盾构隧道穿越粉细砂层时的地表沉降分析

张子真 孙玉辉 陈昌彦 王金明

(北京市勘察设计研究院有限公司,100038,北京//第一作者,工程师)

盾构隧道穿越粉细砂层时的地表沉降分析

张子真 孙玉辉 陈昌彦 王金明

(北京市勘察设计研究院有限公司,100038,北京//第一作者,工程师)

当盾构拱顶遇到粉细砂层,地表沉降累积值和速率均易超标。通过绘制单线盾构隧道地表沉降空间分布图,发现沉降大的区域与粉细砂层有明显的相关性。原因是粉细砂的粘聚力较小,自稳性差,容易受扰动坍塌,引起较大超挖。采用有限元软件Plaxis进行数值模拟。结果表明,相同盾构掘进参数下,含粉细砂区域的地层地表沉降明显偏大。

地铁; 盾构掘进; 粉细砂层; 地表沉降; 数值模拟

Author′s address Beijing Geotechnical Institute Engineering Consultants Co.Ltd.,100038,Beijing,China

北京地铁16号线永丰站—永丰南站区间采用盾构法施工。通过监测发现,该区间某些区域的沉降值和速率较大,连续几天出现红色预警,橙色预警更是频繁。其中第55排监测断面的4个监测点,同一天的沉降速率均超过了20 mm/d。

分析发现,红色预警居多的位置,盾构拱顶上方约有1～3 m厚的粉细砂层。笔者认为,这种粉细砂层的地质条件,决定了盾构掘进引发的地表沉降量较大。

1 工程概况

北京地铁16号线永丰站—永丰南站区间,起自位于北清路路中、规划永丰西二街西侧的永丰站。该区间线路出永丰站后由西向东敷设,在北清路与永丰路的交叉处以350 m的曲线半径转角,穿越五一渠后到达永丰路正下方;再沿永丰路由北向南敷设,到达位于永丰路路中、规划永丰南一街及永丰南三街之间的永丰南站。区间平面图如图1所示,地质纵剖图如图2所示。拱顶土层主要为②粉土、②1粉质黏土、③1粉质黏土、②3粉细砂、③3粉细砂。

图1 盾构区间总平面图

2 数据分析

本文只考虑单线盾构隧道掘进引发的地表沉降。由于右线先于左线掘进,故只考虑右线盾构掘进所引起的地表沉降,并在收集沉降数据时尽量筛除左线盾构的影响。从图1和图2可以看出,右线盾构掘进500 m后,开始由转弯过渡为平直段,在掘进到1 000 m之前,盾构拱顶有3次要进入到粉细砂层中,之后盾构将过渡到接收阶段。盾构始发、接收和转弯时,盾构机姿态控制难度加大,对地表沉降有加剧作用。为避开这些因素的影响,本文选择出永丰站后的里程500～1 000 m为研究对象,分析盾构平直段正常掘进阶段,地层对地表沉降的影响。

图2 盾构区间地质纵剖图

以里程为横轴,以右线盾构掘进所引起的右线正上方地表最终沉降量为纵轴,绘制沉降量分布图如图3所示。结合地质纵剖图分析,可以发现地表沉降和地质条件的相关性:当盾构拱顶在粉细砂层中掘进时,相应位置的地表沉降要明显增大。

图3 沉降分布图

为便于分析,图3盾构拱顶上方,沉降较大的三个区域,自北向南分别命名为A区、B区和C区;其下对应的盾构拱顶在粉细砂层中掘进的三个区域,分别命名为I区、II区和III区;邻近的粉质黏土层,分别命名为甲区、乙区、丙区和丁区。

地表沉降A区基本上以粉细砂层I区为中心,最大沉降量为27.16 mm,盾构掌子面上端2 m厚为③3粉细砂层,下端4 m厚为③1粉质黏土层。根据勘察报告:③3粉细砂层中密或密实,饱和,粘聚力为0,内摩擦角为25°,压缩模量Es1-2=15 MPa,土层修正后围岩分级为VI级,土石可挖性为II级;在地下水作用下易坍塌,无法形成应力拱,围岩稳定性差。相对于粉质黏土,这种土用手可轻易挖掘。盾构机刀盘边缘线速度很快,对粉细砂层来说是一个巨大的干扰源,很容易使拱顶上方的粉细砂大量散落,形成空洞。由于其无法像粉质黏土那样长期维持应力拱,以致快速坍塌,造成地表沉降过大。

