上软下硬地层中土仓压力变化对地表变形的影响研究

近年来，我国盾构施工向着复合式盾构方向发 展，在上软下硬地层施工中，复合式盾构占比逐渐提升。相对于单一地层，盾构在上软下硬地层中施工极易发生盾体姿态偏转、刀具损坏、上部软弱地层超挖、地表沉降不可控等问题，给地铁隧道及周边建筑物带来极大的安全隐患。

针对这些问题，相关专家和学者提出地表沉降的计算理论。刘建航等根据统计结果分析了隧道纵向变形规律；江帆等考虑盾构施工工况、地层分布和管片与土体接触情况等，建立了上软下硬地层地表沉降规律；刘联伟针对广州地铁复合岩土地层施工引起的地表变形机理和地表沉降进行研究；朱洪威以广州地铁4号线为依托建立土压盾构模型对隧道施工中引起的地表沉降进行了研究；姜忻 良等利用现场监测设备监测盾构推进过程中的变形和岩土体扰动规律；谭忠盛等分析软硬不均地层中盾构掘进方向偏差的原因，并提出了控制措施；赵先 鹏研究深圳地铁5号线上软下硬地层，提出了土仓压力对地表变形的影响；周纯择等利用BP神经网络建立了地层参数和地表沉降的预测模型；韩煊等提出了沉降槽宽度随地层埋深的变化趋势，应用较为广泛；李有兵等研究发现盾构开挖上部土体影响较大，下部岩体有小幅度上浮现象。

但是，上述研究忽略了土仓压力在上软下硬地层中地表沉降的影响，本文依托深圳地铁14号线 大运~宝荷 区间上软下硬盾构工程，研究土仓压力对地表变形的影响。

1??工程概况

深圳地铁14号线 大运~宝荷 区间全长5?573.421?m，盾构洞身穿越范围内地层为软土或全强风化灰岩，实测单轴饱和抗压强度值为32.9~103.0?MPa、全强风化砂岩，中下部为中风化、微风化灰岩，岩土强度软硬不均，属典型的上软下硬地层（图1）。

     

图1??三维数值模型

大运~宝荷 区间采用6?980复合盾构，双线间距9.814~39.662?m，区间埋深11.4~67.0?m。本次模拟采用双线净间距12?m，顶板埋深12?m，注浆层厚度14?cm，隧道外径6.7?m，内径6?m。

2??计算模型建立

以深圳地铁14号线大运~宝荷盾构区间穿越上软下硬地层为依托，采用FLAC3D软件，从土仓压力变化方面研究上软下硬地层的变形规律。

2.1??模型的建立

2.1.1??模型尺寸建立

模型以隧道周围岩土体为研究对象，其宽度为67.96?m；由于底部基岩岩体强度高，岩体结构较完整，故其厚度对地表沉降的影响不大；模型高度取为53.98?m，掘进方向长度是掘进环数的整数倍，取为50m。最终得到的模型尺寸为50?m×67.96?m×53.98?m（长×宽×高）的计算模型，共146?000个网格单元，150?501个节点单元。

2.1.2??上软下硬地层模型

深圳地铁14号线大部分区间位于洞身穿越范围内，中上部地层为软土或全强风化岩层，中下部为中风化、微风化岩层，岩土强度软硬不均，属于典型的上软下硬地层（图2）。盾构在该地层掘进姿态控制困难，易造成上部超挖，使地面发生较大沉降，甚至发生塌陷。

     

图2??上软下硬地层模型

2.1.3??管片及注浆层模型

隧道开挖直径为6.98?m，模拟方案将盾尾空隙设置为同步注浆层，盾尾空隙设为0.14?m，管片厚0.35?m，隧道内径6?m。管片支护与注浆层使用实体单元（brick）实现；土仓压力随每步开挖施加于开挖面处。将注浆压力设置为0.1?MPa，以减弱注浆对地表沉降的影响。盾构每实际环开挖进程为1.5?m，为简化计算步骤，模拟中设置为每环开挖10?m，共掘进5次（图3）。

     

图3 ??隧道管片模型及注浆模型

管片混凝土的强度等级为C50。根据修正惯用法，采用线弹性单元按整体结构计算。抗弯刚度有效率取η=0.75考虑本工程管片错缝安装的影响，管片的弹性模量和泊松比分别取25.9GPa和0.16。

