盾構隧道施工對富水軟弱地層的擾動分析

王洪德，戴陸

(1.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 環境與化學工程學院，遼寧大連116028)*

0 引言

作為地下空間開發中的核心技術之一，盾構隧道施工技術己在能源、交通等領域的隧道建設中得到廣泛運用［1］.在復雜地層或富水軟弱地層開挖過程中，盾構施工具有安全、可靠、勞動強度低，以及環境影響小等顯著優點.隨著地下工程項目增多，盾構開挖隧道時所遇到的巖土環境問題也越來越多樣化.其中，盾構開挖引起土體擾動一直是國內外學者研究的重熱點問題，主要表現為盾構對土體的擠壓和松動、加載與卸載、孔隙水壓上升與下降所引起土巖性能的變異、地表隆起與下沉等［2］.而土體的擾動往往引發一系列環境病害，如造成周圍房屋構筑物開裂、倒坍，鄰近管線斷裂、破損等［3］.歐洲部分國家在20世紀初開始重視對軟弱地層中開挖隧道產生地面沉陷和地層變形問題的探討［4］.國內外學者對這一問題的研究方法可歸納為經驗公式、室內模型試驗、數值模擬和理論分析等［5－9］.隨著計算機技術的發展，數值模擬的優勢突顯，成為研究盾構施工地層位移一種非常重要的方法［10-11］.本文以大連地鐵某盾構施工作業為研究對象，在充分考慮隧道開挖過程中地下水影響的前提下，采用修正劍橋模型對盾構隧道開挖過程進行仿真，并與實測數據進行對比分析，以期為盾構隧道施工提供指導性建議.

1 工程概況

該標段采用盾構施工，區間隧道全長1.6 km，隧道結構的最大土厚34.4 m.盾構襯砌管片內徑為5 400 mm，外徑為6 000 mm，管片寬為1200 mm，每環由6片管片拼裝而成.根據設計地勘資料，區間地貌為馬欄河階地，地層自上而下依次為素填土、卵石、強風化碎裂巖、中風化碎裂巖、強風化鈣質板巖、中風化鈣質板巖.且地下水量豐富，具承壓性，屬水量極豐富區，易造成局部流砂、涌水等現象.本次勘察期間地下水位埋深2～5 m.沿線地下水類型主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水、巖溶水兩種，水位高程6.36～7.78 m.經取樣分析，地下水對混凝土結構無腐蝕性;對鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱腐蝕性;對鋼結構具中等腐蝕性.研究區域工程地質如圖1所示，各土層物理力學參數如表1所示.

表1 各土層物理力學參數表

圖1 施工區間的地質柱狀圖

2 模型選取

2.1 土體本構模型

英國學者Rosco提出的應用于正常固結粘土或超固結粘土的修正劍橋模型是一個計算土體應力—應變性能的彈塑性本構模型，能夠反映土體的彈性非線性、硬化/軟化以及屈服特性等土體特有性質，適用于描述含水率較高的軟弱地層.

針對修正劍橋模型需要輸入的參數主要有M、λ、k、PCo等參數，其修正劍橋模型在e-p-q空間坐標如圖2所示.

圖2 修正劍橋模型示意圖

圖2中，ACEF是狀態邊界的一部分，AC是三向等壓力固結線，EF線是q為最大值各點連線，即臨界狀態線.對于正常壓密粘土σ1/σ3=(1+sinΦ')/(1－sinΦ')可得到摩擦常量M，式中Φ'為有效內摩擦角

正常固結曲線及等壓膨脹曲線(λ，k)根據式(2)、(3)確定

式中，CC是正常壓縮曲線在e-logp平面上斜率，CB是在卸荷狀態下回彈曲線在e-logp平面上斜率，如圖2所示.通常可在(1/5～1/3)λ范圍內選取k值.

前期固結應力Pc0為

式中，OCR為超固結比，p0，q0分別為現有土體應力狀態.

屈服方程為

關于剪切模量G與最大體積彈性模量Kmax，修正劍橋模型中定義土體單元的實際計算時的體積模量與其平均有效應力、孔隙比容相關.彈性模量K隨著土體的應力應變狀態而自動改變，K表示為

2.2 管片支護模型

采用巖土工程的shell隧道管片結構單元模擬隧道管片.每個殼型結構單元是由其幾何形狀與材料參數來定義的，一個殼構件被假定為由3節點組成的均勻厚度的三角形，由這些三角形殼型構件組成的面可以形成一個任意形狀的殼.每個殼構件可視為各向同性或異性的線性彈性材料，并且無破壞極限.

