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基于现场实测数据统计的隧道围岩全过程变形规律及稳定性判据确定

孙振宇, 张顶立, 侯艳娟, 李奥

孙振宇, 张顶立, 侯艳娟, 李奥. 基于现场实测数据统计的隧道围岩全过程变形规律及稳定性判据确定[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(7): 1261-1270. DOI: 10.11779/CJGE202107011
引用本文: 孙振宇, 张顶立, 侯艳娟, 李奥. 基于现场实测数据统计的隧道围岩全过程变形规律及稳定性判据确定[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(7): 1261-1270. DOI: 10.11779/CJGE202107011
SUN Zhen-yu, ZHANG Ding-li, HOU Yan-juan, LI Ao. Whole-process deformation laws and determination of stability criterion of surrounding rock of tunnels based on statistics of field measured data[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(7): 1261-1270. DOI: 10.11779/CJGE202107011
Citation: SUN Zhen-yu, ZHANG Ding-li, HOU Yan-juan, LI Ao. Whole-process deformation laws and determination of stability criterion of surrounding rock of tunnels based on statistics of field measured data[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(7): 1261-1270. DOI: 10.11779/CJGE202107011

基于现场实测数据统计的隧道围岩全过程变形规律及稳定性判据确定  English Version

基金项目: 

国家自然科学基金项目 51738002

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目 P2109G038

详细信息
    作者简介:

    孙振宇(1993— ),男,博士,讲师,主要从事隧道及地下工程方面的研究工作。E-mail:zhenyus@bjtu.edu.cn

    通讯作者:

    张顶立, E-mail:zhang-dingli@263.net

  • 中图分类号: TU43;U451

Whole-process deformation laws and determination of stability criterion of surrounding rock of tunnels based on statistics of field measured data

  • 摘要: 隧道围岩全过程变形是认识支护与围岩相互作用演化机制的基本前提,也是围岩稳定性评价和支护设计的重要依据。在对40座隧道与地下工程围岩全过程变形进行收集和整理的基础上,系统分析了隧道围岩全过程变形及其关键节点、围岩变形速率与变形加速度分布规律与影响因素。研究表明:隧道围岩超前变形量和基本稳定变形量随施工进度呈总体增大趋势,随开挖半径呈减小趋势,而相应的位移释放率则无明显相关关系;随着围岩级别的增大,超前变形量与基本稳定变形量增大,而相应的位移释放率则反而减小;通过改进Hoek公式对深、浅埋条件下围岩全过程变形进行拟合,拟合优度在0.95以上,可为围岩损失位移的求解提供依据;隧道围岩变形速率随时间发展趋势为先增大后减小,而变形加速度则表现出“正弦曲线”特征,二者随隧道半径和施工速率变化显著。根据分析结果,指出对于不良地质条件下的大断面隧道,围岩变形速率小而变形持续时间长,此时围岩稳定性的判断应以变形加速度作为主要指标,并进一步给出了变形加速度阈值的确定方法。
    Abstract: Deformation of the surrounding rock during the whole excavation process is the basic premise to understand the evolution mechanism of interaction between the supports and the surrounding rock, which is also an important reference for stability evaluation of the surrounding rock and design of the supports. On the basis of collecting the deformation of the surrounding rock during the whole excavation process of 40 tunnels and underground projects, the whole process deformation and its key nodes, the distribution laws of deformation rate and deformation acceleration of the surrounding rock and the influencing factors are systematically analyzed. The results show that the advance deformation and basically stable deformation of the surrounding rock increase with the construction speed and decrease with the excavation radius, while the corresponding displacement release rates have no obvious correlation. With the increase of the surrounding rock, the advance deformation and basic stable deformation increase, and the corresponding displacement release rate decreases instead. By improving the Hoek’s formula, the whole-process deformation of the surrounding rock is fitted, and the goodness of fitting is above 0.95, which can provide a basis for the solution of loss displacement. The deformation rate of the surrounding rock first increases and then decreases with time, while the deformation acceleration shows the characteristics of "sinusoidal curve", both of which change significantly with tunnel radius and construction speed. According to the analysis results, it is pointed out that the deformation rate of the surrounding rock is small and the deformation duration is long for the large-section tunnels under unfavorable geological conditions, and the deformation acceleration should be taken as the main index to judge the stability of the surrounding rock. Furthermore, the determination method for deformation acceleration threshold is given.
  • 在上软下硬的土岩复合地层中进行盾构隧道的施工极易造成上部软土地层扰动剧烈从而引起地表塌陷等问题[1],中国不少工程就曾发生类似风险,造成大量损失。对盾构隧道穿越土岩复合地层引起的地表沉降规律展开研究具备一定的工程意义。

