建筑技術(shù)丨上軟下硬地層中土倉壓力變化對(duì)地表變形的影響研究

近年來，我國盾構(gòu)施工向著復(fù)合式盾構(gòu)方向發(fā)展，在上軟下硬地層施工中，復(fù)合式盾構(gòu)占比逐漸提升。相對(duì)于單一地層，盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工極易發(fā)生盾體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、刀具損壞、上部軟弱地層超挖、地表沉降不可控等問題，給地鐵隧道及周邊建筑物帶來極大的安全隱患。針對(duì)這些問題，相關(guān)專家和學(xué)者提出地表沉降的計(jì)算理論。劉建航等根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析了隧道縱向變形規(guī)律；江帆等考慮盾構(gòu)施工工況、地層分布和管片與土體接觸情況等，建立了上軟下硬地層地表沉降規(guī)律；劉聯(lián)偉針對(duì)廣州地鐵復(fù)合巖土地層施工引起的地表變形機(jī)理和地表沉降進(jìn)行研究；朱洪威以廣州地鐵4號(hào)線為依托建立土壓盾構(gòu)模型對(duì)隧道施工中引起的地表沉降進(jìn)行了研究；姜忻良等利用現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測盾構(gòu)推進(jìn)過程中的變形和巖土體擾動(dòng)規(guī)律；譚忠盛等分析軟硬不均地層中盾構(gòu)掘進(jìn)方向偏差的原因，并提出了控制措施；趙先鵬研究深圳地鐵5號(hào)線上軟下硬地層，提出了土倉壓力對(duì)地表變形的影響；周純擇等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了地層參數(shù)和地表沉降的預(yù)測模型；韓煊等提出了沉降槽寬度隨地層埋深的變化趨勢，應(yīng)用較為廣泛；李有兵等研究發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)開挖上部土體影響較大，下部巖體有小幅度上浮現(xiàn)象。但是，上述研究忽略了土倉壓力在上軟下硬地層中地表沉降的影響，本文依托深圳地鐵14號(hào)線大運(yùn)~寶荷區(qū)間上軟下硬盾構(gòu)工程，研究土倉壓力對(duì)地表變形的影響。1、工程概況深圳地鐵14號(hào)線大運(yùn)~寶荷區(qū)間全長5?573.421?m，盾構(gòu)洞身穿越范圍內(nèi)地層為軟土或全強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，實(shí)測單軸飽和抗壓強(qiáng)度值為32.9~103.0?MPa、全強(qiáng)風(fēng)化砂巖，中下部為中風(fēng)化、微風(fēng)化灰?guī)r，巖土強(qiáng)度軟硬不均，屬典型的上軟下硬地層（圖1）。圖1三維數(shù)值模型大運(yùn)~寶荷區(qū)間采用6?980復(fù)合盾構(gòu)，雙線間距9.814~39.662?m，區(qū)間埋深11.4~67.0?m。本次模擬采用雙線凈間距12?m，頂板埋深12?m，注漿層厚度14?cm，隧道外徑6.7?m，內(nèi)徑6?m。2、計(jì)算模型建立以深圳地鐵14號(hào)線大運(yùn)~寶荷盾構(gòu)區(qū)間穿越上軟下硬地層為依托，采用FLAC3D軟件，從土倉壓力變化方面研究上軟下硬地層的變形規(guī)律。2.1模型的建立2.1.1模型尺寸建立模型以隧道周圍巖土體為研究對(duì)象，其寬度為67.96?m；由于底部基巖巖體強(qiáng)度高，巖體結(jié)構(gòu)較完整，故其厚度對(duì)地表沉降的影響不大；模型高度取為53.98?m，掘進(jìn)方向長度是掘進(jìn)環(huán)數(shù)的整數(shù)倍，取為50m。最終得到的模型尺寸為50?m×67.96?m×53.98?m（長×寬×高）的計(jì)算模型，共146?000個(gè)網(wǎng)格單元，150?501個(gè)節(jié)點(diǎn)單元。2.1.2上軟下硬地層模型深圳地鐵14號(hào)線大部分區(qū)間位于洞身穿越范圍內(nèi)，中上部地層為軟土或全強(qiáng)風(fēng)化巖層，中下部為中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，巖土強(qiáng)度軟硬不均，屬于典型的上軟下硬地層（圖2）。盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，易造成上部超挖，使地面發(fā)生較大沉降，甚至發(fā)生塌陷。圖2上軟下硬地層模型2.1.3管片及注漿層模型隧道開挖直徑為6.98?m，模擬方案將盾尾空隙設(shè)置為同步注漿層，盾尾空隙設(shè)為0.14?m，管片厚0.35?m，隧道內(nèi)徑6?m。管片支護(hù)與注漿層使用實(shí)體單元（brick）實(shí)現(xiàn)；土倉壓力隨每步開挖施加于開挖面處。