砂卵石地層盾構推進對地表沉降影響數值分析

趙旭偉 談 晶 于清浩

(1.中鐵上海設計院集團有限公司，200070，上海;2.長春市市政工程設計研究院，130033，長春;3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，102600，北京∥第一作者，工程師)

砂卵石地層是一種典型的力學不穩定層，其力學特性和物理特性與軟土、黃土及復合地層差別很大，地層中的卵石顆粒在無水狀態下點對點傳力，受擾動后地層反應靈敏。該地層巖體松散、無膠結、自穩能力差、單個石塊強度高;顆粒之間空隙大、粘聚力小、滲透系數大［1］。

土壓平衡盾構(EPB)在長距離、大面積砂卵石地層中掘進會遇到地表沉降大、掘進效率低，渣土流動性差、刀盤刀具磨損嚴重，開挖面穩定較難控制等諸多問題［2－3］。

我國地質情況具有很強的區域性，已建地鐵城市盾構穿越的地層主要有軟土地層、復合地層、黃土地層、軟流塑地層等。目前，對軟土盾構隧道引起地層移動和變形規律的研究較為深入，對復合地層和黃土地層施工擾動也進行了大量的研究，而對砂卵石地層條件下盾構施工地層變形規律和控制方法的研究較少。該地層的特殊性及區域性也導致目前還沒有砂卵石地層成熟的土體變形理論和沉降規律可以參考。

本文以成都地鐵1號線2標人民北路——天府廣場3個區間站為背景，利用有限元軟件ANSYS建立三維數值模型，研究土壓平衡盾構在不同的掘進壓力、注漿等代層厚度、隧道覆土厚度、隧道凈距等條件下的地表沉降規律，從整體上把握盾構施工主要參數影響因素，提出了各參數控制性建議。希望為以后類似地層盾構隧道的設計、施工提供指導意見，創造更好的社會效益和經濟效益。

1 計算過程

1.1 模型情況及邊界條件

模型選取成都地鐵1號線2標盾構區間某60 m段為研究對象，各土層厚度按照實際情況選取，土層參數按照地堪報告讀取。如圖1所示。

圖1 計算模型及邊界條件示意圖

模型X、Y、Z方向計算范圍為，隧道直徑D=6.0 m，管片厚度0.3 m。左右線隧道間距13 m。模型上表面取至地表(埋深取16 m)，下面取至隧道底部以下17.5 m(約3D);橫向取至隧道外側30 m(5D);沿線路縱向取60 m。其中Z軸正向為盾構掘進方向，隧道間距線中點為坐標原點。按照施工經驗，此范圍能夠滿足研究需要。

模型采用位移邊界條件，底部施加完全固定約束，兩側施加豎直滑動約束，表面取為自由邊界。網格劃分采用六面體單元，土體采用D－P本構模型，管片采用8個節點的solid 45實體單元。管片寬度1.5 m。由于1號線2標盾構實際施工過程中左右線推進間隔約1個月，為盡可能真實模擬實際工況，隧道采取先開挖左線后開挖右線的方式。即左線60 m貫通后，再開挖右線。考慮計算速度，每3 m開挖一步，經過20個循環，開挖完成一條線路。隧道開挖采用單元生死法。網格劃分模型如圖2及圖3。

圖2 有限元整體網格劃分模型圖

圖3 管片整體網格劃分模型圖

1.2 初始應力場及土體力學參數

有限元法計算隧道開挖需要確定初始應力場。初始應力場是指開始施工前的地應力場。它是有限元計算的迭代基礎，其設置的正確與否直接影響計算結果。一般初始應力場包括土體自重應力和地面建筑物引起的附加應力兩部分。計算初始地應力場有兩種常用方法:一是根據變形實測值反分析而得出;二是通過現場已經測得的某些點的地應力值，回歸分析得出。有限元數值模擬一般可采用兩種方法來施加初始地應力:一是在邊界上施加相應面力荷載，內部施加自重荷載，通過求解而得到的地應力場作為初始地應力場;二是初始應力按自重應力直接輸入高斯點，形成一個初始地應力場。本文不考慮附加應力情況，認為初始應力場即為原始土體的自重應力產生的，同時假設土體固結完成，初始位移設置為零。右線隧道開挖至30 m斷面模型如圖4。土體有限元計算的相關參數見表1。其中，管片結構采用C50混凝土，彈性模量 E=3.45 GPa，泊松比 μ =0.17。

