粉质黏土层大直径泥水盾构掘进地层扰动分析

周庆合

(中铁十四局集团有限公司，济南 250101)

引言

随着国家交通强国战略的提出和实施，新建京张高铁将成为连接北京和张家口的重要交通工程，以满足2022年冬季奥林匹克运动会的交通需求。该高速铁路以地下隧道的形式通过北京繁华城区，而盾构法隧道凭借其自身具有的优势成为修建地下隧道的最优选择。但是，在这样复杂的城市环境下，盾构隧道开挖掘进引起的地层扰动分析与控制尤为重要[1]，地层扰动引起的危害不可忽视。

目前，已经存在大量的文献针对盾构开挖引起的地层扰动进行分析与研究[2-9]。刘方等[10]通过现场监测与数值模拟的方法，针对大直径泥水平衡盾构浅覆土始发地表沉降特性进行了研究，特别是针对地层加固后的沉降特性进行了总结分析。方勇等[11]运用三维有限元数值模拟进行平行盾构隧道施工模拟，研究得到了新建隧道开挖过程中对既有隧道的位移、变形和内力的变化规律。丁烈云等[12]以武汉地铁2号线盾构隧道为依托，采用现场监测和数值模拟的方法，分析了始发过程中的地层扰动规律。鞠鑫[13]采用双孔平行隧道地表沉降计算公式、数值模拟及现场监测3种方法，分析研究了双线地铁盾构施工引起的地表沉降及其控制。Fang等[14]通过自主研发的室内试验模拟装置，研究了盾构隧道掘进过程中不同地层损失率引起的地表沉降规律。何祥凡等[15]结合深圳地铁7号线，针对盾构隧道穿越上软下硬地层的施工力学特性进行了研究。戴志仁[16]基于近年来富水砂卵石地层中盾构隧道掘进提出了微扰动施工关键控制技术。梁新权等[17]依托长沙市地铁1号线盾构区间隧道工程，揭示了盾构下穿流塑状残积粉质黏土地层的扰动规律。王俊等[18]采用自行研制的φ800 mm模型盾构开展室内掘进试验，研究土压盾构掘进对上软下硬地层的扰动特征，试验中充分考虑了盾构动态施工全过程的影响。

综上，目前的研究并没有针对泥水平衡盾构穿越北京地区粉质黏土复杂地层进行土体扰动研究。依托新建京张高铁JZSG-1标段清华园隧道，基于现场实测及三维盾构数值模拟，研究大直径泥水平衡盾构在粉质黏土层中掘进引起的土体扰动；并通过对掌子面释放系数和注浆层软化模量进行参数分析，提出了地表沉降的有效控制方法，为今后类似盾构隧道工程提供了工程参考依据。

1 依托工程概览

京张高铁一标段位于北京海淀区，起止里程为DK12+413～DK22+900，该线路长为10.487 km，其中清华园隧道为施工重点工程。清华园隧道全长6.02 km，设有3座竖井，1号竖井为接收井，2号竖井为始发兼接收井(2-A始发井、2-B接收井)，3号竖井为始发井。

盾构区间划分为3号～2号竖井区间和2号～1号竖井区间。清华园隧道盾构段采用刀盘断面为12.64 m的泥水平衡盾构机进行开挖掘进，盾构机长14 m。盾构段管片外径为12.2 m，幅宽为2 m，每环分9块拼装，即6+2+1拼装模式，管片厚55 cm。隧道最大纵坡为30‰，最小曲线半径为995m。

本文所研究盾构掘进引起地层扰动区间位于2号～1号竖井区间，地层地质情况纵断面如图1所示。

图1 盾构区间地质纵断面

2 现场测试

针对清华园隧道的实际工程情况，进行现场测试，测试项目包括土体地表沉降及深层土体横向水平位移。在2号～1号竖井区间布置了DK14+250测斜试验断面；同时在隧道中心地表每隔10 m布置一个地表沉降监测点。其中地表沉降监测和测斜试验断面DK14+250的具体布置如图2和图3所示。

图2 隧道轴线中心地表沉降监测布置

图3 深层土体水平位移测试布置(单位：m)

3 数值模拟

为了配合现场测试探究泥水平衡盾构在粉质黏土层掘进引起的地层扰动，采用FLAC3D有限差分软件建立数值模型，进行盾构开挖施工模拟。

图4和图5给出了数值模拟中建立的三维盾构开挖模型。为了充分体现隧道掘进过程对周围土体的扰动，模型沿隧道掘进方向取100 m，同时根据圣维南原理，为满足既定边界条件，整个模型的尺寸为70 m×100 m×75 m，共计346 000个单元和359 661个节点。土体采用Mohr-Coulomb本构模型，非相关联流动法则，盾构机、注浆层、管片衬砌均采用线弹性本构模型，所有单元均为实体单元。位移边界条件设定为：侧面和底面约束垂直面方向的位移，顶面自由移动。并未考虑地下水的影响。土体及材料的参数见表1。