將注漿壓力設(shè)置為0.1?MPa，以減弱注漿對(duì)地表沉降的影響。盾構(gòu)每實(shí)際環(huán)開挖進(jìn)程為1.5?m，為簡化計(jì)算步驟，模擬中設(shè)置為每環(huán)開挖10?m，共掘進(jìn)5次（圖3）。圖3隧道管片模型及注漿模型管片混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50。根據(jù)修正慣用法，采用線彈性單元按整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。抗彎剛度有效率取η=0.75考慮本工程管片錯(cuò)縫安裝的影響，管片的彈性模量和泊松比分別取25.9GPa和0.16。2.1.4注漿壓力和土倉壓力分布在實(shí)際工程中，一般采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定土倉壓力，因此土倉壓力設(shè)定經(jīng)常會(huì)偏大或偏小，不利于施工控制，故根據(jù)14號(hào)線施工情況，土倉壓力取0.1~0.35?MPa，盾尾同步注漿一般取0.1?MPa（圖4）。圖4注漿壓力與土倉壓力2.2關(guān)鍵參數(shù)選取本節(jié)土體單元采用摩爾—庫倫模型，土體彈性模量取10×106?Pa，抗剪強(qiáng)度3.8×106?Pa，粘聚力20×103?Pa，內(nèi)摩擦角18°。注漿層的泊松比取為0.2，彈性模量選9?GPa，注漿壓力取值0.1?MPa，模擬相關(guān)參數(shù)取值見表1。表1巖土體物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算參數(shù)3、不同土倉壓力下地表沉降3.10.01?MPa土倉壓力地表沉降土倉壓力為0.01?MPa地表沉降變形圖如圖5所示。圖50.01?MPa地表沉降變形（計(jì)算機(jī)截圖）由圖5可看出：（1）在掘進(jìn)30?m處，隧道地表沉降最大值位于掌子面前方0.3倍開挖洞徑處，最大沉降值達(dá)15?mm，沉降范圍大致為漏斗形分布；（2）掘進(jìn)過程中，地表沉降在刀盤前方的沉降范圍影響最大，達(dá)到2倍開挖洞徑；（3）在刀盤后方，地表沉降影響范圍為1倍的開挖洞徑。3.20.08?MPa土倉壓力地表沉降土倉壓力為0.08?MPa時(shí)的地表變形如圖6所示。圖60.08?MPa地表變形（計(jì)算機(jī)截圖）由圖6可看出：（1）在掘進(jìn)30?m處，隧道地表沉降最大值位于掌子面處，最大沉降值達(dá)3.2?mm；（2）0.08?MPa土倉壓力和掌子面壓力保持平衡狀態(tài)，刀盤掌子面周圍地表未發(fā)生明顯沉降和隆起。3.30.3?MPa土倉壓力地表沉降土倉壓力為0.3?MPa時(shí)的地表變形如圖7所示。圖70.3?MPa地表變形（計(jì)算機(jī)截圖）由圖7可看出：（1）0.3?MPa土倉壓力下，在掘進(jìn)30?m處，位于掌子面前方1倍的開挖洞徑處發(fā)生鼓包，鼓包最大達(dá)3?mm，鼓包范圍大致按橢球形分布；（2）鼓包沿掘進(jìn)方向達(dá)到4.5倍的開挖直徑，掘進(jìn)橫斷面方向影響達(dá)到4.2倍開挖直徑；（3）考慮到掘進(jìn)過程中的泥水作用，在較大土倉壓力工況下地表會(huì)發(fā)生冒泥風(fēng)險(xiǎn)。3.4小結(jié)通過對(duì)土倉壓力0.01?MPa,0.02?MPa,0.04?MPa,0.08?MPa,0.1?MPa,0.15?MPa,0.2?MPa,0.25?MPa,0.3?MPa的分析可以得出地表沉降和土倉壓力的關(guān)系大致呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（圖8、圖9）。圖8地表沉降與隧道縱斷面的關(guān)系圖9不同土倉壓力下地表沉降為研究土倉壓力和地表變形的規(guī)律，分析不同土倉壓力和地表變形的最大量，形成如下式的關(guān)系。y=5.0437ln（x）+9.2953式中：y為地表變形（mm）；x為土倉壓力（MPa）。相關(guān)性系數(shù)R2=0.9845，表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。4、現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表變形監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。圖10現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比測點(diǎn)位置和監(jiān)控記錄時(shí)間發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土倉壓力在0.05~0.1?MPa時(shí)地表沉降在12?mm附近，模擬誤差和現(xiàn)場實(shí)測誤差較小，符合模擬要求。5、結(jié)論（1）為避免在水土混合壓力下地表隆起冒泥，必須將土倉壓