砂卵石地层盾构开挖面失稳破坏模型试验研究

宋伟涛， 张 佩， 杜修力， 林庆涛

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室， 北京 100124； 2.北京建筑大学土木与交通工程学院， 北京 102616；3.香港理工大学土木与环境工程学系， 香港 999077)

砂卵石地层是一种常见的工程地质体，在我国北京、成都和沈阳等地广泛分布. 由于砂卵石地层具有孔隙大、地层扰动性强等特点，盾构掘进过程极易引起围岩过大变形. 同时，盾构机土压舱内支护压力过小也会引起开挖面主动破坏甚至引发地表塌陷事故[1-2]. 因此，开展砂卵石地层盾构隧道开挖引起的围岩扰动研究具有重要意义.

针对砂卵石地层盾构掘进地表沉降规律，国内外学者开展了一系列的研究. 常用的研究手段主要有：理论分析法[3-5]、经验公式法[6-7]、现场监测法[8-10]、数值模拟法[11-14]和模型试验法[15]等. 在模型试验的研究中，李伟平等[16]研究浅埋砂卵石地层地表沉降槽形态，结果表明：砂卵石地层地表沉降值分布符合Peck曲线形态. 然而，王俊等[17]采用直径800 mm模型盾构机开展试验研究，结果表明：地表沉降槽形式呈V型分布，江英超[2]、胡雄玉等[18]得出相同的结论. 可以看出，学者们得出的砂卵石地层盾构掘进引起的地表沉降规律不尽相同，仍需探究.

针对砂卵石地层盾构隧道开挖面失稳破坏问题，国内外学者开展了一定的模型试验研究. 范祚文等[19]采用刀盘原位旋转、人工出土的方式开展砂卵石地层的开挖面失稳破坏模型试验，研究表明：由于土拱的存在，开挖面前方土体经历局部破坏到整体破坏的发展过程. 李伟平等[16]通过刀盘后退的方式模拟砂卵石地层开挖面主动破坏过程，结果表明：随开挖面位移增大，开挖面上方地层先沉降，而后向上发展. 由此可见，学者们研究砂卵石地层开挖面失稳破坏的发展规律，但未采用刀盘旋转、螺旋出土器匀速出土的方式真实模拟盾构开挖面破坏过程，同时对开挖面失稳破坏在地层中发展过程的监测分析较少. 此外，未对比分析不同开挖面实现方式引起的地表塌陷的差异.

本文以清华园隧道盾构段为工程背景，采用φ280 mm模型盾构机开展砂卵石地层盾构开挖围岩扰动模型试验，通过监测地表变形值分析盾构掘进引起的地表沉降曲线特征，然后采用螺旋出土的方式实现盾构开挖面主动破坏并分析地层破坏的发展过程，最后对比2种不同开挖面主动破坏实现方式引起地表塌陷特征的差异.

1 工程背景

新京张铁路清华园隧道工程位于北京市海淀区，隧道入口位于学院南路北侧，出口位于双清路北侧，全长5 330.0 m. 隧道两端采用明挖法施工，中段采用盾构法施工，盾构段的长度为3 766.5 m. 盾构段采用2台φ12.61 m泥水平衡盾构机进行施工，分别从3#盾构竖井始发至2#盾构竖井接收和从2号竖井始发至1#竖井接收. 盾构刀盘的开口率大于30%，刀盘开口部分设计为便于流动的楔形结构，利于渣土流动. 盾构隧道采用管片拼装式衬砌，管片外径12.2 m，内径11.1 m，管片厚0.55 m，环宽2.0 m. 盾构掘进过程中，管片与地层间的空隙采用水泥砂浆同步注浆填充.