③1粉质黏土层甲区和乙区上方的沉降则明显减少了许多。如甲区粉质黏土层上方的沉降最大为12.16 mm,约占A区地表最大沉降量的44.8%;乙区粉质黏土层上方的沉降最大为17.35 mm,约占A区地表最大沉降量的63.9%。可见,粉质黏土对于盾构沉降控制是有利的。

地表沉降B区基本上以粉细砂层II区为中心,最大沉降量为30.17 mm,盾构掌子面上端3 m厚为③3粉细砂层,大约一半在粉细砂层中,一半在粉质黏土中。在这一区域,盾构刀盘对粉细砂层产生了明显的扰动,导致超挖严重,最终引起了较大的地表沉降。

③1粉质黏土层乙区和丙区上方的沉降则明显减少了许多。如乙区粉质黏土层上方的沉降最大为17.35 mm,约占B区地表最大沉降量的57.5%;丙区粉质黏土层上方的沉降最大为20.20 mm,约占B区地表最大沉降量的67.0%。

和A区相比,B区的最大沉降量为30.17 mm,大于A区最大沉降量27.16 mm,而II区穿越③3粉细砂层厚度为3 m,也大于I区穿越③3粉细砂层厚度2 m。可见:盾构掌子面上端掘进通过粉细砂层的厚度越大,引发的地表沉降值也越大。

地表沉降C区基本上以粉细砂层III区为中心,最大沉降量为27.13 mm,盾构掌子面上端2 m厚为③3粉细砂层,下端4 m厚为③1粉质黏土层。在这一区域,盾构刀盘对粉细砂层产生了明显的扰动,导致超挖严重,最终引起了较大的地表沉降。

③1粉质黏土层丙区和丁区上方的沉降则要明显减少许多。如丙区粉质黏土层上方的沉降最大为20.20 mm,约占C区地表最大沉降量的74.5%;丁区粉质黏土层上方的沉降最大为14.04 mm,约占C区地表最大沉降量的51.8%。

和B区相比,C区的最大沉降量为27.13 mm,小于B区最大沉降量30.17 mm,与A区的最大沉降量27.16 mm相当;而III区穿越③3粉细砂层厚度为2 m,也小于II区穿越③3粉细砂层厚度3 m,与I区穿越③3粉细砂层厚度2 m相当。这说明盾构掌子面上端掘进通过的粉细砂层厚度越大,地表沉降值也会越大。

3 数值模拟

为了更好地理解盾构掘进时粉细砂层对地表沉降的影响,利用有限元软件Plaxis 8.5进行数值模拟。隧道开挖对于土体来说是一个卸载的过程,如采用常规的摩尔-库仑模型计算,由于其无法考虑卸载再压缩模量与首次压缩模量的差异,容易得出失真的结果。采用应变硬化模型(又称Hardening Soil模型或HS模型),可以很好地解决这一问题。应变硬化模型既可以模拟软土,也可以模拟硬土。

其屈服准则是摩尔-库仑准则,并加入了一个屈服盖帽。但与普通摩尔-库仑模型不同的是,该模型首次压缩和卸载再压缩采用的是不同的模量,这和实际情况更加接近。该模型共有11个参数,其中m、E50,ref、Eoed,ref、Eur,ref、vur、pref是摩尔-库仑模型所没有的新参数。m为本构关系式的幂次,一般取0.4～0.7,根据软件手册建议,本次取0.5;E50,ref是三轴压缩试验在100 kPa围压下,偏应力与轴向应变试验曲线中50%极限荷载所对应的割线模量;Eoed,ref为固结试验中,荷载σ1为100 kPa所对应的切线模量;Eur,ref为三轴压缩过程中,卸载再加载的割线模量;vur为卸载再加载泊松比,一般取0.2;pref为参考应力,一般取100 kPa。

由于目前的勘察工作只进行固结不排水三轴剪切试验,很少进行固结排水三轴剪切试验,且勘察报告只提供Es1-2,不提供各种土工试验的原始数据,因此无法直接从勘察报告中得到关键的模量参数。为此笔者查阅了相关文献,发现国内目前的研究中,文献[1]对上海地区的四种土进行了常规三轴固结排水试验,并计算了E50,ref、Eoed,ref、Eur,ref等与Es1-2的比例关系。本文在模拟中假设永丰站—永丰南站区间所遇到的③1粉质黏土和③3粉细砂与文献[1]所研究的土服从相同的规律,并根据其研究成果,推算出③1粉质黏土和③3粉细砂可能的E50,ref、Eoed,ref、Eur,ref,输入软件计算,进行定性分析。

