盾构隧道掘进施工对地层扰动的模型试验分析_王平.pdf

ISSN 1672-2841CN 44-1587/Z广东水利电力职业技术学院学报 2023 年 第 21 卷 第 2 期Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2023，Vol.21，No.2收稿日期：2022-6-22作者简介：王平，男，工程师，研究方向为岩土工程。1-5盾构隧道掘进施工对地层扰动的模型试验分析王 平（中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222）摘 要：以深圳市 16 号线二期地铁隧道建设项目的施工盾构机为样板，研制模型式土压平衡式盾构机，分析其在砂土地层下的扰动作用机制。在试验过程中对盾构掘进方向的地表及隧道附近地层布设量测装置进行监测，并对数据进行对比分析。研究表明：60%的总沉降变形源于盾尾脱环（未注浆导致地表显著沉降），且 20%30%的总沉降变形源于由于未注浆，导致摩擦力增大，地层扰动增加，从而引起地表沉降增大；沉降变形主要原因是地层损失，沉降变形量的关键因素在于盾尾注浆情况和土体基本性质；隧道衬砌结构呈椭圆形土压力分布，且存在有限元数据偏大，模型试验结果偏小现象；地表沉降槽宽度系数 i 在不同模拟工况下具有较高的相似度。关键词：盾构开挖隧道；土体扰动；地表沉降变形；砂土地层中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1672-2841（2023）02-0001-05盾构法目前是城市地铁隧道建设的主流施工工艺，但盾构法施工中盾构机开挖掘进对地层的扰动以及对既有建筑物的影响日益引起人们关注，如何实现全过程动态监测掘进施工也成为当下分析地层扰动问题的关键因素。对此，不少学者展开了研究。Peck R.B.等1基于大量隧道开挖沉降勘测资料提出地层损失概念，并首次全面系统地制定出隧道开挖引起地表沉降变形的估算方法。徐永福等2为研究盾构机掘进对软土地层的影响，利用现场静力触探基础，分析在掘进施工过程中地层孔隙水压力和应力应变演化规律。J.H.Atkinson 等3利用离心模型试验分析在砂土地层中，隧道破坏时的 z/d 与应力差的演化关系。T.Shimada 等4为量化隧道在砂粒不同充填状态及不同埋深下的地表沉降规律，通过构建一个 1200 的隧道模型来分析盾构掘进对地表沉降变形的影响规律。徐前卫等5制作盾构掘削模型，并以上海粉砂地层为工程背景，分析不同参数的可靠度和适用性。砂土地层不同于黏土地层，其具有渗透系数大、流塑性差、含水量大等特点，盾构机在该地层施工时可能产生千斤顶推力和刀盘不稳定，对地层土体扰动较大，沉降变形不易控制。同时砂土地层极易产生流砂和土体液化现象。以往研究中，往往忽视各参数的相关性只进行单一因素分析，而盾构隧道全过程施工中各参数是一个相互影响的动态演化过程，因此亟需一种能反映全过程盾构施工分析方法来研究隧道内衬砌结构上的土压力分布规律和地层沉降演化趋势。本研究通过自研的土压平衡式盾构机系统，分析在砂土地层下盾构掘进施工对地层的扰动影响，并研究隧道衬砌结构上的土压力分布及演化规律。同时，结合有限元模型和现场监测资料对试验数据进行对比验证分析，以期量化砂土地层下盾构动态施工导致的地层扰动影响规律和结构受力机制，确保施工的安全控制参数，为盾构施工及运行阶段提供技术参考和理论借鉴。1 试验设计1 试验设计1.1 试验仪器以深圳市城市轨道交通 16 号线二期工程六工区 ZK9+062.977ZK9+985.538 隧道建设中采用的土压平衡式盾构机为模板，自主研制盾构机模型。2023，21（2）2广东水利电力职业技术学院学报模型按 7.51 比例制成，采用纯钢制造，可实现模拟盾构掘进的主要功能（因尺寸原因，模型机无法模拟注浆环节）。