盾构隧道进出口水平冻结工程地表沉降对比分析*

鹿庆蕊 金修伟 李栋伟 陈士军 王帅儒

(东华理工大学, 南昌 330013)

随着现代化城市的快速发展,城市人口急剧增加。为解决城市交通拥堵的问题,大规模的地下空间开发已成为必然趋势。盾构法是一个全机械化施工的方式,由于其智能化程度较高,挖掘速度快,对城市周边影响小等原因,目前已被广泛应用于地铁隧道施工中。但盾构开挖会对土体造成扰动,导致地表隆、陷或地层水平位移等的发生,沉降较大时会导致建筑物开裂甚至坍塌。如何在特定的地质环境中减小盾构开挖对周边土体的扰动,控制地表沉降大小,一直是研究人员所关注的问题。

目前,学者们提出了多种方法来减少冻结法盾构施工时地表沉降。杨平等对软弱地层联络通道冻结法施工的冻胀、融沉发展规律进行了研究,发现深部土体温度,冻胀、融沉位移均随深度增大呈线性递增。[1]曹红林发现:采用自然解冻措施,在自然解冻的同时及时对冻土进行跟踪注浆压密加固融沉土体,有利于减少地表沉降量。[2]任辉等通过测点温度-时间曲线和冻土帷幕厚度两种不同方法进行分析和验证,发现管幕冻结法可有效解决单一管幕法施工中止水难和单一冻结法中周边冻土刚度不够、支护效果差的问题。[3]郑立夫等发现冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全。[4]阴悦对工程原型进行模拟设计并进行冻结试验,发现地表的各项位移在冻结前期急剧增大但随时间的增长增速变缓,改变冻结时间差值对隧道管片的应变值影响并不大。[5]姬文轩对不同冻结速率的冻结温度场、位移场进行了对比分析,得出:冻结速率较大时,土体温降速率更大,冻结壁形成较快,冻胀位移的速度也更大;但随着两种工况冻结过程结束,冻结速率对于冻结壁及地表的最终位移影响不大。[6]胡向东等采用现场原型试验研究了在解冻阶段两种不同解冻方式下温度场变化规律,探究了管幕冻结法解冻规律,且冻结管的布置形式会影响冻结壁的温度及厚度,为实际施工提供了可靠的研究依据,能够有效地降低融沉影响。[7-8]Cattoni等针对隧道盾构在软黏土中掘进时受到的地下水和应力作用进行研究,并对地面沉降融沉位移进行预测。[9]Hong 等分析不同的隧道参数对地表冻胀的影响,随着隧道净距的增大,双隧道冻结的相互作用减弱;相应地,地表的隆起位移也随之减小。[10]王博等通过分析近距离隧道施工对地表产生的影响,得出地层损失率越小,地表沉降量越小,产生的地表最大沉降量越小;盾构顶推力越大,地表的沉降量越大。[11]李忠超等研究了不同盐水温度与冻结壁厚度、冻结交圈时间的关系,得出初始环境温度升高会导致冻结壁厚度减小、延长冻结时间。[12]虽然上述研究对冻结法盾构施工有一定的改善,但依然不太理想,冻结法盾构施工还有待进一步改进。

因此,将依托上海市轨道交通,将针对盾构隧道进出口水平冻结地表沉降进行分析。运用ABAQUS有限元分析软件对施工过程中所涉及冻结温度、地质水文条件及盾构施工进行全过程的数值仿真。通过研究不同水平天数情况下地表沉降规律,并结合现场实际工程数据,分析地表沉降量,提出相应的解决措施。

