在大规模轨道交通建设中,如何准确预测和控制隧道开挖引起的地面沉降一直是研究的热点与难点. 地层损失是引起地面沉降最主要的因素之一,是指隧道施工过程中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差,工程上常用地层损失率表示[1]. 地层损失率是指单位土体损失量与土体实际开挖体积的比值,可以综合反映施工方法、工程地质、水文地质、施加支护的时间、施工管理质量和施工技术水平对地面沉降的影响. 马险峰等[2]利用离心模型试验,对隧道施工引起的地层损失率进行模拟;结果显示,地层损失率越大,施工期和工后地面沉降越大. 通过控制地层损失率,可以将地面沉降控制在所需标准之内,对地层损失率的研究具有重要的工程意义和借鉴价值.
Peck[3]首次提出地层损失的概念,在不排水条件下,利用Peck公式反分析,可以得到地层损失率与最大沉降、地面沉降槽宽度系数以及开挖半径之间的关系. 此后,国内外学者进一步研究地层损失. Rowe等[4-5]提出间隙参数与地层损失率的表达式. Clough等[6-8]建立黏性土地层中地层损失率与稳定系数[9]的关系式. 在实际工程中,以上解 析方法都存在一定的适用条件,因此基于实际工程实测资料的统计分析更重要. Mair等[10-12]统计分析英国地区的大量实测资料,结果显示该地区地层损失率砂土为0.5%,软土为1%~2.5%;Fargnoli等[13] 分析得到无黏性土层的地层损失率为0.27%~ 0.82%. Zhang等[14]给出成都砂卵石的地层损失率均值为0.87%. 韩煊等[15-18]收集国内隧道施工过程 中的实测数据,研究不同施工方法隧道施工诱发的地面沉降规律,分析施工参数的分布规律及变化特征.
通过已有研究可以看出,地层损失率对于控制隧道施工引起的地面沉降具有非常重要的意义. 地层损失率解析法有一定的局限性,根据已有的工程实测数据,利用Peck公式进行反分析,可得地层损失率是应用最广泛的方法. 本文在前人研究的基础上,收集大量国内公开发表的不同地区不同隧道施工方法引起的地面沉降实测数据,利用Peck公式反分析的方法获得地层损失率的取值. 考虑不同地层条件,统计对比分析土压平衡盾构、泥水平衡盾构和浅埋暗挖施工方法引起的地层损失率,主要研究:1)隧道施工引起的地层损失率的取值及分布规律;2)不同隧道施工方法在不同地层条件下引起的地层损失率的异同;3)不同隧道施工方法地层损失率的影响因素.
1 隧道施工引起的地层损失率 1.1 实测数据的收集与处理国内隧道建设最主要的修建方式有盾构法(土压平衡和泥水平衡)和浅埋暗挖法,此次搜集了国内23个地区已公开发表的不同隧道施工方法的实测地面沉降数据.
Peck[3]提出不排水条件下的横向地面沉降估算公式:
$ S(x) = {S_{\max }}\exp\; \left[ - {{{x^2}}}/\big({{2{i^2}}}\big)\right] , $ | (1) |
$ {S_{\max }} = \frac{{{V_{\rm s}}}}{{i\sqrt {2{\text π}} }} , $ | (2) |
$ {V_{\rm l}} ={{{V_{\rm s}}}}/\left({{{\text π}{R^2}}}\right) . $ | (3) |
式中:S(x)为计算点x的地面竖向沉降;x为计算点到隧道中心的水平距离;Smax为隧道中心点上方的最大地面竖向沉降;i为高斯沉降曲线反弯点到隧道中心的水平距离,一般称为地面沉降槽宽度,i=kh[12],其中k为地面沉降槽宽度系数,h为隧道轴线埋深;Vs为隧道施工引起的单位长度地层损失;R为隧道的开挖直径;Vl为隧道的地层损失率. 联立式(1)~(3),有
$ {V_{\rm{l}}} = \frac{{{S_{{\rm{max}}}}i\sqrt {2{\text π}} }}{{{\text π}{R^2}}} . $ | (4) |
为了评价所收集到的实测数据是否符合Peck公式,获得相关参数,借鉴文献[15, 19]的方法,由式(1)可得
$ \frac{{S\left( x \right)}}{{{S_{\max }}}} = \exp\; \left[ - {{{x^2}}}/\big({{2{i^2}}}\big)\right] . $ | (5) |
对式(5)两边同时取对数,可得
$ \ln \Big({{S\big( x \big)}}/{{{S_{\max }}}}\Big) = - {x^2}\Big/\left({{2{i^2}}}\right) . $ | (6) |
观察式(6)可以发现,若实测数据符合Peck公式,则
$ {{i}} = \sqrt {{{ - 1}}/\big({{2{{m}}}}\big)} . $ | (7) |
将i代入式(4),可得地层损失率.