盾构机模型总长 1 300 mm，盾壳厚度 10 mm，外径 D=800 mm，采用全尺寸盾构机施工工艺进行衬砌结构施工，推进装置为其内部的 4 个推进千斤顶（每个能提供最大 125 kN 的顶推力，行程为 300 mm），刀盘转速范围为 06 r/min，最大扭矩为 14 kNm，可正、反向旋转。采用液压驱动出土方式，螺旋出土器最大扭矩 2 kNm（盾构掘进过程中部分掘进参数见表 1）。表 1 盾构掘进过程中部分掘进参数推进系统掘削系统螺旋出土器顶推力/kN推进速度/mm/min刀盘转速/R/min刀盘扭矩/kNm转速/r/min扭矩/kNm 31.134.6 2.022.85 1.461.736.59.012150.450.51.2 试验材料试验土体为砂土，物理参数如表 2 所示。由于现场土体存在先期固结，为更好地模拟现场土体工况，对模型试验土体进行了分层击实堆积。堆积土体尺寸为 440 cm（长）440 cm（宽）250 cm（深），使其尽可能与现场地层工况相近，再基于该地层开展盾构掘进试验。由于管片衬砌要承受地层上部荷载、壁厚注浆压力和千斤顶的顶推力，对强度提出较高要求，同时需考虑操作的可行性，因此，衬砌结构的管片采用铝合金制造，4 块管片拼装成环，单个管片幅宽 150 mm，厚度 86 mm，外径 800 mm。管片内设纵向加劲肋，通过螺栓连接管片，螺旋为 M16。衬砌结构管片设计如图 1 所示。表 2 试验土体物理力学参数类型含水率/%容重 g/kN/m3内摩擦角/黏聚力 c/kPa弹性模量E/MPa砂土20183914.1221.3 试验方案地中沉降和地表沉降是盾构掘进施工引起地层变形的主要原因。因此，将差动位移测试仪分别布设在地中和地表的不同位置，对盾构掘进施工引起的变形进行全过程实时量测（采用双层铜杆将地中变形量传至地表），差动位移测试仪地表和地中布设方案见图 2、图 3。2 试验结果与分析2 试验结果与分析为便于分析，本文以盾构机施工初始点的刀盘中心为原点，盾构始发断面为横轴，隧道中心轴线为纵轴，以断面二为对象，分析盾构刀盘在 y=390 cm、260 cm、130 cm 和 50 cm 处时，地表和地中沉降变形规律，并分析盾构机位置、变形分布特征和沉降形态的内在关系。2.1 地表横向沉降分析表 3 显示了刀盘在不同位置其断面二不同监测点的地表沉降变形数值。由表可知，刀盘位置延伸越深，断面二处受到的扰动变形值越大；同时断面二内各点监测的变形数值呈抛物线分布（隧道两侧沉降量低、中间沉降量大），沉降变形最大值在隧道开挖中心线处，断面二监测最大变形值为-20.39 mm （位于监测点144处，当y=390 cm时）。图 4 显示了测试断面二地表沉降演化关系。表 3 各测点地表沉降值测点位置/cm刀盘位置/cmy=390 cmy=260 cmy=130 cmy=50 cm 150(141)-3.14-2.51-0.70-0.24 100(142)-6.13-5.26-1.29-0.57 50(143)-16.33-15.11-4.66-2.090(144)-20.39-18.93-6.43-3.0325(145)-19.31-17.98-6.26-2.7975(146)-14.51-13.29-4.74-2.08125(147)-6.57-5.49-2.17-0.96175(148)-4.69-3.99-1.76-0.81为量化分析盾构掘进施工在不同阶段对地层的扰动，总结出各阶段沉降所占比例。图 5 为盾构掘进各阶段地表沉降比例，可发现刀盘在不同位置时，其沉降变形呈现差异性，盾尾通过时沉降变形占比最高，监测点 143 的最大占比达 64%（三个监测点沉降占比均为 60%以上），断后 2D 时，监测点 145 达到最小占比，仅为 6.9%。说明模型试验在盾尾脱环后由于没有注浆润滑，导致形成凹凸不平空隙，摩擦力增大，引起更大的地层扰动，致使沉降变形显著增加。同时，人工击实地层，具有更松散的土体结构，较现场更易对施工扰动产生强烈反应。在盾构隧道施工中，受各种因素影响，很难量化注浆润滑作用与控制地表沉降的关系。