1 工程概况

上海地铁轨道交通某线路途经浦东新区、杨浦区和宝山区等3个行政区,全长约36.850 km,设车站26座,平均站间距1.441 km。

1)工程途经的最大河流为黄浦江,江宽约520 m,黄浦江航道规划宽度为200～225 m、深度为9.5～10.0 m。

2)地下水拟建场地浅部土层中的地下水类型为潜水。勘探期间测得潜水稳定水位埋深为0.60～2.70 m(绝对标高为 2.13～4.11 m),平均埋深为1.26 m(平均标高为3.04 m),潜水水位主要受大气降水、地表径流等影响呈幅度不等的变化。如图1所示,拟建场施工区域揭示的⑤2a层和⑦层(含⑦1-1、⑦1-2和⑦2)由承压板含水层构成,其中:⑤2a层是上海地区的微承压含水层,场区揭示的顶板埋深为19.20～25.40 m、顶板高度为-15.29～-21.61 m;⑦层为上海地区第一承压含水层,场区内揭示的顶板埋深为15.20～39.50 m、顶部高度为-23.28～-35.73 m。鉴于⑤2a层与⑦层中间的第⑤层层厚较薄、最小厚仅0.7 m,且该层夹薄层粉性黏土,因此在微承压含水层与承压含水层间可能有一定的水力联系。

图1 地层剖面

2 工程冻结设计

2.1 冻土帷幕设计

冻结施工主要是利用冻结方法将冻结管之间的土体冻结,形成封闭的帷幕,为隧道的开挖提供条件。冻土帷幕主要起到土体之间止水的作用。为控制冻土冻胀带来的影响,须将冻土帷幕厚度控制在一定范围内。冻结过程中应实施控制措施,严格监测冻土帷幕的温度和厚度,用监测数据指导整个冻土施工过程。在冻结施工时,冻土帷幕处于一个不断变化的过程中,根据工程须将冻土帷幕厚度控制在2～3 m内。

2.2 冻结管布置

工程隧道断面为圆形,隧道外半径为3 m。隧道轴线埋深为28.3 m,水平冻结管布置圈半径为4 m,共布置20根直径为100 mm的冻结管,在隧道周围成环形分布,冻结管长度为6 m,设计冻结壁有效厚度为2.3 m,隧道混凝土衬砌的厚度为0.3 m,混凝土强度等级为C30,如图2所示。

图2 冻结管布置示意

2.3 冻结施工流程

整个冻结过程如图3所示,分为逐步降温、积极冻结期和维护冻结期3个阶段。在未开挖前,先在土体中嵌入所需的水平冻结管,然后向冻结管中注入负温盐水对周围土体进行降温。在冻结施工开始后的前12 d,为逐步降温过程,盐水温度逐步从0 ℃降至-21 ℃;第13～42天为积极冻结期,盐水温度为-28 ℃;第43～58天为维护冻结期,盐水温度为-28.5 ℃。随着冻结过程的进行,土体的温度逐渐降低,冻结管与周围土体形成强度较高的冻结帷幕。在冻结施工开始后的前12 d的逐步降温过程中,由于盐水温度较低,导致冻结帷幕形成较为缓慢;在第13～42天的积极冻结过程中,盐水温度达到了-28.5 ℃,冻结帷幕的迅速形成,并且厚度也随之快速增大;在第42～58天维护冻结过程中,冻结帷幕增厚趋缓,基本维持原有的冻结厚度。

图3 盐水温度随时间变化

3 隧道开挖地表沉降分析

3.1 计算模型及基本参数

3.1.1计算模型

选取上海轨道交通盾构施工作为数值拟研究对象。在数值模型中,考虑到模型边界对结果产生影响,在宽度方向上,隧道中心距模型边界至少为4D距离(D为隧道直径),在高度方向上尺寸值至少为3D+H(H为覆土深度)。该区间隧道直径为6.6 m,隧道埋深30 m,模拟掘进距离为48 m,最终土体模型长为80 m、宽为48 m、高为60 m。为加快求解计算效率并保证结果准确性,对隧道开挖周边网格加密,较远处适当增大网格尺寸。网格经过布种划分完成后,整个模型共有189 696个六面体单元和202 065个结点,模型大小及网格划分如图4所示。鉴于地铁隧道水平冻结施工过程的复杂性,对计算模型作如下假设:

