高富水砂卵石迟滞沉降室内模型实验研究*

王晟鹏，孙靖杰

1.西藏大学工学院 西藏 拉萨 850000

2.西南交通大学地球科学与环境工程学院 四川 成都 611756

目前，由于成都地区特殊的地质特征，砂卵石地层具有高富水、砂层透镜体分布不均、砂卵石含量高、卵石和漂石强度高、稳定性差、透水性强、地面沉降不易控制等特点，在砂卵石层中盾构隧道开挖后容易产生卵石颗粒扰动，导致在地铁施工中出现较多地表沉降或者塌陷等工程问题。如成都地铁1 号线锦江路段发生路面塌陷、地铁2号线盾构掘进发生多处地表滞后沉陷等工程问题[1]。砂层透镜体在动力扰动下发生液化流失，这对地层变形将是灾难性的[2]，国外、国内对透镜体和漂石的研究相对较少。

文章研究在砂卵石地层中砂层透镜体和漂石对地层损失引起地表沉降特征的影响变化规律，可用来指导实际工程的勘察、设计以及施工，使成都砂卵石地层中盾构隧道施工更加安全、高效、经济，为成都市未来更大规模的地铁建设提供技术支撑。

1 模型试验设计

1.1 模型尺寸设计及材料选择

根据几何相似比原理[3]和在相关文献[4]的研究基础上确定隧道外径尺寸相似比设置在15 ∶1，地铁隧道外径约为6m，取6m 为基准进行相似模型设计。模拟试验隧道洞径为400mm，最终设计试验箱体的几何尺寸为长1500mm、宽900mm、高1200mm。采用相似级配法并结合19 号线二期工程项目中砂卵石粒径筛分试验粒径的范围区间划分见表1。

表1 影响因素设置表

1.2 实验影响因素确定

实验方案一见表2，实验方案二用漂石替换透镜体。

表2 影响因素设置表

2 实验过程

（1）按照相似比等比例进行模型土样的配制。

（2）放置相应体积的充水水袋于隧道中心正上方，模拟地层空洞，关闭所有排水通道的排水阀，将试验土样装填在试验箱体，待土体装填到相应高度时，分别在相应位置放置砂层透镜体（见图1）或者漂石（见图2），并对土体进行夯实，填土完成后布置位移传感器。

图1 隧道正左侧砂层透镜体

图2 隧道正左侧漂石

（3）将位移传感器（见图3）连接至信号接收装置上对应的通道，调试装置，设置相关的参数，试验开始后监测数据并设置自动记录数据直至试验结束。

（4）打开充水水袋排水管的开关，排出水袋中液体形成地层空洞，同时运用应变测试分析系统监测和采集传感器数据。

（5）根据试验方案设计表，改变试验中因素，重复上述步骤，得到新的试验数据，完成设计的所有试验方案。

图3 位移传感器

3 结果分析

3.1 不同隧道上覆土深度情况下的地表沉降

隧道埋深50cm，地层空洞体积为3000mL，漂石和砂层透镜体在隧道正上方20cm 条件下的沉降分析分别见图4、图5。

图4 含漂石情况地表沉降

图5 含砂层透镜体情况地表沉降

由图4、图5 可知，隧道正上方3 号位移传感器的迟滞沉降反应最为迅速，2 号和4 号变化速率相对变慢，且两者在时间上有着较一致的变化趋势；1 号和5 号位移传感器迟滞沉降变化量最小，且变化速率最慢，可知在该试验条件下，以隧道正上方的位置为中心，两侧相对位置在时间上有着较一致的变化趋势。不同条件下漂石和砂层透镜体地表沉降曲线对比见图6。

图6 不同条件下漂石和砂层透镜体地表沉降曲线对比

由图6 可知，改变隧道埋深，沉降曲线的形态基本保持不变，总体形态特征符合Peck[5]假定的高斯分布曲线，沉降槽宽度略有增大。地层位移主要出现在隧道正上方位置，随着隧道埋深的增加，隧道上方深“V”沉降槽的下部快速向下延伸。

3.2 不同地层空洞体积大小情况下的地表沉降

在隧道埋深试验得到的变化规律基础上，以不同的地层损失情况为研究目标，选取50cm、70cm、90cm 三种隧道埋深作为对比，以地层空洞体积3000mL、2000mL、1000mL 作为研究因素变量，在第一部分隧道埋深试验方案的基础上，进行不同地层损失情况下的地表沉降分析（见图7）。

图7 漂石和砂层透镜体地层空洞不同引起的沉降对比

在试验条件下，从横断面内来看，地层空洞出现后地层沉降主要出现在隧道中心正上方，在隧道中心范围影响外的位置沉降量显著减小。这种情况主要是由于砂卵石地层的黏聚力小，空洞出现后砂卵石骨架无法长期维持平衡状态，同时由于砂卵石地层具有松散、颗粒性强的特点，空洞扩散过程中地层结构颗粒间呈点对点受力，在地层中力的传递范围较小，地层空洞在横断面内沉降才会主要出现在地层空洞的正上方。

4 结论

（1）从室内模型试验中可知，不同地层空洞大小所引起的地表沉降形态符合Peck 曲线。（2）地层空洞通过装满水的液囊排水的过程模拟空洞的产生，没有实际施工中盾构机掘进对地层的动态扰动，随着地层空洞大小的增加，对应情况下的最大地表沉降显著增加。（3）随着地层损失的增大，地表沉降量也逐渐增大，同时比较得出在相同的条件下，漂石和砂层透镜体对比分析，漂石造成的迟滞沉降影响比砂层透镜体更大，且造成的沉降量比较大。通过分析得出，选取的红砖模拟的漂石体积过大，而砂层透镜体在没有水动力和盾构扰动的情况下是较为稳定的，故漂石的沉降效果更为明显。