软硬互层场地盾构隧道施工的地层扰动效应研究

徐 彧

（南京高等职业技术学校，江苏南京 210000）

盾构机一直都是城市轨道交通建设的主要施工工具，其对城市隧道建设起到了举足轻重的作用，因此得到了广泛运用。但我国幅员辽阔，地形复杂多样，地质条件极为复杂，因此对盾构机的要求也往往很高。而不均匀地层多为我国南方地区常遇到的地质条件，此类地层常常在施工过程中遇到超挖现象，从而引起地中变形和地表沉降，导致事故发生。对于目前情况，开展盾构机掘进对不均匀地层扰动现象进行研究，对我国城市建设和地下隧道开发具有指导性意义。

针对目前盾构机掘进对不同地层沉降影响，我国许多研究者已对此进行研究分析。林春金等［1］基于现有监测数据，建立数值模型，精确预测了土仓压力。王晓睿等［2］通过结合经验、理论分析结果和数值模拟预测结果，研究分析盾构机施工引起的地表沉降现象。黄志强等［3］为解决盾构机在砂性地层施工过程中出现的一系列问题，以膨润土和生石灰为原料配制土体改良剂，对渣土进行了改良。郑刚等［4］对盾构机在施工过程中，由于剧烈震动产生的土体损失，基于数值模拟通过注浆来达到沉降控制的目的。高守栋等［5］以实际工况为研究背景，基于数值模拟对几种不同工况的地层位移和孔隙水压力变化，与实际工况数据进行对比分析。江英超等［6］通过室内盾构机掘进砂土地层的扰动现象，对盾构隧道动态施工全过程进行分析。王俊等［7］通过盾构机对砂土地层进行施工，并基于数值模拟分析砂土地层在盾构机掘进过程中与停止状态下的稳定性。王晓睿等［8］以软体岩层为掘进地层，基于数值模拟和实际工况数据相结合，研究地表和上层建筑物的沉降变化和控制方法。周跃飞等［9］基于不均匀地层研究，通过复合式土压盾构机在该隧道施工，并通过改变盾构机相关参数进行适应性分析。刘新新［10］基于土压盾构试验，研究频繁置换水泥情况下的管理技术研究，分析掘进不同岩体过程中，盾构机可能出现的问题。许立明［11］基于盾构技术，对钢套管等设备进行改造，以此解决实际工况中存在的安全隐患。李盘石［12］为避免盾构施工与原先隧道出现交叉问题，提出更先进的沉降控制方案，并运用于实际工况，实施效果较为明显。

由以上研究可知，虽然国内对于盾构机掘进过程有多种研究手段和形式，但对软硬不均匀地层研究较为匮乏，以南京市珍珠泉站—定向河北站区间盾构施工为研究对象，使用室内盾构机对软硬不均匀地层沉降变化规律进行研究，与砂土（典型砂性土，由自然河流冲刷堆积而成）地层进行对比，并基于数值模拟对试验过程地层变形进行研究，从而探究盾构机掘进软硬不均匀地层扰动全程变化规律，以期可为实际工程提供参考。

1 地层盾构掘进模拟试验

1.1 试验仪器介绍

以南京市珍珠泉站—定向河北站区间盾构施工为研究对象，使用室内盾构机进行试验，机体全长1 300 mm，盾构机结构由4个液压千斤顶驱动，衬砌环幅宽度为150 mm，由合金制造而成。

试验仪器在4.4 m×4.4 m×2.5 m的圆柱体土槽内进行，具体盾构机实物如图1所示，图左为模型盾构机，图右为修建中的土压盾构隧道。将准备工作完成同时，需将圆柱体土槽两边及后方装置进行约束，同时设置4道三角斜支撑，提供反力以及防止结构变形过大。试验采用土壤为本地区渣土，其主要通过水、洗衣液和CMC进行改良，能有效提高渣土基本性能。

图1 盾构机实物

图2 室内试验图cm

1.2 材料准备

由于试验过程较为复杂，涉及盾构机结构和地层等因素相互作用影响，需从宏观角度研究盾构机在地层运作规律，对比地层土体沉降，考虑不同材料影响，为模拟室内试验贴合实际，模拟试验包括进洞过程、盾构机开挖过程、加入改良渣土过程以及拼装管片等流程。

地层主要由硬岩和砂土制成，硬岩参考汪成兵等［13］研究，由石膏、水和河砂制成硬岩地层，并参考杜青等［14］用石膏材料模拟岩层试验，选定试验最优配比模拟硬岩，质量配比如表1所示。砂土取自南京郊区河边，制成砂土地层，复合地层（硬岩与砂土地层交界处），硬岩和砂土的基本物理指标如表2所示。