例如文献[16]中,地面实测数据来源于杭州市庆春路过江隧道西线,采用大直径泥水盾构施工,开挖直径为11.65 m,具体地层条件及监测断面情况详见文献[16]. 选取第15断面实测值进行分析,该断面隧道轴线埋深为31.24 m,横向沉降曲线如图1所示.
将不排水条件取为切口离开挖面26.26 m. 利用Peck公式,分析此时的实测地面沉降数据. 整理图1中离开挖面26.26 m的地面沉降监测数据,绘制
图2中线性拟合的确定系数R2=0.987,表明杭州庆春路大直径泥水平衡盾构隧道施工引起的地面沉降能够利用Peck公式描述. 根据式(7)可得地面沉降槽宽度i=13.39 m,再根据i=kh得到地面沉降槽宽度系数k=0.43,进一步由式(4)求得该断面的地层损失率Vl=0.914%.
对其余收集到的数据进行相同的处理,选取线性拟合R2=0.80以上的数据进行分析. 根据隧道穿越土层的不同,划分为砂土层、砂卵石层、黏土层、黄土层、膨胀土层、岩层以及复合土层. 由于Peck公式的条件是不排水,即不考虑土体的排水固结,将文献[16, 20]的研究结果作为区分施工沉降和固结沉降的依据:取地面沉降随时间变化的沉降速率转折点或盾尾通过后4~8 d作为界限. 具体所收集的数据和反分析结果如表1~3所示. 表1~3中,沉降数据未包含土体固结引起的地层损失率. 表中,H为隧道轴线埋深;D为隧道开挖直径,浅埋暗挖法为等效直径;Smax为地面最大沉降量;Vl为地层损失率;Vlav为地层损失率平均值;k为沉降槽宽度系数;kav为沉降槽宽度系数平均值;g为盾尾注浆率.
表1~3给出各地区不同隧道施工方法引起的地层损失率和沉降槽宽度系数的范围及平均值,可以为各地区即将建设隧道的设计与预测提供参考. 从表1可得,土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失率为0.03%~3.79%,平均值为0.96%,地面沉降槽宽度系数为0.13~0.97,平均值为0.50. 从表2可知,泥水平衡盾构隧道施工引起的地层损失率为0.02%~3.36%,平均值为0.48%;地面沉降槽宽度系数为0.13~0.74,平均值为0.37. 从表3可知,浅埋暗挖隧道施工引起的地层损失率为0.01%~5.32%,平均值为1.20%;地面沉降槽宽度系数为0.21~0.95,平均值为0.54. 如图3所示为不同施工方法引起的地层损失率的统计分布. 图中,PCT为占总数的百分比.
如图3所示,土压平衡盾构施工引起的地层损失率为0%~2.0%的概率为93.46%,泥水平衡盾构隧道施工引起的地层损失率分布相对集中,大多集中于0%~0.50%,占总数的近64%;其次集中于0.5%~1.0%,占总数的20.83%. 浅埋暗挖隧道施工引起的地层损失率分布最平均,分布于0%~2.5%的概率达到92.8%. 此外,从地层损失率累计发生概率图(见图4)可知,与土压平衡盾构隧道相比,泥水平衡盾构隧道引起的地层损失率分布更集中,浅埋暗挖隧道引起的地层损失率分布范围更广. 图4中,P为累积发生概率. 表1~3中样本数较少的地区,需要进一步积累相关资料才能更准确地反映当地的地层损失率.