    针对上软下硬地层中盾构隧道施工引起的地表沉降问题,目前主要的研究方法分为经验法、解析(半解析)法、数值模拟、室内模型试验。针对经验法,大多数工作主要集中在根据实测数据进行反分析,从而对经典的Peck公式进行修正,起到预测地表沉降的目的[2];针对数值模拟,周力军等[3]、刘重庆等[4]、Lv等[5]均研究了盾构在不同硬岩比地层中掘进所引起的地表沉降规律;针对室内模型试验,王俊等[6]采用ϕ800 mm的土压平衡盾构模型研究了上软下硬地层中盾构掘进对地表位移的影响。总的来说,现有上述研究大多针对单个工程分析,缺乏普遍性,难以直接应用于其他工程。而解析法(半解析)法采用等效土体损失参数g(m)[7]描述土体损失大小,可有效分析不同工程中隧道施工引起的地表沉降规律,适用范围广,但目前该方法大多针对均质地层,针对土岩复合地层的较少,因此有必要提出一种适用于土岩复合地层中隧道施工引起的地表沉降计算方法。

    本文以盾构穿越上软下硬土岩复合地层为研究工况,通过引入开挖面收敛模式参数γ来反映盾构开挖面的收敛模式,综合考虑了隧道上部覆土的分层影响,对经典的随机介质理论[8]进行了简化,并用简化后的方法推导了地表水平及竖向位移计算公式,依托杭州环城北路—天目山路02标段盾构隧道工程,进行了地表沉降值的计算和可靠性验证,收集整理了中国共26组地表实测数据并利用反分析得到了各自的土体损失率,进一步分析了土体损失率的分布及取值规律。

    本文以土岩复合地层作为研究对象,主要考虑盾构开挖中土体损失作用引起的土体位移。上软下硬地层交界面称为岩土交界面,用RSI (rock-soil interface)表示;盾构开挖面内的软硬地层比例用硬岩比B[4-5](开挖面内硬岩层高度与盾构外径的比值)表示。

    盾构穿越上软下硬土岩复合地层,是指开挖面内上半部分在黏土、砂土以及全风化岩层等软弱性质地层中掘进,而开挖面下半部分在沉积岩、中微风化岩石等硬质地层中掘进。相对于上部软弱性质地层,下部硬岩自稳能力好,不易发生变形,未见因为硬岩段塌陷而引起的地表大变形问题[1]。此外,开挖后硬岩部分闭合较慢,收敛程度有限,将会给浆液提供足够的时间充填和凝固。鉴于此,本文作如下假定:①盾构开挖引起的土体损失集中在软土层,下部硬岩层不产生变形,开挖形成的空隙将全部由注浆填充;②各地层均为水平层状地层,单层土质均匀。

    根据随机介质理论及本文假设,上部土层损失体积应等于盾构开挖断面收敛体积与硬岩层注浆填充体积之差,即等于开挖面在软弱地层中的收敛体积。隧道在全断面软土中开挖时,目前采用较多的开挖面收敛模式包括两种:①等量收敛模式[9],收敛前后中心位置不发生变化;②底部相切非等量径向收敛模式[10],收敛后断面沉至开挖面底部。当盾构在上软下硬复合地层中掘进时,盾构有着向软土层偏移的特性[1, 3];同时,下部硬岩开挖后闭合较慢,主要靠浆液填充,浆液长时间处于一种流动状态,会对包裹的管片产生浮力,极限状态是收敛后断面上浮至开挖面顶部。实际工程中,由于管片自重、浆液浮力等因素的综合作用,实际收敛模式应介于上述3种之间。

    为了准确表示隧道可能出现的收敛模式,本文引入开挖面收敛模式参数γ[11],则开挖断面P和收敛后断面Q的埋深H1H2满足:

    H2 = H1+γg2 (1)

    式中:γ的取值范围为[-1, 1]。

    在随机介质理论中,tanβ为主要影响角正切值,是隧道开挖引起土体变形的主要参数。根据Knothe[12]的定义,有

    tanβ=h/L (2)