图4 模型及网格划分 m

1)冻土假定为理想的非均质弹性体,其冻胀、融沉变形呈现正交各向异性特征,冻土的弹性模量、泊松比等力学参数均为温度的函数。

2)未冻土假定为均质各向同性的弹塑性体,未冻土的强度准则服从屈服条件。

3)冻土和未冻土中,水分仅以液相水的形式运动,气体的相变效应和水汽蒸发耗热忽略不计,且忽略盐分的化学排析作用。

4)假定同一种土体的冻结温度和冻融相变温度区间恒定,忽略外荷载对冻结温度的影响。

3.1.2计算参数

实际中各土层厚度并不均匀,且部分土层性质接近,为使模型进一步简化,各土层厚度取其平均值,并将土体性质基本相同的土层合并。合并后模型中土层分布自上而下土层依次为①杂填土层,③淤泥质黏土层, ②、④淤泥质粉质黏土层,⑤砂土层。由于采用了Drucker-Prager模型(D-P模型),而勘察报告中土层参数主要为摩尔-库仑(M-C)参数,因此须通过D-P模型参数与M-C模型之间的转换式进行变换。衬砌采用C30混凝土,厚度为0.3 m。土体及衬砌等材料属性参照DGJ08-37—2012《岩土工程勘察规范》设置。

3.1.3边界条件设定及载荷施加

在三维问题分析中,每个实体单元总共有6个自由度,分别为X、Y、Z方向的平动和转动,为保证有限元求解正确,以及符合工程实际情况,须对模型边界施加约束条件,而模型都为实体单元,可不对边界施加转动约束。所以沿X轴方向边界处施加同向固定约束,Y轴方向边界处施加同向固定约束,而Z轴方向只对底部施加3个平动自由度,顶部为自由面(模拟地表)。

3.2 隧道挖掘后竖向位移

隧道挖掘施工是在积极冻结模型基础上进行的,即在积极冻结58 d后的应力场和位移场基础上进行隧道挖掘分析。将挖掘过程中各阶段沉降的竖向位移与开挖前积极冻结期形成的竖向位移相比较,可得出开挖引起的竖向位移,如图5所示,沿着盾构推进方向,相对于积极冻结期结束时的位移场,土体发生了不同程度竖向位移,随着盾构推进出现的增大变化,盾构推进前5环竖向位移增大变化不大,第5环地表沉降峰值为-9.3 mm。盾构推进第5环与推进第25环时,两者沉降差别较大,第25环时最大地表沉降为-36.3 mm,这是由于前5环受到水平冻结的影响大,地表沉降效果较小;推进至第25环至第30环时,各环之间的沉降差别不大,表明推进至第25环时,水平冻结的影响已经微乎其微。

图5 盾构推进方向的最大地表沉降随掌子面距离变化

3.3 隧道开挖实测与模拟结果对比

选取上海轨道18号线施工时,第3、5、8环的监测数据与模拟结果中第3、5、8环的模拟数据进行对比,共布置5个监测点,点位布置在距隧道中线-6.6,-3.3,0,3.3,6.6 m处,如图6所示。正值为隆起,负值为沉降。

图6 监测点位布置 m

图7为盾构开挖各阶段有限元模拟计算的结果与现场监测值的对比。由图7可知:数值模拟计算得出的地表沉降与实测结果较为吻合,地表沉降最大处为隧道中心轴线位置,但数值上仍有小的差异,主要是因为模拟并未把所有的影响因素考虑在内,例如注浆压力、地表载荷等,但整体趋势上计算值与实测值相同。

a—第3环; b—第5环; c—第8环。

3.4 冻结引起的地表上升

数值模拟将研究土体冻胀引起的竖向位移随冻结时间变化的影响。依次取冻结时间为10,20,30,40,50 d,对地表面的冻胀量进行比对,将数据进行整合归纳绘制成图8。

从图8可以看出:隧道中心地表位移最大,随着距离隧道中心地表水平距离的增大,地表竖向位移逐渐减小到0 mm。冻结到第10天时,隧道中轴线处竖向位移为1.72 mm;冻结第20天时,隧道中心地表竖向位移为2.22 mm;冻结第30天时,隧道中心地表竖向位移为2.76 mm;冻结第40天时,隧道中心地表竖向位移为2.99 mm;冻结第50天时,隧道中心地表竖向位移为3.31 mm。

