構機結構和地層等因素相互作用影響，需從宏觀角度研究盾構機在地層運作規律，對比地層土體沉降，考慮不同材料影響，為模擬室內試驗貼合實際，模擬試驗包括進洞過程、盾構機開挖過程、加入改良渣土過程以及拼裝管片等流程。

地層主要由硬巖和砂土制成，硬巖參考汪成兵等［13］研究，由石膏、水和河砂制成硬巖地層，并參考杜青等［14］用石膏材料模擬巖層試驗，選定試驗最優配比模擬硬巖，質量配比如表1所示。砂土取自南京郊區河邊，制成砂土地層，復合地層（硬巖與砂土地層交界處），硬巖和砂土的基本物理指標如表2所示。

表1 硬巖配比（質量比）

表2 硬土的基本物理指標

1.3 試驗過程

根據材料配比將土樣填充入裝置內，室內試驗圖如2所示。盾構機首先掘進硬巖地層，再掘進軟硬不均地層，最后到全斷面砂層。使用精度為0.01 mm位移測試儀對地表、地中變形情況進行測量，對軟硬不均勻地層中刀盤到測試斷面前地層擾動特征進行研究，由此地表設置3個測試斷面：A-A，B-B，C-C，每個斷面層均有11個測點，隧道中心軸線為中心，兩側均勻布置，如圖3所示。盾構機作業過程中產生的擾動會被測點采集，其中B-B斷面與地中測點距離相同，因此布置3層位移測線：B1-B1，B2-B2，B3-B3，每層布置7個測點，通過位移計采集地中變形情況，由此得到測量結果，如圖4所示。為了方便敘述，將始發斷面、縱軸線、中心線右邊以及和開始的方向分別擬定為橫坐標軸、縱坐標軸、橫坐標正方向和縱坐標正方向。其中盾構機模型施工參數如表3所示。

表3 盾構機模型施工參數

圖3 地表位移測點布置情況cm

圖4 地中位移測點布置情況cm

2 試驗結果分析

2.1 模型地表沉降分析

實驗室盾構機掘進過程中，在到達B-B斷面之時，地層穩定性好，地層變形較為緩慢，作業過程中產生的能量會使測點下沉。表4列出經過BB斷面時掘進范圍y=30、60、90、120、150 cm處的沉降值。

表4 不同測點掘進時地表沉降mm

由表4可知，y=30～60 cm時，測點位移增加趨勢緩慢，說明盾構機在硬巖地層掘進引起地層擾動很小。當y=90 cm時，測點位移沉降才開始加快。以207測點為例，y=60 cm時，測點沉降為0.45 mm，之后增長至1.25 mm；當y=120 cm時，測點位移沉降增長至2.38 mm；當y=150 cm時，測點位移沉降增長至5.20 mm。由此可知，盾構機在掘進過程中，掘進范圍越大，地表所受影響范圍越廣，越靠近盾構機，所受震動影響越大，對不均勻地層具有不同劇烈擾動現象。對于不同掘進階段，其地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 地表沉降曲線

由圖5可知，y=30、60、90 cm時，地表沉降無規律，位移均低于2 mm。當y=120、150 cm時，測點地表位移與測點關系曲線呈正態分布，峰值均超過2 mm。這說明掘進范圍越大，地表所受影響范圍越廣，沉降位移越明顯，掘進范圍達到一定值時，測點越靠近盾構隧道，受到震動影響越大。綜上所述，盾構機掘進不均勻地層時，應根據掘進范圍預先對地表土體進行加固，避免事故發生。

2.2 模型地中下沉情況分析

室內試驗過程中，采集各測點數據變化情況。表5表示不同B-B測線下，地中沉降在不同埋深情況。

表5 各測點地中沉降mm

由表5可知，埋深越大，地中沉降位移越大，埋深在B3-B3測線時，地中沉降位移達到最大值，越接近隧道軸線處，地中沉降位移越大。為進一步探究沉降變形，其曲線變化如圖6所示。

圖6 地中沉降曲線

由圖6可知，由于斷面距離較短，盾構機掘進引起擾動影響相似，地中每個測點沉降較為接近。地中測點越接近0，盾構掘進產生的震動影響越大，導致地中沉降呈現正態分布，且地中沉降峰值與埋深深度成正比。結合上述分析，進行土壓盾構不均勻地層時，易出現超挖上部軟弱土體，引起較大地層擾動，因此實際工程中應引起重視。

2.3 均質砂土試驗結果比較

對比江英超等［6］在均質砂土層試驗研究的結果，其均質砂土層基本物理指標如表6所示，試驗結果如表7所示。

表6 均質砂土層基本物理指標

表7 均質砂土層試驗結果

通過對比表4、5與7可知，實驗室盾構機掘進均質砂土層過程中，地表沉降大于地中沉降，地中沉降并且隨埋深增加而增加；實驗室盾構機掘進軟硬不均地層過程中，從地表至地中，沉降不斷增加。均質砂土層地表最大沉降高于本試驗結果，地中沉降則小于本試驗結果。