    式中:h为埋深;L为沉降槽主要影响范围。

    考虑隧道开挖断面上部存在多层覆土的情况,盾构开挖过程引起的土体变形将会逐层向上扩散传递。根据随机介质理论的唯一性可知地层某一单元dξdη开挖所引起的上部土体沉降曲线是唯一的,所以从隧道开挖层开始依次向上逐层推导的沉降曲线将和实际沉降曲线一致。同理,多层地层主要影响角β也可以通过逐层向上传递推导而成[13]。如图 1所示,上下地层厚度分别为h1h2,假设埋深为h的变形单元dξdη在地层2中形成的主要影响角为β2,之后变形继续向上传递,在地层1中形成的主要影响角为β1,满足:

    tanβ=OAOB=h1+h2h1tanβ1+h2tanβ2 (3)
    图  1  主要影响角β的传递
    Figure  1.  Transmission of main influence angle (β)

    同理,n层地层主要影响角β满足:

    tanβ=h1+h2++hnh1tanβ1+h2tanβ2++hntanβn (4)

    式中:hiβi为从上至下第i层地层的高度及主要影响角,i=1, 2···n

    韩煊等[14]建立了随机介质理论与Peck公式的联系,

    tanβ=1/K2π  (5)

    将式(5)代入式(4)可得

    tanβ=hK1h12π +K2h22π ++Knhn2π  (6)

    式中:Kiφi为从上至下第i层地层的沉降槽宽度系数及土体内摩擦角,i=1, 2,···,n,有Ki = 10.02φi[14]

    (1)土体位移计算公式推导

    图 2可知,大圆表示盾构开挖断面P,直径为Dd (2Rd),中心o1埋深为H1;小圆表示收敛后断面Q,直径为D (2R),中心o2埋深为H2。定义中心o1o2与RSI面的夹角分别为土岩复合角A1A2

    图  2  盾构隧道计算模型
    Figure  2.  Model for shield tunnel

    开挖面内分两层,RSI面上部位于软弱性质地层,为土体损失发生区(空白表示);下部位于硬岩层,将全部由浆液填充(阴影表示)。

    (2)某一断面地表土体位移计算公式

    根据传统的随机介质理论方法,需在土体损失发生区内进行积分,盾构在土岩复合地层施工引起的地表竖向位移W(x)及水平位移U(x)为

    W(x)=WPS(x)WQS(x)=PStanβηexp[π tan2βη2(xξ)2]dξdηQStanβηexp[πtan2βη2(xξ)2]dξdη (7)
    U(x)=UPS(x)UQS(x)=PS(xξ)tanβη2exp[π tan2βη2(xξ)2]dξdηQS(xξ)tanβη2exp[πtan2βη2(xξ)2]dξdη (8)

    以上公式需进行积分运算,计算过程复杂,不利于工程中的推广与应用。对此,Yang等[15]提出了随机介质理论的简化方法,认为在隧道埋深与隧道直径之比大于某一值时,整个隧道断面可视为位于中心处的一个单元,在计算过程中可理解为取中心处的单元计算值乘上积分区域面积得到最终地表位移值。在Yang等[15]的研究中,土体损失发生区域为圆形,圆心即为中心,而本文研究工况中,土体损失发生区域发生了变化(图 3),本文在计算过程中取形心处的单元计算值乘上面积来估算最终地表沉降值。

    图  3  土体损失发生区示意图
    Figure  3.  Schematic diagram of occurrence area of soil loss

    由于断面PQ左右对称,形心一定位于z轴上,仅需确定形心的埋深即可确定形心坐标。图 3所示,以开挖断面P为例,土体损失发生区的几何形心为o1-z,埋深为H1-z。从几何角度分析,根据分割法或负面积法即可求得H1-z满足:

    H1z=H14Rdsin3(A1/A122)6π 3A1+3sinA1 (9)

    对应非阴影部分的面积SP-S

    SPS=R2d[2π A1+sinA1]2 (10)

    同理,收敛后断面Q几何形心o2-z的埋深H2-z及对应非阴影部分面积SQ-S

    H2z=H24Rsin3(A2/A222)6π 3A2+3sinA2 (11)
    SQS=R2[2π A2+sinA2]2 (12)

    式中:RdR分别为断面PQ的半径,满足R = Rd0.5gA1 = 2arccosH3H1RdA2 = 2arccos H3H2RA1,且A1A2的取值范围均为[0,2π]。

    式(7),(8)可简化为

    W(x)=WPS(x)WQS(x)=SPStanβH1zexp[π tan2βH21zx2]SQStanβH2zexp[πtan2βH22zx2] (13)
    U(x)=UPS(x)UQS(x)=SPSxtanβH21zexp[π tan2βH21zx2]SQSxtanβH22zexp[πtan2βH22zx2] (14)