选取工程报告第3环断面中点冻胀竖向位移数据,将冻结58 d内的模拟冻胀量与工程实测的冻胀量进行对比,结果如图9所示。

由图9可见:地表监测点监测到冻胀引起的竖向位移在冻结开始后的前15 d增长较为迅速,第15～58 天时,竖向位移增速变得缓慢。冻结到第10天时,地表监测点监测到冻胀引起的竖向位移为1.71 mm,模拟计算的冻胀引起的竖向位移为1.82 mm;冻结到第35天时,地表监测点监测到冻胀引起的竖向位移为3.23 mm,模拟计算的冻胀引起的竖向位移为3.36 mm;冻结到第55天时,地表监测点监测到冻胀引起的竖向位移为3.98 mm,模拟计算的冻胀引起的竖向位移为4.14 mm。可见,积极冻结期位移场模拟结果与实测结果相近,该模型能够较好地反映实际冻结施工过程中的位移变化,具有一定的参考意义。

3.5 地表沉降对比分析

取工程洞门处开挖第3环冻结与未冻结时地表沉降进行分析,如图10所示,在水平冻结法施工时地表最大沉降量为-7.13 mm;在无冻结施工时地表最大沉降量为-40.62 mm。由图10可知:冻结法施工相对无冻结法施工,地表沉降减少了33.49 mm,两者相差82.3%。表明冻结法加固地基对于降低地表沉降有显著的效果。

3.6 不同冻结周期对地表沉降的影响

为研究不同冻结周期对地表沉降的影响,将原有的58 d冻结周期改为40,80 d,进行数值模拟;随着冻结天数的改变,土层中的冻结帷幕厚度也会随之改变,冻结到第40,58,80 天时,水平冻结管所形成的冻土帷幕厚度达到约1.9,2.3,2.7 m;从冻结第30天开始,冻结时间每延长10 d,水平冻结管所形成的冻土帷幕厚度增大约0.2 m。在冻结到第58天时,冻结帷幕达到设计要求,形成了良好的止水效果,满足最佳施工要求。

取不同冻结周期下开挖第3环的地表沉降进行对比分析,如图11所示。

由图11可知:不同冻结周期的情况下,地表的最大沉降量都在隧道中心轴线处。在冻结到第40天时,地表最大沉降量为7.90 mm;冻结至第58天时,地表最大沉降量为7.13 mm;冻结到第80天时,地表最大沉降量为4.99 mm;不同冻结周期的曲线趋势相同,并且随着冻结周期的延长,地表的沉降位移逐渐减少。可见,水平冻结法冻结时长越长对地表的沉降影响越大,但是随着冻结周期的不断延长,产生的效果越来越小,考虑施工成本,冻结58 d效果最佳。

4 结束语

利用有限元软件建立三维盾构隧道计算模型,研究了盾构在有、无冻结法加固土体开挖隧道过程中引起的地表沉降,在已有的水平冻结法盾构施工基础上,针对在不同冻结天数下,地表沉降的规律变化进行分析,并与实测数据相结合验证了该方法的有效性。主要得出以下结论:

1)在积极冻结期间,地表冻胀竖向位移呈正态分布。地表处的最大冻胀竖向位移位于隧道中心地表处,并随着冻结时间的延长而增大。

2)冻结土体相较于未冻结土体模型在盾构施工时,对减少隧道地表直接沉降量有较明显的效果,其模拟计算出来的隧道地表沉降量最大值也与实际监测的地表沉降量最大值基本相符,证明了模型计算的有效性。

3)在不同的冻结周期内,地表最大沉降量也不同,且随着冻结周期的增长,地表的沉降位移逐渐减少。说明了水平冻结法在施工时冻结周期是一重大影响因素,选择合适的冻结周期既可以保证施工安全进行又能节省成本。