圖4 右線隧道開挖至30 m斷面模型圖

表1 土體力學參數

2 結果分析

2.1 土倉壓力對地表沉降的影響

本文采取施加面力荷載的辦法模擬盾構掘進的土倉壓力。掘進壓力 P分別取 0.15 MPa、0.25 MPa、0.35 MPa、0.45 MPa，研究不同土倉壓力下盾構掘進土體變形規律，如圖5。

圖5 土倉壓力對地表沉降影響規律

由圖5可以看出，增大掘進壓力有利于減少地表沉降;該地層條件(H=15.5 m、D=6.0 m、P=0.15 MPa)下，盾構開挖引起的地表沉降在19 mm左右。當P逐漸增加至0.35 MPa時，地表沉降減少到17 mm左右，可見在一定壓力范圍內，增加面力荷載對地表沉降影響較小;當面力荷載增加至0.45 MPa時，地表沉降明顯減少至13 mm左右，說明地表沉降隨土倉壓力增加跳躍式減少。綜合考慮砂卵石地層條件下盾構施工機器負荷及刀盤刀具磨損，增加面力荷載雖然可以有效控制地表沉降，但磨損造成的頻繁停機，嚴重影響掘進速度及施工安全。根據實際施工經驗并結合數值分析結果，建議該地層條件下土倉壓力設定在0.25～0.35 MPa之間。

2.2 盾尾注漿對地表沉降的影響

本文采用盾構推進模擬注漿常用處理方法。即引入等代層概念，通過改變不同等代層的厚度研究盾構掘進沉降規律。等代層厚度 G分別取0、15 cm、25 cm、35 cm。

同步注漿材料為水泥、砂、粉煤灰，故參考水泥土的泊松比取為0.2，彈性模量結合施工中的洞周釋放荷載綜合考慮。管片和等代層采用8節點實體單元(solid45號)。管片和等代層之間及等代層與土體之間的接觸采用面－面接觸單元，目標面采用contact170，接觸面采用contactl74號單元。管片和等代層之間的接觸，管片單元為目標面，等代層單元為接觸面;等代層與土體之間的接觸，等代層單元為目標面，土體單元為接觸面。計算結果如圖6。

圖6 不同等代層厚度對地表沉降影響規律

由圖6可以看出，不設等代層(G=0)地表沉降較大，在40 cm左右，考慮實際施工過程盾尾間隙及刀盤超挖，沉降值將遠超過成都地鐵安全控制標準(+10～－30 mm);當G=15 cm時，地表沉降迅速減少到22 mm左右;G=25 cm時，地表沉降在17 mm左右;G=35 cm時，地表沉降減少到7 mm左右。可見，同步注漿能有效控制地表沉降，沉降值隨注漿層厚度增大而減少。實際施工過程中同步注漿壓力會對周圍土體產生一定的劈裂擴散效應，加之砂卵石地層土體粘聚力較差，等代層厚度過大，將增加土體擾動范圍。結合路段施工經驗和數值模擬結果，建議砂卵石地層同步注漿層厚度在20 cm左右。

2.3 覆土厚度對地表沉降的影響

城市地鐵的一個重要技術問題便是確定合理埋深。盾構隧道埋深受多種因素影響，如使用條件、運營功能、工程地質、地表建筑等。一般地鐵設計往往采用高站位低區間的設計模式，加之城市地鐵往往穿越建筑物、河流等多種工況，因此探尋不同埋深隧道沉降規律較為重要。本文采用數值方法研究不同埋深對地表沉降的影響規律，數值模擬結果如圖7、8所示。