清华园隧道盾构段地层主要为第4系全新统人工堆积层(Q4ml)杂填土和第4系全新统冲洪积层(Q4al+pl). 盾构隧道纵断面的地层条件从上到下依次是人工填土、粉质黏土和卵石土等，见图1. 盾构段穿越的地质主要为卵石土地层，其中全断面砂卵石地层达1 800 m，砂卵石复合地层达1 200 m. 盾构穿越的砂卵石地层厚度为0.8～16.6 m，密实度为稍密或中密，呈圆棱状. 土体粒径最大约为150 mm，大于60 mm的卵石的质量分数约55%，20～60 mm的卵石的质量分数约15%，余为砂充填，级配较好，岩芯呈散状，未见胶结，见图2. 新建隧道顶部大部分时间位于砂卵石地层中，盾构开挖面前方容易发生局部塌陷.

图1 清华园隧道纵断面图

图2 盾构段卵石岩芯照片

2 模型试验设计

依托清华园隧道盾构工程，采用课题组自主设计的模型盾构试验平台，开展砂卵石地层盾构掘进引起的地表沉降及开挖面失稳破坏规律研究.

2.1 模型试验平台

为开展砂卵石地层盾构隧道开挖地表沉降及开挖面主动破坏模型试验研究，课题组自主设计研发了盾构隧道开挖模型试验平台[20]. 模型试验平台主要包括模型箱、模型盾构机和模型盾构控制系统3个部分，见图3.

图3 模型试验平台

模型箱为钢性箱，尺寸(长×宽×高)为2.0 m×2.0 m×1.5 m，其前后箱壁开有直径为28.5 cm的洞口，便于盾构机刀盘进出模型箱. 在模型箱内沿开挖方向1.0 m处设置中隔板卡槽，可在其中安装中隔板将模型箱分隔为2个独立空间，实现1次试验2个工况的目的. 模型盾构机可实现刀盘旋转、盾构顶进和螺旋出土等功能. 与真实盾构机不同，模型盾构机为顶管式推进装置，衬砌与盾壳连接在一起随刀盘向前顶入模型箱内部，等效于边掘进边管片支护. 隧道衬砌的外径为28 cm，刀盘的开口率为45%，类型为辐板式，螺旋出土器的最大排出粒径为1 cm. 由于盾构机的直径过小，不考虑盾构壁后注浆.

控制系统可以独立地调节刀盘和螺旋出土器的旋转以及盾构机身的顶进. 当控制系统控制顶进电机时，可实现盾构机顶进的开始、结束，并能随时改变顶进速度；当控制刀盘或螺旋出土器电机时，可实现其正向(顺时针)和反向(逆时针)旋转及停止，并能随时调节其转速. 此外，控制系统可以实时监测盾构掘进全过程的掘进参数，如刀盘转速和扭矩、顶进速度和顶进力等.

为实时监测刀盘前方土压力大小，在刀盘面板上镶嵌土压力盒，土压力盒直径为10 mm，孔的直径为11 mm，土压力盒与刀盘面板孔径之间用软胶填充. 刀盘面板上土压力盒的布设位置如图4所示. 监测刀盘土压力时，将土压力盒引线通过刀盘中轴引至盾尾，连接上无线发射器，避免了刀盘旋转时将刀盘面板上土压力盒导线绞断. 同时，在盾构机旁边放置无线接收仪，连接计算机接收无线发射器发送的数据. 无线采集系统见图5.

图4 刀盘上土压力盒位置

图5 无线采集仪装置

2.2 相似砂卵石地层设计

由清华园隧道盾构机直径12.61 m及模型盾构机直径28 cm可知，模型试验中的几何相似比为1∶45. 在配制模型试验中砂卵石相似地层材料时，只考虑其粒径与清华园隧道地层粒径的几何相似比，不考虑地层物理力学参数的相似.

基于清华园隧道盾构工程中砂卵石地层颗粒组成，根据模型试验中地层颗粒粒径的几何相似比1∶45，计算出模型试验中的土颗粒等效粒径范围，见表1. 综合考虑试验目的和试验效率，模型试验采用粒径范围为0.15～0.25 mm的粉砂和粒径范围为2.00～3.00 mm的角砾土分别模拟工程中小于20 mm 和大于20 mm的地层组分，质量分数分别为30%和70%，见表2. 将2种土体按质量比均匀混合配置模型试验中的砂卵石地层，对应的卵石质量分数为70%. 此外，根据清华园隧道典型断面的埋深情况，将模型试验中地层埋深设计为2D，D为隧道直径.