3 數值模擬

3.1 模型設計及參數

模型取高24 m、寬20 m、長20 m，模型網格劃分如圖3所示.

圖3 模型網格劃分

圖4 盾構開挖循環流程

隧道開挖過程(圖4):首先，去除需開挖管片環的地層單元，添加管片單元模擬環管片支護，在開挖面上施加支護應力，關閉流體滲流分析部分，計算模型在單力學場中土體不排水變形量，迭代計算使模型在不排水狀態下達到平衡;然后，開啟流體滲流場，采用流固耦合計算土體在該環開挖時間內的固結變形量，耦合分析該開挖步完成后，進入下一環的開挖過程.如此往復循環，直至開挖完成.

3.2 監測點設置

采用FLAC3D的History命令對監測點位進行仿真分析.第一組5個測點，設置在模型上表面距離Y軸2 m處的X軸沿線，相距4 m，監測豎向位移即沉降變形，沿X軸正向依次點號為:No.001、No.002、No.003、No.004、No.005;第二組 1個監測點，設置在橫斷面管片內中心線B處y=5m如圖3所示，對孔壓進行檢測.

4 計算結果驗證及分析

提取模型數據，得到監測點1～5的變形曲線，如圖5所示，并選擇具有代表性的監測點No.001和No.004與工程實測數據進行對比驗證如圖6所示，證得該模型對于本工程有著實際指導意義.

圖5 監測點沉降變量隨開挖過程的變化曲線

圖6 地表沉降監測點實測與模擬對比

基于FLAC3D仿真給出圖7為開挖至第五環時地層變形云圖及位移矢量圖，當設置的開挖面支護壓力小于地層原始靜止土壓力時，地層會發生較為顯著的向隧道內部的位移，經過計算開挖面土體最大位移量為9.375 cm.

圖7 地層變形云圖及位移矢量分布

圖8 地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布

如圖8所示為開挖面第五環時地層中孔壓云圖及孔隙水滲流矢量圖，可以發現由于開挖面附近土體的膨脹，引起開挖面附近形成負的超孔隙水壓力，進而開挖面附近孔隙水的流動方向是由上部向下部流動.

開挖完成時的地層孔壓云圖及滲流矢量分布如圖9所示，可以發現，擾動引起的地層中的孔隙水壓力與原始地層靜水位狀態下的孔壓分布明顯不同，超孔壓的產生引起了孔隙水在地層內部的滲透流動.從圖9中流體矢量可發現孔隙水在開挖完成后仍持續發生向隧道方向的滲透.對照孔壓云圖(圖9)及對B點的監測數據變化曲線(圖10)，孔壓隨著開挖過程經歷了先降低再升高的過程;當開挖面接近B點時，B點孔壓降至最低點;隨著開挖推移，B點孔壓漸漸回升，說明開挖面越接近的土巖層，其擾動越大.從開挖完成時的地層的沉降云圖(圖11)可看出，土巖層的變形趨勢隨著開挖隧道的接近而增大.

圖9 開挖完成時地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布

圖10 B點孔壓隨開挖過程的變化曲線

圖11 開挖完成時地層變形云圖

5 結論

以大連地鐵201標段某區間盾構隧道施工為背景，基于數值仿真技術，分析盾構開挖對富水軟弱地層的擾動影響，并針對土體沉降、孔壓及滲流矢量進行具體分析，得到如下結論:

(1)土體開挖破壞其原始應力狀態，使土體單元產生應力增量，引發周圍地層產生不排水變形，且引起土體位移;同時，飽和土體隨應力狀態變化產生伴隨的超孔隙水壓力，使得粘土地層隧道周圍土體開挖后的一段時間內產生持續位移，孔隙水仍持續發生向隧道方向滲透;

(2)地層的變形在距離隧道較近的區域沉降較大，而隨著離開隧道距離的加大，沉降也逐漸縮小;

(3)修正劍橋模型能較精確地模擬土體性狀，適用于含水率較高的軟弱地層.

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