表1 硬岩配比（质量比）

表2 硬土的基本物理指标

1.3 试验过程

根据材料配比将土样填充入装置内，室内试验图如2所示。盾构机首先掘进硬岩地层，再掘进软硬不均地层，最后到全断面砂层。使用精度为0.01 mm位移测试仪对地表、地中变形情况进行测量，对软硬不均匀地层中刀盘到测试断面前地层扰动特征进行研究，由此地表设置3个测试断面：A-A，B-B，C-C，每个断面层均有11个测点，隧道中心轴线为中心，两侧均匀布置，如图3所示。盾构机作业过程中产生的扰动会被测点采集，其中B-B断面与地中测点距离相同，因此布置3层位移测线：B1-B1，B2-B2，B3-B3，每层布置7个测点，通过位移计采集地中变形情况，由此得到测量结果，如图4所示。为了方便叙述，将始发断面、纵轴线、中心线右边以及和开始的方向分别拟定为横坐标轴、纵坐标轴、横坐标正方向和纵坐标正方向。其中盾构机模型施工参数如表3所示。

表3 盾构机模型施工参数

图3 地表位移测点布置情况cm

图4 地中位移测点布置情况cm

2 试验结果分析

2.1 模型地表沉降分析

实验室盾构机掘进过程中，在到达B-B断面之时，地层稳定性好，地层变形较为缓慢，作业过程中产生的能量会使测点下沉。表4列出经过BB断面时掘进范围y=30、60、90、120、150 cm处的沉降值。

表4 不同测点掘进时地表沉降mm

由表4可知，y=30～60 cm时，测点位移增加趋势缓慢，说明盾构机在硬岩地层掘进引起地层扰动很小。当y=90 cm时，测点位移沉降才开始加快。以207测点为例，y=60 cm时，测点沉降为0.45 mm，之后增长至1.25 mm；当y=120 cm时，测点位移沉降增长至2.38 mm；当y=150 cm时，测点位移沉降增长至5.20 mm。由此可知，盾构机在掘进过程中，掘进范围越大，地表所受影响范围越广，越靠近盾构机，所受震动影响越大，对不均匀地层具有不同剧烈扰动现象。对于不同掘进阶段，其地表沉降曲线如图5所示。

图5 地表沉降曲线

由图5可知，y=30、60、90 cm时，地表沉降无规律，位移均低于2 mm。当y=120、150 cm时，测点地表位移与测点关系曲线呈正态分布，峰值均超过2 mm。这说明掘进范围越大，地表所受影响范围越广，沉降位移越明显，掘进范围达到一定值时，测点越靠近盾构隧道，受到震动影响越大。综上所述，盾构机掘进不均匀地层时，应根据掘进范围预先对地表土体进行加固，避免事故发生。

2.2 模型地中下沉情况分析

室内试验过程中，采集各测点数据变化情况。表5表示不同B-B测线下，地中沉降在不同埋深情况。

表5 各测点地中沉降mm

由表5可知，埋深越大，地中沉降位移越大，埋深在B3-B3测线时，地中沉降位移达到最大值，越接近隧道轴线处，地中沉降位移越大。为进一步探究沉降变形，其曲线变化如图6所示。

图6 地中沉降曲线

由图6可知，由于断面距离较短，盾构机掘进引起扰动影响相似，地中每个测点沉降较为接近。地中测点越接近0，盾构掘进产生的震动影响越大，导致地中沉降呈现正态分布，且地中沉降峰值与埋深深度成正比。结合上述分析，进行土压盾构不均匀地层时，易出现超挖上部软弱土体，引起较大地层扰动，因此实际工程中应引起重视。

2.3 均质砂土试验结果比较

对比江英超等［6］在均质砂土层试验研究的结果，其均质砂土层基本物理指标如表6所示，试验结果如表7所示。

表6 均质砂土层基本物理指标

表7 均质砂土层试验结果

通过对比表4、5与7可知，实验室盾构机掘进均质砂土层过程中，地表沉降大于地中沉降，地中沉降并且随埋深增加而增加；实验室盾构机掘进软硬不均地层过程中，从地表至地中，沉降不断增加。均质砂土层地表最大沉降高于本试验结果，地中沉降则小于本试验结果。