圖7 覆土厚度(H=9 m、12 m、15 m、20 m)地表沉降規律

圖8 覆土厚度(H=6 m、8 m)地表沉降影響規律

由圖7、8可以看出，當埋深H=9 m時，盾構開挖引起的地表沉降為25 mm左右;H=12 m時，盾構開挖引起的地表沉降小于20 mm;H=15 m時，盾構開挖引起的地表沉降在17 mm左右;H=20 m時，盾構開挖引起的地表沉降在15 mm左右;H=6 m時，盾構開挖引起的地表沉降較大，約為40 mm。故增大隧道埋深有利于減少盾構施工引起的地表沉降。總結其規律發現，當H＞15 m時，增加埋深對地表沉降影響不大，當H＜1.5D時，盾構施工對地表影響較大，沉降槽由1個過渡到2個，沉降最大值在隧頂附近;地表沉降影響范圍隨埋深增加逐漸增大，這是由于H增大沿開挖面45°擴散范圍更廣，數值模擬趨勢滿足基本沉降規律。結合數值模擬結果，建議砂卵石地層隧道埋深合理值2～2.5D(H=12 ～15 m)之間，最小不小于1.5D。若隧道埋深在1.5～2D之間需采用嚴格的推進控制措施，并實時監測地表沉降。

2.4 隧道間凈距對地表沉降的影響

地鐵區間隧道一般采用盾構法施工，由于城市上部環境復雜，下部管線繁多，為了使地鐵線路靈活躲避重要管線及建筑物基礎，大多數隧道線路均采用雙線雙洞設計。雙向隧道的凈距、坡度，曲線半徑成為盾構隧道另一個關鍵性控制因素。本文通過數值模擬方法，研究盾構施工在不同間距L的情況下，地表沉降規律及影響范圍。分別取L=6 m、7 m、8 m、10 m進行數值計算，模擬結果如圖9所示。

圖9 不同凈距地表沉降規律

由圖9可知，L≤D時，左右線盾構施工對地表沉降影響較大，最大沉降接近30 mm，地表出現2個沉降槽，當6 m ＜L＜7 m時，地表沉降槽由2個過渡到1個，沉降量逐漸減少;當L＞7 m時，增加隧道間距，盾構施工引起的最大沉降值幾乎沒有變化，但地表沉降槽由1個過渡到2個，雖然增加隧道間距加大了地表沉降槽影響范圍，但沉降槽最大值主要影響范圍變化不大，相反有助于減少隧道中心處地表沉降值。

結合數值分析結果，建議砂卵石盾構隧道間距L＞D。當D=6 m時，7 m≤L≤10 m較好。

3 結論

本文研究了盾構在不同埋深、等代層厚度、掘進壓力等工況下的沉降規律，以便為設計、施工提出相關參數控制性建議。關于ANSYS軟件在砂卵石地層的數值模擬和施工實測數據的比對檢驗，西南交通大學、同濟大學及北京交通大學都曾做過類似研究，在把握整體性沉降規律方面ANSYS數值模擬可以滿足精度要求，本文不做重復檢驗。

本文的主要結論如下:

(1)根據實際施工經驗并結合數值分析結果，建議砂卵石地層條件下土倉壓力設定在0.25～0.35 MPa之間。

(2)結合路段施工經驗和數值模擬結果，建議砂卵石地層同步注漿層厚度在20 cm左右。

(3)建議砂卵石地層隧道埋深合理值為2～2.5D(H=12 ～15 m)之間，最小不小于1.5D。埋深在1.5～2D之間需采用嚴格的推進控制措施，并實時監測地表沉降。

(4)根據數值分析結果，建議砂卵石盾構隧道間距L＞D。當為標準斷面D=6 m時，7 m≤L≤10 m較好。

［1］趙旭偉.砂卵石地層土壓平衡盾構掘進引起的土體變形及控制方法［D］.長春:吉林建筑工程學院，2010.

［2］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］陳正勛，何泰源，陳福勝.卵礫石層潛盾隧道設計考慮研析［J］.隧道建設，2007(S2):273.

［4］張海波.地鐵隧道盾構法施工對周圍環境影響的數值模擬［D］.南京:河海大學土木學院，2005.

［5］王占生，王夢恕.盾構施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施［J］.中國安全科學學報，2002，12(2):45.

［6］李永利，趙旭偉.地鐵盾構隧道下穿重力式墩橋施工措施及影響分析［J］.城市軌道交通研究，2010，13(8):83.