表1 工程中地层组分粒径及等效相似粒径

表2 模型试验中地层组分

根据清华园隧道盾构段工程地质勘查报告，盾构穿越砂卵石地层的密实度为中密，故将模型试验中地层的密实度设计为中密. 基于室内相对密实度试验，测得模型试验地层的最大干密度和最小干密度分别为2 100、1 495 kg/m3. 试验中取地层相对密实度Dr为0.55，根据砂土的相对密实度公式，计算得到试验中地层的填土干密度为1 776 kg/m3.

此外，针对模型试验中的砂卵石土体还开展了室内含水率试验和直剪试验，测得土体的含水率近似为0%，内摩擦角为44°.

2.3 监测方案

2.3.1 监测点布设

本次试验主要监测地中及地表变形，在模型箱内地层中布设相应的监测点.以下分析中以盾构始发断面和盾构隧道中心线为x向和y向，盾构刀盘面板中心为原点O，隧道中心线右侧为横坐标x的正方向，盾构掘进方向为纵坐标y正方向.具体监测点位置布设见图6、7.

图6 地表位移监测点(单位：mm)

1)地表监测点

地表位移监测点布置如图6所示，其中，横向监测断面有3条，分别为y190、y400和y470断面；纵向监测断面也有3条，分别为x0、x70和x-140断面.测点编号为1～14和21～29.

2)地中监测点

地中监测点布置如图7所示，监测断面由y400和y470两条横断面和x0纵断面组成，分别见图7(a)(b).其中，测点11、12和测点35、36位于y400断面上，其余测点均位于y470断面上.地中位移测点只布设在盾构掘进中心线上及其一侧.

图7 地中监测点布设位置(单位：mm)

同时，为观察开挖面失稳破坏过程中地表塌陷的范围，在图6中地表位移测点12的四周用色砂绘制网格线，见图8.

图8 网格状色砂线

2.3.2 监测设备

本试验主要监测砂卵石地层的地表位移和地中位移，其中，地表位移采用顶杆式位移计测量，地中位移采用光栅尺位移计系统测量.

地表位移监测装置见图9. 在测量地表位移时，将位移计通过直角铁片和卡扣固定在位移计支架上，调节位移计高度后固定在直角铁片上，见图9(a). 地表测点位置放置1个2.5 cm×2.5 cm的地表钢片，用502胶水将位移计顶杆末端与钢片垂直连接，防止两者相对滑移，见图9(b).

图9 地表位移监测装置

地中位移的测量采用光栅尺位移计系统间接测量. 光栅尺位移计系统放置在模型箱外侧，与模型箱及地层无直接接触，通过将地中钢丝引至光栅尺位移计上进行测量. 地中位移测量的步骤如图10所示. 测量时，在地中测点位置水平放置直径为2.5 cm的圆形垫片，每个垫片中心固定1条直径为0.3 mm的细钢丝，见图10(a). 为消除钢丝与土体的摩擦，在钢丝周围套上内径为1 mm有机玻璃管，然后埋设地中垫片和有机玻璃管，见图10(b). 最后，钢丝垂直向上延展经滑轮改变为水平方向，连接上光栅尺位移计进行测量，见图10(c). 地中垫片发生竖向位移，带动钢丝运动，进而在光栅尺位移计系统上显示位移量. 光栅尺位移计系统的测量精度为1 μm，光栅尺位移计见图10(d).

图10 地中位移测量的步骤

2.4 填土方案

本次试验在模型箱的前半箱中开展，底面积为2.0 m×1.0 m. 填土采用密度控制法，即每层填筑相同质量的土体. 每层填土的控制标高为10 cm，根据模型箱底面积和填土密度，计算得到每层(10 cm)填土的质量为355 kg. 试验中填土的压实方式为人工夯实.