    (3)计算公式沿掘进方向的延拓

    盾构开挖的土体量会多于设计开挖量,增加的这一部分即称为土体损失量Sloss。满足

    Sloss=Spε = επ R2d (15)

    式中:ε为土体损失率。

    根据图 2所示的几何关系可知:

    Sloss=π R2dπ (Rd0.5g)2[R2d(A1sinA1)2(Rd0.5g)2(A2sinA2)2] (16)

    联立式(15),(16)可得

    g=2Rd2RdC2+C[(A2sinA2)(A1sinA1)2πϵ]C (17)

    式中:C为中间变量,有C = 2π A2+sinA2

    上述研究中的ε为某一断面的土体损失率,进一步可获得土体损失率沿掘进方向的变化公式为[11]

    ε(x)=ε2[1yy2+H21z] (18)

    将式(18)代入式(17)可得

    g(x)=2Rd2RdC2+C[(A2sinA2)(A1sinA1)2π ε(x)]C (19)

    g(x)替换上述推导过程中的g,就可以使地表位移公式沿盾构掘进方向得以延拓,使式(13),(14)能够计算盾构开挖面前后不同距离的地表位移值。

    计算案例参数取值:Dd=6 m,B=0.5,ε=2%,γ=0。各地层分层情况、内摩擦角、厚度及隧道所在位置详见图 4。如图 56所示为不同隧道埋深(深经比)工况下,使用传统随机介质理论及本文简化方法计算得到的地表位移值对比。

    图  4  计算案例工况示意图
    Figure  4.  Schematic diagram of calculation cases
    图  5  不同埋深下两种方法所得地表竖向位移值对比
    Figure  5.  Comparison of vertical surface displacements obtained by two methods at different burial depths
    图  6  不同埋深下两种方法所得地表水平位移值对比
    Figure  6.  Comparison of surface horizontal displacements obtained by two methods at different burial depths

    图 56可知,当埋深依次为18,24 m时,两种方法计算得到的地表竖向及水平向位移曲线基本重合;当埋深为12 m,即隧道深经比为2时,两种方法计算得到的位移曲线在位移最大值附近略有偏差,简化方法所得位移值要略大于传统方法,但总体差别较小。综合来看,当隧道达到一定埋深后,本文简化方法与传统方法计算结果基本相同,可用本文简化方法代替传统方法进行简单计算。

    按2.1节所述算例,取H1=18 m,依次取γ为0,-1,1,分别使用传统随机介质理论及本文简化方法计算得到地表位移值进行对比。如图 78所示,当γ取0时,传统方法与本文简化方法计算所得竖向及水平向位移曲线基本重合,差值较小;当γ取-1或1时,两种方法所得位移值差值较大,无法使用本文简化方法进行计算。故本文在综合考虑盾构穿越上软下硬土岩复合地层的特点及计算精度的情况下,后续研究中取γ=0进行计算。

    图  7  取不同γ时两种方法所得地表竖向位移值对比
    Figure  7.  Comparison of vertical surface displacements obtained by two methods with different γ
    图  8  取不同γ时两种方法所得地表水平位移值对比
    Figure  8.  Comparison of horizontal surface displacements obtained by two methods with different γ

    杭州环城北路—天目山路02标段盾构隧道分为南北双线,本文以先行的北线隧道为研究对象。北线全长3260 m,采用泥水平衡式盾构施工,开挖断面直径为13.46 m,盾构主机长度为15 m,管片外径为13 m,环宽2 m。如图 9所示,北线隧道在约NK2+708—NK3+244里程范围内先后穿越了5段上软下硬的土岩复合地层,穿越段地层分布复杂,隧道上部覆土为高低起伏的层状地层,主要穿越的岩层为中等风化晶屑玻屑凝灰岩(图中红色)。按照穿越前后分别将各穿越段记为N3(右侧三小段),N2,N1。

    图  9  北线隧道穿越地层纵断面图
    Figure  9.  Longitudinal section of north line tunnel passing through stratum

    图 10所示,以N3所在里程范围内的监测断面布置为例,相邻监测断面间隔24 m(12环),每个监测断面的测点数量为16~19个,测点编号由南向北依次编号。以DBC516监测断面为例,各测点间距详见图 11,其中,测点13对应北线隧道轴线正上方。

    图  10  监测断面布置平面图
    Figure  10.  Layout plan of monitoring sections
    图  11  测点布置示意图
    Figure  11.  Layout diagram of measuring points