图4 数值计算整体模型

图5 数值计算局部模型

数值模拟中将被开挖土体设置为空单元，同时激活盾构机单元，来实现盾构机的开挖掘进。通过在掌子面施加泥水压力，在盾尾处施加注浆压力和千斤顶推力来实现数值模型的精细化模拟。

表1 材料物理力学参数

模型中在地表沿隧道轴线方向每10 m设置一个测试点，同时在DK14+250测试断面隧道两侧监测深层土体水平位移。深层土体水平位移现场实测是在地中竖直方向每隔1 m读取一个数据，由于现场及施工条件的制约，测斜孔的深度只有22 m，几乎到达隧道轴线所在深度。

4 分析与讨论

4.1 模型验证

将计算得到的DK14+250测试断面地表横向沉降槽与现场实测曲线进行对比分析，如图6所示。由图6可得，两条曲线呈现大体一致的沉降特性，近似Peck[20]提出的正态曲线。在隧道轴线中心地表沉降值最大，约14 mm，两侧位移逐渐降低，在两肩处呈现上拱趋势。

图6 DK14+250测试断面横向沉降槽对比

图7给出了现场实测和数值模拟中隧道轴线右侧深层土体横向水平位移对比。图7中，横向水平位移为正，意味着土体向着隧道方向移动。横向水平位移随着深度不断增大，在隧道中心深度处达到最大值。故对于重点监测断面，应在隧道两侧隧道中心埋深处进行重点加固，进而达到减小横向水平位移的目的。由于现场实测的测斜孔深度只有22 m，因此不能得到更深处土体横向水平位移。但是，通过数值模拟可以看出，隧道轴线下方土体横向水平位移逐渐减小，影响范围约为1D(D为隧道开挖直径)，并且在最下方产生反向位移。

图7 DK14+250监测断面横向水平位移对比

将数值计算与现场实测进行对比发现，数值计算得到的土体变形规律与现场实测规律一致，但是数值计算值均比实测值偏大，计算结果较为安全，这都是在可以接受范围内的，足以说明数值模型的可靠性和有效性。本文的数值模拟能够在一定程度上反映清华园隧道泥水平衡盾构粉质黏土地层土体的扰动规律。

4.2 地表沉降

图8给出了现场实测中2号～1号盾构区间隧道轴线正上方地表沉降测点的最终沉降值。其中，由于距离2号始发井500 m处附近下穿重要市政道路进行了微沉降控制，因此沉降值较小。随着盾构机的不断开挖掘进，底层适应性越来越明显，地表沉降控制技术得到有效实施，地表沉降值控制在一个相对稳定的平均水平，约8 mm。从图8可以看出，在地层加固阶段(450 m左右)，地表沉降较小，说明了加固措施的有效性。在盾构掘进过程中，应根据沉降数据实时调整盾构掘进参数及加固方案，以期更好地控制地表沉降。

图8 2号～1号盾构区间隧道轴线正上方地表最终沉降

4.3 深层土体水平位移

从数值模拟结果得到深层土体横向水平位移随着盾构掘进的变化曲线，如图9所示。横向水平位移随着土体深度的增加明显增大。在盾构切口到达前，土体向隧道侧缓慢移动，埋深较浅处的土体有背向隧道侧运动的趋势(埋深3 m处)。在切口到达后，土体向隧道侧加速移动。当盾尾通过测试断面，继续产生少许移动，然后反向回落达到稳定。同时可以发现，土体主要在盾构通过测试断面期间产生横向水平位移。

图9 数值模拟中DK14+250断面横向水平位移

4.4 参数分析

在数值计算的基础上，针对地表沉降进行多工况参数分析计算，主要包括掌子面释放系数与注浆层软化模量的影响。掌子面释放系数指的是在隧道开挖后，土体应力重分布会产生应力释放，释放系数为释放掉的应力与开挖应力之比。在盾构施工过程中，注浆层的硬化是有时间效应的，由松散泥浆逐渐硬化为承受压力的注浆层，此处注浆层软化模量指的是在模拟中分级硬化时的第一级硬化模量。