具体填土的步骤(见图11)为：

1)试验前的准备工作. 在模型箱内壁粘贴光滑的塑料卷材，减小土体与箱壁间的摩擦；为精确控制填土高度，在箱壁四周粘贴金属黏性尺，沿高度方向用铅笔每间隔10 cm在塑料卷材上划水平线；同时在箱壁四周绘制各监测断面的竖直线.

2)分层填土. 根据每层填土的质量355 kg，用塑料桶从模型箱一侧向模型箱内分区域倒入土体，达到该层填土质量后，用平砂耙将虚土扒平，见图11(a)(b).

3)分层夯实. 采用夯锤人工夯实至10 cm，从模型箱一个角开始蛇形前进夯实，一夯压半夯，直至压实至标高，见图11(c).

4)检验标高及平整度. 用红外线扫描仪检验每层填土是否达到标高和平整，见图11(d). 若未达到标高，则继续夯实至标高；若超过标高，则将该层砂土耙松后重新夯实.

图11 填土的步骤

5)循环往复. 分层填土，直至达到地表标度.

在分层填土的同时，需要在地中监测点位置埋设地中位移计的垫片. 埋设时先将填土高度超过监测点的埋深，然后挖槽放入位移计垫片，埋好之后轻轻补夯并重新整平.

2.5 试验开挖方案

基于试验目的制定模型试验开挖方案，盾构掘进的过程可分为3个阶段(见图12).

图12 模型试验各阶段(单位：mm)

第1阶段：掘进段(刀盘面板y=30～400 mm)，目的是研究盾构掘进过程中地表沉降规律. 启动盾构机的刀盘电机、螺旋出土电机和顶进电机，使刀盘正向旋转、螺旋出土并开始顶进，从起始位置开挖至y400位置停止；设置顶进速度为5.0 mm/min，刀盘转速为1.0 r/min，初始螺旋出土器转速为5.0 r/min. 在掘进过程中，保持刀盘转速和掘进速度不变，通过调节螺旋出土器的转速使土仓内的进土量和出土量达到动态平衡. 盾构机在正常掘进段的掘进参数见表3.

表3 盾构掘进参数

第2阶段：出土破坏段(刀盘面板y=400 mm)，目的是研究盾构开挖面主动破坏发展过程. 盾构机停止在y400位置，采用刀盘空转、螺旋出土的方式实现盾构开挖面主动破坏过程. 设置模型盾构机刀盘的转速为0.2 r/min，出土速度为1.0 r/min. 每15 s称一次出土质量，直至30 min时关闭盾构机电机，该阶段结束.

第3阶段：后退破坏段(刀盘面板y=680～660 mm)，目的是分析不同开挖面主动破坏方式引起的地表塌陷坑特征的差异. 盾构机从y400掘进至y680后，关闭盾构机所有电机，静置一段时间. 然后，采用刀盘反向旋转、盾构机刀盘及机身整体匀速后退的方式实现盾构开挖面主动破坏过程. 设置后退速度为1.0 mm/min，刀盘反转的速度为0.2 r/min，后退距离为20.0 mm.

3 掘进过程地表沉降规律

模型盾构机从y30掘进至y400过程中，监测y190断面各测点的地表沉降值，分析横向地表沉降槽形态和地表沉降时程变化规律.

3.1 横断面地表沉降槽

试验过程中，模型盾构机刀盘掘进至不同位置处时y190断面地表沉降曲线如图13所示.

图13 y190横断面地表沉降曲线

图13表明，y190断面横向地表沉降曲线关于隧道中心线非对称分布.隧道中心线正上方的地表沉降值最大，其他测点的地表沉降值随着与隧道中心线距离的增大而减小.由于刀盘旋转扰动的影响，隧道中心线两侧的地表沉降值关于隧道中心线呈非对称分布，中心线左侧的沉降量大于右侧.随着掘进距离的增加，地层损失越大，非对称分布越显著.同时，隧道中心线左侧扰动影响宽度约为1.5D，右侧约为1.25D.由此说明，刀盘的转动对砂卵石地层隧道中心线两侧的地表沉降量和影响宽度均有影响，两者均呈现非对称分布特征.