    从N1~N3段共13个监测断面中,挑选出9组数据正常的断面,断面名称、里程、对应硬岩比详见表 1。各监测面对应的地层参数如表 2

    表  1  所选监测断面详细介绍
    Table  1.  Details of selected monitoring sections
    监测断面 监测面里程 硬岩比 所在组段编号
    DBC468 NK3+229 0.09 N3
    DBC516 NK3+130 0.38 N3
    DBC528 NK3+106 0.13 N3
    DBC600 NK2+964 0.07 N2
    DBC612 NK2+940 0.23 N2
    DBC624 NK2+916 0.35 N2
    DBC696 NK2+772 0.38 N1
    DBC708 NK2+748 0.12 N1
    DBC720 NK2+724 0.04 N1
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    表  2  各监测面对应地层参数
    Table  2.  Corresponding formation parameters of various monitoring sections
    地层 层厚/m 内摩擦角/(°)
    DBC
    468
    DBC
    516
    DBC
    528
    DBC
    600
    DBC
    612
    DBC
    624
    DBC
    696
    DBC
    708
    DBC
    720
    1杂填土 2.5 2.70 2.70 2.70 2.20 3.4 2.6 3.80 3.40 10.0
    2粉质黏土 1.00 0.45 1.20 0.60 12.1
    1粉土夹淤泥质土 2.5 1.60 0.85 0.95 1.00 3.5 25.1
    2砂质粉土 3.70 7.40 3.8 31.8
    1淤泥质黏土 5.0 6.20 5.70 2.15 5.4 5.40 5.90 9.5
    2粉质黏土夹粉 12.0 7.00 7.15 7.25 5.90 5.8 4.4 4.10 4.05 11.5
    1粉质黏土 5.50 6.70 5.65 7.10 4.3 7.0 4.30 6.05 13.8
    1淤泥质黏土 5.20 4.55 9.3
    2黏土 5.3 1.20 0.94 10.8
    1粉质黏土 5.0 4.10 2.68 4.9 1.53 1.95 15.7
    1含砂粉质黏土 1.0 1.30 0.60 1.10 1.20 1.40 15.3
    1黏土 2.5 2.80 12.9
    1全风化晶屑玻屑凝灰岩 0.4 1.00 0.50 17.3
    2强风化晶屑玻屑凝灰岩 1.8 4.45 2.20 0.98 0.10 20.3
    3中等风化晶屑玻屑凝灰岩
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    结合表 2中各监测断面的地层分层情况,根据中心监测点附近(小范围)的沉降数据进行反分析,得到各个监测面对应的土体损失率,将土体损失率代入本文方法并对隧道中心两侧40 m范围(大范围)内的土体位移值进行计算,最后将计算所得沉降曲线与所有实测数据进行对比。对本工程上述9个监测面的土体损失率进行反分析,得到对应土体损失率见表 3,再对隧道中心两侧40 m内的沉降值进行计算,得到相应沉降值曲线。以DBC468和DBC528实测数据对比情况为例,由图 12可知,大多数的实测数据点都分布在理论计算曲线两侧附近,实测数据分布规律与本文方法所得沉降值曲线的分布规律相吻合。需要注意的是:①计算过程中取y=-50 m,即所取沉降数据为盾构通过后达到的稳定最大沉降值;②部分监测点由于数据失真,故不采用,不影响整体数据分布规律。