由表2中泥水平衡盾构隧道地层损失率较大的实例可知,Vl=2.51和Vl=3.30的实例主要原因是先施工隧道与后施工隧道的间隔较短,受到后施工隧道的影响较大. Vl=3.36和Vl=3.12的2个实例主要原因是盾构隧道下穿武九铁路,列车频繁通过,对土体施加循环动荷载的影响较大. 由表3中浅埋暗挖隧道地层损失率较大的实例可知,Vl=5.32和Vl=4.43均处于武汉地铁虎泉-名都段,该标段上覆黏土层厚度非常浅薄,自稳性及成拱效应较差,是在雨季施工造成水土流失严重. 由于这些实例的地层损失率明显较大,分析时均未考虑.
1.3 实测数据统计结果的讨论从实测数据分析可以得出,土压平衡盾构隧道的地层损失率和沉降槽宽度系数整体上均大于泥水平衡盾构隧道施工引起的地层损失率和沉降槽宽度系数,浅埋暗挖隧道施工引起的地层损失率分布范围更广,离散性更大.
土压平衡盾构隧道大于泥水平衡盾构隧道的地层损失率,主要原因如下. 1)在隧道施工过程中要对地面变形进行严格监测,使地面沉降在控制值之内. 在相同的地面沉降控制值下,开挖面积越大,地层损失率越小;因此,大直径(D>10 m)泥水平衡盾构隧道必然小于直径约为6 m的土压平衡盾构隧道的地层损失率. 2)大直径泥水平衡盾构隧道的开挖更易引起土体的回弹隆起,从而减小地层损失. 3)在泥水平衡盾构机生产中,对电气和机械等方面进行针对性设计和改进[79].
与盾构法相比,浅埋暗挖隧道施工引起的地层损失率相对较大,分布范围更广,离散性更大,这与朱才辉等[17-18]的研究结果一致. 造成这种现象的原因主要如下:1)浅埋暗挖法允许一定的围岩变形,开挖对围岩的扰动更大;2)浅埋暗挖隧道形状、尺寸、开挖方法、支护措施等多种多样,造成的地面沉降差异较大,地层损失率的分布范围更广;3)浅埋暗挖法的机械化程度低,施工质量人为因素多.
此外,在相同的直径下,地层损失率的规律是浅埋暗挖最大、土压平衡盾构次之、泥水平衡盾构最小. 原因如下:1)浅埋暗挖的机械化程度低,对地层扰动最大;2)土压平衡盾构刀盘切削土体时扭矩较大,对周围地层的扰动比泥水平衡盾构大;3)泥水平衡盾构掘进时易控制,水平、竖直摆动较小.
2 地层损失率影响因素分析为了进一步研究地层损失率的影响因素,将收集到的数据按照隧道开挖断面穿越土层的不同,划分为软土层、砂土层、砂卵石层、膨胀土层、黄土层、岩层及复合土层. 研究不同地层条件、埋径比、注浆率与地层损失率的相关性.
2.1 地层条件与地层损失率的相关性如表4所示为不同地层条件下实测数据的统计结果. 可以看出,土压平衡盾构和浅埋暗挖法引起的地层损失率大体上随着地层条件的变好而减小,泥水平衡盾构引起的地层损失率随着地层渗透系数的变小而减小. 此外,在同一土层条件下,绝大多数都符合利用浅埋暗挖法引起的地层损失率最大,土压平衡盾构次之,泥水平衡盾构最小.
埋径比(H/D)是指隧道轴线埋深H与隧道开挖直径D的比值,浅埋暗挖法采用等效直径. 如图5所示为埋径比与地层损失率的相关性. 可以得出,土压平衡盾构、泥水平衡盾构与浅埋暗挖隧道引起的地层损失率离散性均较大,都难以用有效的函数关系式进行拟合,表明隧道埋径比对地层损失率虽然具有一定的影响,但该单因素的影响较弱.