3.2 地表沉降随掘进距离变化

盾构正常掘进过程中，y190监测断面各测点的沉降值随掘进距离的变化曲线如图14所示，可以看出，位于隧道中心线正上方及两侧的x=0 cm、x=7 cm、x=-14 cm和x=21 cm测点的地表沉降明显，隧道中心线上方x=0 cm测点的沉降量最大.随着掘进距离的增大，该4个测点的地表沉降逐渐增大，由于掘进距离有限，地表沉降值在图中并未达到稳定.此外，由于其他几个测点距离盾构掘进中线较远，测点的地表沉降值几乎无变化.可以看出，隧道掘进对中心线左侧土体的影响边界为1D～1.5D，右侧土体的影响边界为0.75D～1.25D.同时，观察发现x=-28 cm测点的地表沉降量大于x=21 cm测点，说明地表沉降值并非关于隧道中心线对称，这是刀盘旋转对地层的扰动作用造成的.

图14 地表测点沉降随掘进距离变化曲线

4 开挖面失稳破坏发展规律

盾构机掘进至400 mm后，关闭盾构机刀盘、螺旋出土器和顶进电机，放置一段时间，通过刀盘空转、螺旋出土的方式实现开挖面主动破坏过程.

4.1 出土量的变化

盾构开挖面主动破坏过程中，每隔15 s称取一次出土的质量并记录，出土质量随时间的关系曲线见图15.

图15 出土量随时间变化规律

从图15中可以看出，每15 s的出土质量大小为15～35 g，呈波浪式上下浮动. 累计出土量随时间变化曲线近似为一条直线，说明盾构螺旋出土器能够稳定出土，从而保证开挖面失稳破坏发展的连续性.

4.2 开挖面土压力变化

开挖面主动破坏过程中，刀盘面板上土压力增量随时间的变化曲线如图16所示. 可以看出，刀盘面板上土压力增量高频率上下跳跃变化，这主要是由于刀盘匀速旋转切削土体时，与刀盘面板上土压力盒接触的土颗粒不断更替，两者之间滑动摩擦及分离导致土压力盒与土颗粒间接触压力不稳定. 总体来看，刀盘面板上土压力从15 min开始逐渐减小，说明随着开挖面失稳的发展，刀盘前方土体与刀盘面板之间的挤压力先减小后趋于稳定.

图16 刀盘土压力增量变化曲线

4.3 地表及地中沉降变化

采用出土方式实现开挖面主动破坏的过程中，土仓内部土体被螺旋出土器排出的同时，刀盘前方的土体经刀盘开口进入土仓内. 在此过程中，刀盘上方土层必然会发生沉降，进而影响到地表. 开挖面主动破坏过程中地表及地中测点沉降的时程曲线见图17.

图17 地表及地中测点的沉降时程曲线

从图17可以看出，螺旋出土的前15 min之内，地表及地中z420层各测点的沉降量几乎没变化；20 min时，地中z420层刀盘中心对应的测点36的沉降量开始明显增大；出土25 min时，地表刀盘中心对应的测点12的沉降量开始明显增大. 在此过程中，其他测点除地表测点10和测点11有少量沉降外，剩余测点均无明显变化.

从竖向发展来看，对比测点12和36的沉降时程曲线可以发现，测点36发生明显沉降的时间为出土20 min时，而测点12发生明显沉降的时间为出土25 min时. 由此说明，地中沉降发展至地表存在滞后性. 从水平向发展来看，以z420地层为例，对比测点34～37可以看出，沉降最先发生及最明显的测点为刀盘中心正上方的测点36，其他测点变形量极小，说明地层变形的范围集中于刀盘中心对应测点周围D/4之内. 同时，观察地表测点沉降时程曲线发现，除测点10和测点11有少量沉降外，其他测点几乎没沉降量，说明地表沉降范围约为在刀盘中心正上方测点的D/2范围内.