2.1.4??注浆压力和土仓压力分布

在实际工程中，一般采用经验数据设定土仓压力，因此土仓压力设定经常会偏大或偏小，不利于施工控制，故根据14号线施工情况，土仓压力取0.1~0.35?MPa，盾尾同步注浆一般取0.1?MPa（图4）。

     

图4??注浆压力与土仓压力

2.2??关键参数选取

本节土体单元采用摩尔—库伦模型，土体弹性模量取10×106?Pa，抗剪强度3.8×106?Pa，粘聚力 20×10 ³ ? Pa ，内摩擦角18°。 注浆层的泊松比取为0.2，弹性模量选9?G Pa ，注浆压力取值0.1?MPa，模拟相关参数取值见表1。

表1 ??岩土体物理力学指标计算参数

3??不同土仓压力下地表沉降

3.1??0.01?MPa土仓压力地表沉降

土仓压力为0.01?MPa地表沉降变形图如图5 所示。

     

图5 ??0.01?MPa地表沉降变形（计算机截图）

由图5可看出：（1）在掘进30?m处，隧道地表沉降最大值位于掌子面前方0.3倍开挖洞径处，最大沉降值达15?mm，沉降范围大致为漏斗形分布；（2）掘进过程中，地表沉降在刀盘前方的沉降范围影响最大，达到2倍开挖洞径；（3）在刀盘后方，地表沉降影响范围为1倍的开挖洞径。

3.2??0.08?MPa土仓压力地表沉降

土仓压力为0.08?MPa时的地表变形如图6所示。

     

图6 ??0.08?MPa地表变形（计算机截图）

由图6可看出：（1）在掘进30?m处，隧道地表沉降最大值位于掌子面处，最大沉降值达3.2?mm； （2）0.08?MPa土仓压力和掌子面压力保持平衡状态，刀盘掌子面周围地表未发生明显沉降和隆起。

3.3??0.3?MPa土仓压力地表沉降

土仓压力为0.3?MPa时的地表变形如图7所示。

     

图7?? 0.3?MPa地表变形（计算机截图）

由图7可看出：（1）0.3?MPa土仓压力下，在掘进30?m处，位于掌子面前方1倍的开挖洞径处发生鼓包，鼓包最大达3?mm，鼓包范围大致按椭球形分 布；（2）鼓包沿掘进方向达到4.5倍的开挖直径，掘进横断面方向影响达到4.2倍开挖直径；（3）考虑到掘进过程中的泥水作用，在较大土仓压力工况下地表会发生冒泥风险。

3.4??小结

通过对土仓压力0.01?MPa, 0.02?MPa, 0.04?MPa, 0.08?MPa, 0.1?MPa, 0.15?MPa, 0.2?MPa, 0.25?MPa, 0.3?MPa的分析可以得出地表沉降和土仓压力的关系大致呈对数函数关系（图8、图9）。

     

图8 ??地表沉降与隧道纵断面的关系

图9 ??不同土仓压力下地表沉降

为研究土仓压力和地表变形的规律，分析不同土仓压力和地表变形的最大量，形成如下式的关系。

式中： y 为地表变形（mm）； x 为土仓压力（MPa）。

相关性系数 R ₂ =0.9845，表现出高度的相关性。

4??现场地表沉降监测

盾构掘进过程中地表变形监测结果如图10所示。

     

图10 ??现场监测数据

对比测点位置和监控记录时间发现盾构掘进过程中土仓压力在0.05~0.1?MPa时地表沉降在12?mm附近，模拟误差和现场实测误差较小，符合模拟要求。

5??结论

（1）为避免在水土混合压力下地表隆起冒泥，必须将土仓压力控制在0.3?MPa。土仓压力在0.05~ 0.15?MPa区间时地表变形控制较好。

（2）隧道最大沉降发生在隧道中轴线掌子面前方1倍的洞径处，由此向两边逐渐减小。

（3）在上软下硬地层中，由于掌子面地层软硬不均匀分布，土仓压力极易造成掌子面超挖和欠挖，须时刻对地表进行沉降监测，及时调整土仓压力。