    表  3  盾构穿越上软下硬地层的工程案例及参数分析
    Table  3.  Engineering cases and parameter analysis of shield tunnel crossing upper-soft (soil) and lower-hard (rock) strata
    序号 隧道及研究断面 隧道穿越土层 Dd/m H1/m B ε/%
    1 N5段,DBC468 详见上文 13.46 27.33 0.09 1.05
    2 N3段,DBC516 详见上文 13.46 25.95 0.38 0.80
    3 N3段,DBC528 13.46 25.52 0.13 0.95
    4 N2段,DBC600 详见上文 13.46 23.96 0.07 0.20
    5 N2段,DBC612 13.46 23.88 0.23 0.11
    6 N2段,DBC624 13.46 23.78 0.35 0.09
    7 N1段,DBC696 详见上文 13.46 23.09 0.38 0.35
    8 N1段,DBC708 13.46 23.01 0.12 0.50
    9 N1段,DBC720 13.46 22.86 0.04 0.55
    10 广州某地下综合管廊,398环[16] ①杂填土、②淤泥质黏土、③粉质黏土、④强风化炭质灰岩(软岩)、⑤中风化石灰岩(硬岩) 6.30 21.00 0.25 0.42
    11 广州某地下综合管廊,446环[16] 6.30 21.00 0.50 0.36
    12 佛莞城际铁路,1322环[3] ①素填土、②可塑状粉质黏土、③全风化花岗岩、④强风化二长花岗岩(硬岩) 8.80 27.61 0.25 0.77
    13 佛莞城际铁路,1346环[3] 8.80 29.25 0.5 0.45
    14 南昌地铁1号线,断面1[17] ①杂填土、②土层、③岩层(具体不详) 6.28 17.00 0.67 1.50
    15 南昌地铁1号线,断面2[17] 6.28 17.00 0.50 1.85
    16 南昌地铁1号线,断面3[17] 6.28 17.00 0.33 2.20
    17 厦门地铁1号线,DBC42[4] ①素填土、②残积砾质黏土、③全风化花岗岩、④强风化花岗岩、⑤中风化花岗岩 6.48 14.00 0.15 1.20
    18 厦门地铁1号线,DBC62[4] 6.48 14.00 0.50 0.85
    19 厦门地铁1号线,DBC32[4] 6.48 14.00 0.85 0.50
    20 厦门地铁1号线,DBC26[4] 6.48 14.00 0.95 0.45
    21 合肥地铁1号线,开挖至12 m[18] ①素填土、②黏土、③粉质黏土、④强风化泥质砂岩、⑤中等风化泥质砂岩 6.00 21.00 0.67 1.70
    22 合肥地铁1号线,开挖至18 m[18] 6.00 21.00 0.67 2.00
    23 合肥地铁1号线,开挖至24 m[18] 6.00 21.00 0.67 2.00
    24 广州地铁8号线,YD203[5] ①杂填土、②淤泥质土、③细砂、④中粗砂、⑤砾石砂、⑥微风化石灰岩 6.28 15.62 0.20 0.73
    25 广州地铁8号线,YD200[5] 6.28 17.50 0.50 0.67
    26 广州地铁8号线,YD161[5] 6.28 19.70 0.85 0.43
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    图  12  数据对比图
    Figure  12.  Comparison between calculated results and measured data

    本文还对6个其他工程案例进行了整理与计算,加上上面分析的案例,总共反分析得到了26个土体损失率数值,具体工程数据及所取土体损失率见表 3

    以广州某地下综合管廊工程[16]为例,如图 13所示为该工程计算值与实测值对比,可以发现监测面实测数据点均匀分布在计算曲线两侧,说明本文方法计算所得沉降曲线的变化规律与实测数据分布规律大体一致,其他工程所得计算曲线与实测数据吻合度也较高,本文由于篇幅有限,不逐一展示。综上所述,本文方法能够有效预测盾构隧道穿越上软下硬土岩复合地层引起的地表沉降值,且具备一定的准确性。

    图  13  广州某地下综合管廊工程数据对比图
    Figure  13.  Comparison between calculated results and measured data for an underground comprehensive pipe gallery in Guangzhou

    土体损失率在0%~2.5%分布较为均匀,连贯,没有出现大量数据相等的现象,表明本文统计的数据具有一定代表性。在26组数据中,土体损失率最小为0.09%,最大为2.2%。土体损失率<0.49%的为9个,0.5~0.99有9个,土体损失率平均值为0.87%。土体损失率主要集中在0%~0.99%内,占比为69.2%。魏纲[19]统计了国内71个地表实测数据并进行了土体损失率的反分析,发现土体损失率主要集中在0.2%~2.0%,占数据量的95.77%,其中黏性土地区的土体损失率均在0.2%~2.02%。对比之下,复合地层中土体损失率的分布规律与分布区间大体相同。如图 14所示为两者土体损失率累积发生概率对比图,曲线变化规律基本相同。造成上述现象的可能原因包括:①硬岩部分开挖间隙闭合慢,将由浆液填充,使土损下降;②盾构穿越上软下硬土岩复合地层使盾构掘进姿态难以控制,引起频繁的盾构超挖及纠偏[1, 3],使土损上升。在上述两个因素的综合作用下,盾构穿越上软下硬复合地层引起的土体损失率和黏性土地层大致相同。

    图  14  土体损失率累积发生概率对比图
    Figure  14.  Comparison of cumulative occurrence probabilities of soil loss ratio

    图 15所示为上述不同工程(区段)土体损失率随硬岩比的变化趋势,对折线进行线性拟合。由图可知,各工程数据的线性拟合效果较好,对于同一个工程(区段)中,即地层条件、施工水平和隧道埋深等条件相近的情况下,土体损失率都随着开挖面硬岩比的增大而减小,且大致呈线性关系。也就是说,同一个工程(区段)内,在已知两处断面土体损失率的情况下,可以通过线性关系初步估算其他硬岩比断面下的土体损失率,从而对该断面的地面沉降值进行计算。