本文进行数值模拟所建立的2D模型(如图4),宽度为400 m,厚度为75 m,盾构直径为6 m,管片厚度为0.35 m,中心埋深为30 m,上层土和下层土的分界面埋深30 m;根据勘察报告,取地下水位埋深为7 m。模型左、右边界限制法向位移,底部固定。为简化计算,本次模拟只考虑③1粉质黏土和③3粉细砂两种土层。土的各项参数如表1所示。表中,c为粘聚力,φ为内摩擦角,k为渗透系数,e为孔隙比,γ为湿重度,γsat为饱和重度。

表1 土体参数

几何模型建好后,采用软件自动程序生成网格。网格密度采用“中等”,如图5所示。网格划分后,可生成初始条件。将地下水位设定在-7 m的位置,并生成初始静水压力,如图6所示。然后生成初始应力,如图7所示。接下来进行计算。为了比较相同掘进条件、不同地层条件下地表沉降的差异情况,先后进行3次模拟。每次模拟在建立几何模型时,按照图4和表2对各土层进行定义。

图4 几何模型

图5 网格划分

图6 初始静水压力

图7 初始应力

表2 土层定义

计算步骤为:

第一步:激活“隧道管片”,挖掘管片内的土,排干管片内的地下水,重新计算孔隙水压力。

第二步:双击“隧道中心”,设置超挖率为2%,相当于盾构直径减少了12 cm,以此模拟盾构的超挖现象。

第三步:点击“计算”按钮,开始计算。

计算完成后,输出地表沉降值,绘制沉降槽曲线,如图8所示。

从图8中可以看出,在相同盾构施工条件下(超挖率),地层情况对隧道上方的沉降槽具有显著的影响。

第1次模拟中,整个模型都是均一的③1粉质黏土,此时沉降量较小,最大值为16.48 mm。

第2次模拟中,上层土为③3粉细砂,下层土为③1粉质黏土,沉降明显增大,最大值为21.01 mm。第1次模拟的最大沉降量约占第2次模拟的最大沉降量的78.4%。

图8 沉降槽

第3次模拟中,整个模型都是均一的③3粉细砂,此时沉降最为剧烈,最大值为33.07 mm。第1次模拟的最大沉降量约占第3次模拟的最大沉降量的49.8%。

从3次模拟的结果来看,盾构拱顶进入粉细砂层中掘进,可以明显增大地表沉降趋势。而盾构掌子面进入到粉细砂层的厚度越厚,沉降增大的趋势也越明显。这与图3观察到的趋势是一致的。

4 结语

盾构拱顶在粉细砂层中掘进,土层易受刀盘的扰动,粉细砂易散落,产生明显的超挖,加大地表下沉。数值模拟结果表明,在相同超挖量的情况下,粉细砂层倾向于产生比粉质黏土更大的地表沉降。在这两个因素的共同作用下,盾构拱顶在粉细砂层中掘进所引发的地表沉降,比在粉质黏土中掘进时大。盾构掘进过程中要下穿粉细砂层时,应提前做好掘进参数调整,加强同步注浆和二次注浆,控制地表沉降。同时加强现场监测和巡视,使道路变形趋势处于可控状态。

[1] 王卫东.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学,2012,33(5):2283-2290.

Analysis of Surface Subsidence with TBM Boreing through Fine Sand Stratum

ZHANG Zizhen, SUN Yuhui, CHEN Changyan, WANG Jinming

Boring through the fine sand stratum with TBM (tunnel boring machine) will cause great and fast surface subsidence,which may exceed the limits given by designers.By drawing the spatial distribution of surface subsidence for single shield tunnel,the obvious correlation between large area of surface subsidence and the fine sand stratum is detected,because the fine sand is vulnerable to collapse due to its weak cohesion,which results in unnecessary over-excavation.Numerical simulation with finite element software Plaxis also indicates that fine sand stratum is more susceptible to surface subsidence than clay layer when the shield driving parameters are the same.

metro; shield driving; fine sand stratum; surface subsidence; numerical simulation

TU433:U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.04.025

2015-05-18)