為了進一步研究兩種地層地中沉降形態，通過沉降槽寬度參數K進行比較，公式如下所示。

式中：i為沉降槽寬，cm；z0表示為距離（地表到軸線），cm；z為距離（地表到測線），cm。并由此得出兩種地層的對比沉降曲線，如圖7所示。

圖7 對比沉降曲線

由圖7可知，測線距地表深度與軸線距離地表深度比值越大，系數K值越大。砂土地層沉降曲線呈線性關系，軟硬不均地層則呈指數關系。當z/z0≤0.58時，K值保持不變。在相同比值下，砂土地層K值始終大于軟硬不均地層K值。

綜上所述，結合地中沉降值可知土壓盾構在軟硬不均地層中出現較為嚴重的損耗。借鑒于實際情況下，根據規范開挖，并在開挖過程中對軟弱土層加固，以此避免產生進一步沉降。

2.4 基于數值模擬地層變形研究

由室內試驗可知，盾構機在通過不均勻地層時，易觸碰軟弱土層，從而引起土層損失。故基于數值模擬對試驗過程地層變形進行研究，探究地層擾動情況。

模型建立之初，由于邊界效應因素，模型長度為4.4 m，寬度為2.4 m，高為2.5 m，埋深室內試驗一致，并在軸線上下方各0.55 m范圍內布置1.35～1.85 cm 半徑顆粒，其他區域則布置2.00～3.35 cm半徑顆粒，由此生成255 643個顆粒。數值模擬試驗前，對模型參數進行驗證，選擇室內試驗平均值為模型參數，并通過三軸壓縮試驗對軟硬不均勻地層土壤應力應變情況進行對比分析，如圖8所示。

圖8 室內試驗和數值模擬的應力應變曲線對比

由圖8可知，室內三軸試驗所得應力應變曲線與數值模擬所得結果基本吻合，證明室內試驗平均值參數可靠性，并由此建立模型，掘進速度為0.128 cm/min，盾構機轉速為1.2 r/min。

由于模型計算效率有限，因此選取盾構機掘進不均勻地層中3處典型階段進行分析，并設置3種不同工況，分別為工況1、工況2和工況3，代表砂土面積占比分別為0.25，0.50與0.75，其余均為硬巖層。首先通過沉降槽寬度參數K值比較室內試驗與3種工況的地中沉降形態隨埋深的變化，沉降槽寬度參數K值由公式（1）可得，如圖9所示。

圖9 地中沉降寬度參數-埋深曲線

由圖9可知，工況1的K值最大，而工況3的K值最小，說明砂土層占比越大，在相同深度下地中沉降槽越寬，硬巖層未限制住砂土變形位移。室內試驗從開始的全斷面硬巖逐步深入，直至砂土地層過程得到的K值與工況2的K值較為相似。而對于地表水平位移情況，需滿足公式：

式中：Sh為測點位移（任何一點），cm；x為距離（任何一點與中心線），cm；S0為地層表面沉降值（豎直），mm。對公式（2）進行求導可得：

式中：Shmax為最大橫軸位移（地表），cm。

將地中沉降情況與數值模擬計算對比。由圖10可知，地表水平位移與公式（3）得出地表水平位移較為類似，其中距離中心線在1時為反彎點，地表水平位移最大，距離中心線在3之后時，除工況3的地表水平位移大于式（3）所得值，工況1和工況2均與式（3）所得值吻和。由此說明數值模型地表水平位移情況符合公式（3），證明該數值模型地表水平位移變化規律的合理性。

圖10 地表水平位移曲線

3 結 論

通過室內盾構試驗，可以得到不均勻地層沉降規律，并與砂土地層進行對比，由于施工過程對軟土層產生較大擾動，因此通過室內試驗、數值模擬和公式計算相結合，對盾構機掘進過程不均勻土層沉降情況進行研究，得出以下結論：

（1）盾構機掘進不均勻地層時，盾構機在硬巖地層掘進引起地層擾動很小，掘進范圍越大，盾構機周圍地表沉降位移越明顯，需預先對地表土體進行加固，避免事故發生。

（2）斷面距離較短，盾構機掘進引起擾動影響相似。地中沉降呈現正態分布，且地中沉降峰值與埋深深度成正比。進行土壓盾構不均勻地層時，易出現超挖上部軟弱土體，引起地層擾動。

（3）軟硬不均勻地層沉降槽寬度參數與埋深比呈指數關系，砂土地層沉降曲線呈線性關系，在相同條件下，砂土地層地中沉降槽寬度參數大于軟硬不均勻地層。

（4）豎向沉降槽曲線反彎點的不均勻地層地表水平位移最大，且與黏土地層位移變化趨勢相同。