    图  15  不同工程(区段)土体损失百分率随硬岩比的变化
    Figure  15.  Variation of soil loss ratio with hard rock ratio in different projects (sections)

    (1)本文对随机介质理论进行了简化,在保证精度的同时提升了计算的简便性,本文方法计算所得地表沉降曲线与实测数据吻合度较高,可以用于盾构穿越上软下硬地层引起的地表位移值估算。

    (2)通过26组实测数据的统计分析可以看出,盾构穿越上软下硬复合地层引起的土体损失率分布在0.09%~2.2%,与黏性土中的取值规律大致类似。

    (3)通过对比同一工程(区段)不同断面的地表沉降实测数据,发现土体损失率随着开挖断面硬岩比的增大而减小,且大致呈线性相关,而不同工程(区段)之间由于地层条件、施工水平和隧道埋深等因素差别较大,导致土体损失率取值上的差异性。

    目前可用的合适案例较少,本文采用的样本量相对较少,存在一定不足,进行的影响规律分析也是初步分析,有待后续进一步研究与完善。

  • 图  1   典型隧道围岩全过程曲线

    Figure  1.   Curves of settlement of surrounding rock

    图  2   超前变形与施工进度关系

    Figure  2.   Relationship between deformation at tunnel face and construction speed

    图  3   超前变形与等效开挖半径关系

    Figure  3.   Relationship between deformation at tunnel face and equivalent excavation radius

    图  4   超前变形与围岩级别关系

    Figure  4.   Relationship between deformation at tunnel face and rock grade

    图  5   基本稳定变形与施工进度关系

    Figure  5.   Relationship between basically stable deformation and construction speed

    图  6   基本稳定变形与等效开挖半径关系

    Figure  6.   Relationship between basically stable deformation and equivalent excavation radius

    图  7   基本稳定变形与围岩级别关系

    Figure  7.   Relationship between basically stable deformation and rock grade

    图  8   归一化隧道围岩全过程变形实测曲线

    Figure  8.   Measured curves of normalized deformations surrounding rock of tunnel of during whole excavation process

    图  9   隧道围岩全过程变形曲线拟合结果

    Figure  9.   Fitting results of deformations of surrounding rock of tunnel during whole excavation process

    图  10   隧道围岩变形全过程的阶段性

    Figure  10.   Stages of deformation of surrounding rock of tunnel during whole excavation process

    图  11   隧道围岩变形速率时程曲线的影响分析

    Figure  11.   Influence analysis of time-history curve of deformation rate of surrounding rock of tunnel

    图  12   隧道围岩变形加速度时程曲线的影响分析

    Figure  12.   Influence analysis of time-history curve of deformation acceleration of surrounding rock of tunnel

    表  1   隧道围岩全过程变形曲线现场监测统计样本

    Table  1   Statistical samples of in-situ monitoring of deformation of surrounding rock during whole excavation process