如图5(a)所示,土压平衡盾构隧道大部分属于浅埋(1.6<H/D≤2.5)与深埋(2.5≤H/D),很少出现超浅埋(H/D≤1.6)的情况,深埋较浅埋的地层损失率稍大. 地层损失率整体上随着H/D的增加,呈现先增大后减小的趋势. 如图5(b)所示,泥水平衡盾构隧道地层损失率与H/D没有明显的关系,3种埋深情况的地层损失率出现比例相对平均. 可以发现,当H/D>3.0之后整体上开始呈现出减小的趋势. 综合图5(a)、(b),可以认为当H/D<3.0时,盾构隧道施工引起的地层损失率对土体扰动更敏感,更多地受到施工水平的影响;当H/D>3.0之后,盾构隧道地层损失率随着隧道埋径比的增大而减小. 从图5(c)可以发现,浅埋暗挖引起的地层损失率在超浅埋、浅埋和深埋情况下与H/D没有关系,深埋时地层损失率最大. 说明浅埋暗挖法引起的地层损失率更多受到开挖方式、支护措施和施工水平的影响.
2.3 注浆率与地层损失率的相关性注浆率是指实际注入浆液的体积与盾尾理论空隙体积的比值. 如图6所示为注浆率g与地层损失率的相关性. 土压平衡盾构施工引起的地层损失率在相同注浆率下的变化范围较大. 可以看出,不同注浆率下的平均地层损失率随着注浆率的增大,呈现先减小后增大的趋势. 这是因为当注浆率较小(≤200%)时,盾尾注浆的主要作用是填充盾尾空隙,阻止盾构周围土体向隧道方向移动,减小地面沉降,从而降低地层损失率;当注浆率较大(>200%)时,虽然能够提供足够的浆液填充盾尾空隙,但盾尾注浆会对周围土体产生挤压作用,直至劈裂土体,破坏土体结构,增大土体扰动,最终加剧土体沉降,使地层损失率增加.
(1)土压平衡盾构、泥水平衡盾构、浅埋暗挖法施工引起的地层损失率平均值分别为0.96%、0.48%、1.20%,分布在0%~2.0%、0%~1.0%、0%~2.5%的概率分别为93.46%、84.83%、92.80%;地面沉降槽宽度系数的平均值分别为0.50、0.37、0.54,分布在0.13~0.97、0.13~0.74、0.21~0.95.
(2)土压平衡盾构大于泥水平衡盾构隧道施工引起的地层损失率,浅埋暗挖隧道施工引起的地层损失率比盾构法的大,分布范围更广,离散性更大.
(3)土压平衡盾构和浅埋暗挖引起的地层损失率基本上随着地层条件的变好而减小,泥水平衡盾构引起的地层损失率随着地层渗透系数的变小而减小.
(4)隧道埋径比与地层损失率的相关性较弱,但总体上,当H/D<3.0时,盾构法(土压、泥水)隧道施工引起的地层损失率对土体扰动更敏感,更多地受到施工水平的影响;在H/D>3.0之后,地层损失率随着隧道埋径比的增大而减小. 浅埋暗挖法引起的地层损失率更多受到开挖方式、支护措施和施工水平的影响.
(5)不同注浆率下的平均地层损失率随着注浆率的增大呈现先减小后增大的趋势,并非注浆率越大越能减小地层损失率.
本文基于隧道施工期间工程实测数据,不考虑土体后期的排水固结,分析不同地层条件下土压平衡盾构、泥水平衡盾构和浅埋暗挖引起地层损失率的分布规律和影响因素,结合当地的施工技术水平和管理水平,研究成果可以为今后相关地区类似隧道工程施工诱发的地面沉降预测和施工控制提供科学参考. 由于有些地区的样本数较少,需要进一步积累数据才能更准确地反映当地的地层损失率,并可以进一步研究盾构类型、隧道线型(直线段和曲线段)、双线隧道开挖、土仓压力、掘进速度、地下水位变化以及浅埋暗挖法中不同施工方法对地层损失率的影响.
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