为了进一步研究两种地层地中沉降形态，通过沉降槽宽度参数K进行比较，公式如下所示。

式中：i为沉降槽宽，cm；z0表示为距离（地表到轴线），cm；z为距离（地表到测线），cm。并由此得出两种地层的对比沉降曲线，如图7所示。

图7 对比沉降曲线

由图7可知，测线距地表深度与轴线距离地表深度比值越大，系数K值越大。砂土地层沉降曲线呈线性关系，软硬不均地层则呈指数关系。当z/z0≤0.58时，K值保持不变。在相同比值下，砂土地层K值始终大于软硬不均地层K值。

综上所述，结合地中沉降值可知土压盾构在软硬不均地层中出现较为严重的损耗。借鉴于实际情况下，根据规范开挖，并在开挖过程中对软弱土层加固，以此避免产生进一步沉降。

2.4 基于数值模拟地层变形研究

由室内试验可知，盾构机在通过不均匀地层时，易触碰软弱土层，从而引起土层损失。故基于数值模拟对试验过程地层变形进行研究，探究地层扰动情况。

模型建立之初，由于边界效应因素，模型长度为4.4 m，宽度为2.4 m，高为2.5 m，埋深室内试验一致，并在轴线上下方各0.55 m范围内布置1.35～1.85 cm 半径颗粒，其他区域则布置2.00～3.35 cm半径颗粒，由此生成255 643个颗粒。数值模拟试验前，对模型参数进行验证，选择室内试验平均值为模型参数，并通过三轴压缩试验对软硬不均匀地层土壤应力应变情况进行对比分析，如图8所示。

图8 室内试验和数值模拟的应力应变曲线对比

由图8可知，室内三轴试验所得应力应变曲线与数值模拟所得结果基本吻合，证明室内试验平均值参数可靠性，并由此建立模型，掘进速度为0.128 cm/min，盾构机转速为1.2 r/min。

由于模型计算效率有限，因此选取盾构机掘进不均匀地层中3处典型阶段进行分析，并设置3种不同工况，分别为工况1、工况2和工况3，代表砂土面积占比分别为0.25，0.50与0.75，其余均为硬岩层。首先通过沉降槽宽度参数K值比较室内试验与3种工况的地中沉降形态随埋深的变化，沉降槽宽度参数K值由公式（1）可得，如图9所示。

图9 地中沉降宽度参数-埋深曲线

由图9可知，工况1的K值最大，而工况3的K值最小，说明砂土层占比越大，在相同深度下地中沉降槽越宽，硬岩层未限制住砂土变形位移。室内试验从开始的全断面硬岩逐步深入，直至砂土地层过程得到的K值与工况2的K值较为相似。而对于地表水平位移情况，需满足公式：

式中：Sh为测点位移（任何一点），cm；x为距离（任何一点与中心线），cm；S0为地层表面沉降值（竖直），mm。对公式（2）进行求导可得：

式中：Shmax为最大横轴位移（地表），cm。

将地中沉降情况与数值模拟计算对比。由图10可知，地表水平位移与公式（3）得出地表水平位移较为类似，其中距离中心线在1时为反弯点，地表水平位移最大，距离中心线在3之后时，除工况3的地表水平位移大于式（3）所得值，工况1和工况2均与式（3）所得值吻和。由此说明数值模型地表水平位移情况符合公式（3），证明该数值模型地表水平位移变化规律的合理性。

图10 地表水平位移曲线

3 结 论

通过室内盾构试验，可以得到不均匀地层沉降规律，并与砂土地层进行对比，由于施工过程对软土层产生较大扰动，因此通过室内试验、数值模拟和公式计算相结合，对盾构机掘进过程不均匀土层沉降情况进行研究，得出以下结论：

（1）盾构机掘进不均匀地层时，盾构机在硬岩地层掘进引起地层扰动很小，掘进范围越大，盾构机周围地表沉降位移越明显，需预先对地表土体进行加固，避免事故发生。

（2）断面距离较短，盾构机掘进引起扰动影响相似。地中沉降呈现正态分布，且地中沉降峰值与埋深深度成正比。进行土压盾构不均匀地层时，易出现超挖上部软弱土体，引起地层扰动。

（3）软硬不均匀地层沉降槽宽度参数与埋深比呈指数关系，砂土地层沉降曲线呈线性关系，在相同条件下，砂土地层地中沉降槽宽度参数大于软硬不均匀地层。

（4）竖向沉降槽曲线反弯点的不均匀地层地表水平位移最大，且与黏土地层位移变化趋势相同。