图10为不同释放系数下横向沉降槽，图11为最大沉降值随着释放系数的变化规律。由图10和图11可以看出，在粉质黏土地层中随着释放系数的不断增大，位移呈现增大趋势。基于图11可以发现，随着释放系数的不断变大，轴线处地表位移绝对值呈现线性增长(加速沉降)。当释放系数小于0.18时，隧道轴线处地表位移可控制在20 mm以内。

图10 不同释放系数下地表横向沉降槽

图11 不同释放系数下最大沉降值的变化曲线

图12为掌子面释放系数为0.10时，采用不同注浆层软化模量的隧道轴线地表位移时程曲线。从图12可以看出，当注浆层软化弹模低于1 MPa时，地表沉降极大(30 mm以上)；注浆层软化弹模在18 MPa及以上时，地表沉降较小，约10 mm，沉降的产生主要在盾构通过阶段，以盾构机本身锥度的影响为主。

图12 释放系数0.10时隧道轴线地表位移变化曲线

图13是注浆层使用不同的软化模量时，地表的最大位移。从图13可知，随着注浆层软化模量的不断提高，最终地表位移将逐渐减小，达到一定值后，影响效果将不再明显，可以认为提高盾构同步注浆效果将明显改善盾构机对土体的扰动，从而减少地表位移。图14是注浆层软化模量取为18 MPa时，不同掌子面释放系数下隧道轴线地表位移时程曲线。当释放系数为0.1时，地表位移已达10 mm，约为最终位移量50%以上。因此在粉质黏土层中，盾构机应注意有效的稳定开挖面，尽量减小扰动。

图13 不同软化注浆层模量时的最大位移

图14 注浆层软化模量为18 MPa时不同释放系数下位移时程曲线

通过对掌子面释放系数和注浆层软化模量进行参数分析，可以发现清华园隧道盾构机在粉质黏土层掘进产生的应力释放系数约为0.14。对于应力释放系数在掘进过程的调整取决于管片的拼装时间，在隧道施工过程中，在条件允许情况下适当地提早进行管片的拼装及注浆压力的施作，有利于降低应力释放率，达到控制地表沉降的目的。另一个有效控制地表沉降的方法是控制注浆层软化模量，由参数分析可得软化模量越大，对地表沉降的控制越明显，因此盾构掘进时可以适当加快注浆层的硬化速度。

4.5 讨论与分析

根据图9～图14可以发现，清华园隧道粉质黏土层大直径泥水平衡盾构掘进对地层产生了一定扰动。针对图9可以总结为：盾构掘进过程根据扰动情况可分为4个阶段：第一阶段，盾构切口到达前，距离监测点-10～-5 m；第二阶段，盾构通过时，距离监测点为-5～13 m；第三阶段，盾尾通过阶段，距离监测点13～18 m，主要考虑由于同步注浆控制地表沉降引起的地表沉降变化；第四阶段，盾构远离断面时，约为距离监测点18 m以后。通过对注浆压力的合理控制，可以有效改善地表沉降，起到地层扰动防控的作用。同时，应根据地层应力释放系数适当调整地层加固方案和同步注浆实施方案。

盾构掘进在横向上引起的扰动约在距隧道轴线20 m(约1.5D)的范围内，故需对横向1.5D范围内地表及建(构)筑物进行地层加固、加强监控量测，实现盾构安全稳定掘进，减小盾构掘进引起的地层扰动。

5 结论

以清华园隧道2号～1号盾构区间为工程背景，采用数值计算与现场实测相结合的方式，针对盾构掘进穿越粉质黏土地层所引起的周围地层扰动进行分析研究，得出以下结论。

(1)本文所采用的数值模型能够有效地模拟大直径泥水平衡盾构掘进施工行为，数值计算与监测基本一致，该数值模拟计算方法具有工程实用价值和指导意义。

(2)得到了泥水盾构穿越北京粉质黏土层的扰动规律。地表沉降槽呈正态曲线形式，在粉质黏土层盾构开挖后的掌子面释放系数约为0.14。土体横向水平位移规律：切口到达前，土体向隧道侧缓慢移动，在切口到达后，土体快速挤向隧道。盾尾到达，继续产生少许移动，然后反向回落至不再产生变化。

(3)通过数值模拟多工况参数分析计算，得到了关于掌子面释放系数与注浆层软化模量对地层扰动的影响。随着释放系数的不断变大，最大位移呈现线性增长。随着注浆层软化模量的不断提高，最终地表位移将逐渐减小，达到一定值后，影响效果将不再明显。在条件允许情况下适当提早管片的拼装及适当加快注浆层的硬化速度，可有效控制地表沉降。