4.4 开挖面失稳破坏发展过程

开挖面主动破坏的过程中，随着出土量的不断增加，开挖面前方土体破坏经历了从刀盘前方及上方向地中和地表发展的过程. 开挖面主动破坏在地层中的发展过程如图18所示，图中各点为地层初始出现明显沉降的埋深值.

图18 主动破坏发展过程

开挖面开始出土的时刻为0 min；出土至15 min时，刀盘上土压力开始发生明显变化，说明此位置(z=70 cm)的土体发生显著变形；当出土20 min时，刀盘中心正上方地中测点(z=42 cm)沉降量快速增大，说明开挖面失稳破坏的影响发展至此埋深位置；当出土25 min后，地表测点(z=0 cm)出现明显沉降，说明开挖面失稳破坏发展至地表.

可以看出，出土开始时刻、地中有明显沉降及地表有明显沉降时刻存在明显的时间差，开挖面前方的土体损失引起的沉降滞后影响至上方测点，这是由于砂卵石地层土拱效应造成的.

5 地表塌陷特征分析

为探究不同开挖面破坏实现方式对主动破坏引起的地表塌陷特征的影响，试验中除设置盾构机刀盘在y400位置采用刀盘正转和螺旋出土方式实现开挖面失稳破坏的出土破坏段之外，同时设置盾构机在y680位置通过盾构后退、刀盘反转和停止出土的方式实现开挖面主动破坏.

试验结束后，采用不同颜色的砂土描绘地表塌陷坑的轮廓. 采用出土方式和刀盘后退方式实现开挖面主动破坏引起的地表塌陷坑见图19.

图19 地表塌陷坑(单位：mm)

观察图19中塌陷坑的位置可以发现，2种开挖面主动破坏的方式引起地表塌陷坑均为沙漏状，塌陷坑的中心均不位于隧道中心线上. 出土破坏方式引起的地表塌陷坑中心位于沿掘进方向隧道中心线的左侧，而采用后退方式得到的地表塌陷坑中心位于隧道中心线的右侧. 这说明，刀盘的旋转扰动导致地表塌陷坑中心有一定的左右偏移，并且旋转方向决定了地表塌陷坑中心位置的偏移方向. 可以看出，沉降槽中心的位置位于刀盘的旋转切线方向垂直向上时的一侧. 同时，2种方式引起地表塌陷坑的轮廓近似为椭圆形，长轴为掘进方向的垂直向，短轴为掘进方向.

6 结论

依托清华园隧道盾构工程，采用盾构开挖模型试验平台开展了砂卵石地层盾构掘进围岩扰动模型试验，探究了掘进过程中地表沉降规律及开挖面主动破坏发展规律. 主要取得以下结论：

1)砂卵石地层盾构掘进引起的沉降值和两侧的影响宽度关于隧道中心线非对称分布，这是由于盾构机刀盘对地层的旋转扰动作用造成的.

2)由于土拱效应的存在，盾构开挖面上方地层及地表沉降存在明显的滞后性；砂卵石地层中开挖面主动破坏的影响集中在隧道中心线正上方D/2范围内.

3)刀盘旋转方向对地表塌陷中心的位置影响显著，当刀盘顺时针旋转时，塌陷坑中心位于隧道中心线的左侧，刀盘逆时针旋转时位于右侧，即：塌陷坑的中心位于刀盘旋转的切线垂直向上时的一侧.

4)黏土地层与砂卵石地层中地表沉降及开挖面主动破坏发展规律差异较大. 砂卵石地层中横断面地表沉降槽窄而深；而在黏土地层中为高斯曲线，宽而浅. 砂卵石地层易发生地层塌陷破坏，破坏模式为烟囱状；而在黏土地层不易发生地层塌陷破坏，破坏模式为盆状.