    序号工程名称围岩级别等效半径/m施工进度/(m·d-1)施工方法埋深性质
    1大帽山隧道V8.780.80双侧壁导坑法浅埋
    2长安岭隧道IV6.501.21台阶法浅埋
    3毛羽山隧道IV6.751.30台阶法深埋
    4前鸥隧道V9.010.89双侧壁导坑法浅埋
    5贺街隧道V6.800.20CRD法浅埋
    6苏家川隧道V7.361.20台阶法浅埋
    7阌乡隧道V7.300.80双侧壁导坑法浅埋
    8锦屏二级水电站1#隧洞IV6.5011.30全断面法深埋
    9天荒坪电站模型洞II1.980.40台阶法深埋
    10乐疃隧道IV8.942.60CRD法浅埋
    11下沙溪隧道V5.381.00台阶法浅埋
    12锦屏二级地下厂房III10.132.13台阶法深埋
    13阿拉坦隧道V6.151.50台阶法浅埋
    14北山坑探设施平巷II1.452.00全断面深埋
    15Tono矿区试验导坑III1.201.00全断面法深埋
    16黄岛地下油库6#主洞室II12.51.60台阶法深埋
    17紫坪铺导流隧洞III6.014.00台阶法深埋
    18梧村山隧道VI11.421.20CRD法浅埋
    19翔安海底隧道陆域段VI7.391.50CRD法浅埋
    20天恒山隧道V6.330.20CRD法浅埋
    21花甲山隧道V6.502.83台阶法浅埋
    22向家坝水电站中导洞II3.751.70台阶法深埋
    23白鹤滩水电站III11.052.10台阶法深埋
    24桐油山隧道中导洞II2.913.00全断面浅埋
    25二滩水电站III9.181.54台阶法深埋
    26溪洛渡水电站III8.691.08台阶法深埋
    27官地水电站III9.131.20台阶法深埋
    28深圳地铁一期06标段VI2.931.67台阶法浅埋
    29瀑布沟水电站II9.601.63台阶法深埋
    30大广坝水电站II5.251.74台阶法浅埋
    31水牛家1号隧道V3.501.35台阶法深埋
    32江垭水电站III20.003.00台阶法浅埋
    33构皮滩尾水隧洞V17.201.20台阶法深埋
    34芙蓉路电缆隧道III1.605.30全断面浅埋
    35锦屏一级水电站主变室III6.181.50台阶法深埋
    36北京地铁14号线11标VI3.098.40全断面法浅埋
    37 济宁三号煤矿 III1.602.89全断面深埋
    38阳泉矿区巷道III5.002.40全断面深埋
    39沙曲矿巷道IV4.601.70全断面深埋
    40北京地铁8号线二期V3.1510.00全断面法浅埋
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    表  2   隧道围岩变形分布统计

    Table  2   Distribution of deformation of surrounding rock of tunnel  (mm)

    埋深条件最大变形超前变形基本稳定变形
    浅埋84.5332.6881.96
    深埋62.0019.3159.20
    平均值74.2726.4171.94
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    表  3   不同围岩级别下超前变形量实测数据统计表

    Table  3   Statistics of mean values of deformations at tunnel face for different rock grades

    围岩级别IIIIIIVVVI
    超前变形量均值/mm3.47.6273645
    开挖面位移释放率均值0.390.360.340.310.27
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    表  4   不同围岩级别下基本稳定变形量实测数据统计表

    Table  4   Statistics of mean values of basically stable deformations for different rock grades

    围岩级别IIIIIIVVVI
    基本稳定变形量均值/mm9187189108
    基本稳定位移释放率均值0.9710.9610.9560.9510.942
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    表  5   隧道围岩全过程变形曲线方程参数拟合结果

    Table  5   Fitting results of parameters in equations for deformations of surrounding rock of tunnel during whole excavation process

    深埋条件 浅埋条件
    工程序号ABCR2 工程序号ABCR2
    3-1.4539-1.80590.97720.9967 1-0.4594-1.80730.96510.9984
    8-1.2871-2.02150.97210.9983 2-0.6913-1.44140.93910.9896
    9-1.8632-1.68500.98540.9960 4-0.8916-1.74510.98710.9896
    12-0.7040-2.26410.99140.9919 5-0.6353-1.49540.98240.9825
    14-2.1503-1.87910.98920.9864 6-0.5113-1.87740.95680.9967
    15-0.6059-1.40780.92400.9927 7-1.0168-1.54160.99200.9736
    16-0.6586-1.48920.97640.9832 10-0.8437-1.54640.90230.9908
    17-1.1605-2.02630.90210.9956 11-0.8885-1.50040.94220.9869
    22-1.0088-1.32910.98200.9959 13-0.5404-1.18480.94520.9927
    23-2.5022-1.97140.98950.9745 18-0.9643-2.06720.90960.9801
    25-1.6989-1.58050.97210.9953 19-1.0684-1.89920.96870.9906
    26-1.9203-1.79460.96610.9973 20-0.4555-1.49460.99420.9784
    27-2.3118-1.61790.97620.9919 21-0.5852-1.55300.97910.9987
    29-2.1661-1.98860.96210.9934 24-1.3618-1.51020.91060.9913
    31-0.6169-1.85090.98110.9986 28-1.3399-1.98380.90230.9926
    33-1.6624-1.72160.96000.9993 30-1.2172-2.12270.92030.9902
    35-1.5154-1.72500.99300.9858 32-1.0591-1.67500.97070.9923
    37-2.0478-2.19040.96310.9983 34-1.3622-1.78170.91760.9980
    38-1.8951-1.73060.97510.9903 36-1.1503-1.58970.97550.9773
    39-2.2807-2.22260.97310.9983 40-0.7955-1.10620.90410.9814
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图(12)  /  表(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-29
  • 网络出版日期:  2022-12-02
  • 刊出日期:  2021-06-30

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