为分析模型试验中总沉降值中不注浆引起的地表沉降图 1 管片衬砌结构设计及实物3王 平：盾构隧道掘进施工对地层扰动的模型试验分析占的比例，结合表4类似地铁建设工程的实测数据，发现试验中暂未考虑注浆润滑作用，导致地表沉降占总沉降值增加了 20%30%的沉降量。表 4 不同掘进阶段地表沉降占总沉降比值区间盾构隧道名称地质条件覆跨比H/D比值/%盾构通过盾尾脱环广州地铁二号线某区间中风化层1.517.034.4强风化、全风化层2.024.041.0深圳地铁一号线西乡-固戍区间粉质黏土、全风化砾砂、中粗砂等1.715.537.22.616.433.0成都地铁一号线桐梓林-火车南站区间富水砂卵石地层1.817.831.82.2 地中横向沉降分析为分析刀盘在不同位置时，地层损失对地中沉降值的影响，本文选取刀盘在 y=130 cm、260 cm 处进行分析，表 5 为两者在不同位置和不同埋深处的监测地中沉降值。图 6 为断面二（第一层）处不同 y 值对应的地表沉降演化值。表 5 刀盘位于不同位置时地中沉降值埋深 z/cm盾构刀盘位于 y=130 cm 时，地中沉降值/mm-100 cm-50 cm0 cm25 cm75 cm125 cm45-0.88-2.94-5.03-4.54-3.09-1.9590-1.33-3.58-5.86-5.27-4.08无测点埋深 z/cm盾构刀盘位于 y=260 cm 时，地中沉降值/mm-100 cm-50 cm0 cm25 cm75 cm125 cm45-4.74-13.35-22.63-18.08-11.1-5.4490-5.94-14.56-23.89-18.78-13.77无测点2.3 沉降时程曲线图 7、图 8 分别为地表及地中不同测点的沉降时程曲线。从图中可看出，地表和地中沉降不同测点的时程演化曲线在时空演化上具有相同的趋势，均随管片安装环号的增加其地表沉降值呈递减趋势，特别是在盾构脱环环节，其地表沉降值出现大幅骤降。在试验模型隧道贯通后，地表沉降值逐渐趋于平缓，并趋于一个定值。3 试验与数值模型结果对比分析3 试验与数值模型结果对比分析为评估盾构模型掘进试验数据的可靠性和适用性，本研究基于现场勘测数据，构建有限元数值模型进行数据验证分析。并将隧道内衬砌结构上的土压力和地层沉降值与类似工程进行对比以获得数据的精确性。3.1 地层沉降通过有限元软件构建三维数值模型，模型长 4.5 m、宽 4.5 m、高 7.2 m。砂土采用弹塑性构件，隧道衬砌结构设定为壳单元。模型前后、左右边界为水平约束，底面为竖向约束，顶部为自由界面。表 6 为模型计算参数。表 6 数值模型计算参数介质弹性模量 E/MPa容重 g/kN/m3内摩擦角/黏聚力 c/kPa泊松比 v砂土22183914.10.3管片衬砌27 600250.2图 9 表明，横向对比发现数值分析相对于掘进试验结果更趋向正态分布，沉降值呈现中间大、两边小的分布规律。同时，相比于数值分析，掘进试验过程中拥有更深和更窄的沉降槽宽度，加上同步注浆和地层基本性质导致有限元方法不能较好的模拟这一特性，从而使数据呈现较试验更好的连续性；再加上室内掘进试验无法模拟同步注浆这一工序环节，导致沉降值增加，促使试验数据显现出深、窄的沉降槽现象。综上可知，掘进试验结果要比数值分析的沉降值较大。同时，由于数值分析中暂未考虑盾构机的尺寸，导致沉降时程曲线中数值分析的管片安装环号均为正值。图 9、10 分别展示了横向沉降槽对比曲线和沉降时程曲线，可知，数值和模型试验具有较高的重合度，且模型试验隧道的地中沉降值呈正态图 2 地表沉降测点布置（单位：cm）图 3 地中沉降测点布置（单位：cm）图 4 测试断面二地表沉降曲线2023，21（2）4广东水利电力职业技术学院学报分布规律，图 10、7 具有相同的演化趋势。3.2 地层损失参数基于魏纲6沉降槽宽度系数 i 公式，进行地层损失分析，发现其 i 计算值为 0.432，与现场仅相差 4.86%。与表 7 所示的国内类似工程具