盾構施工參數對土體及單樁的影響

王麗，楊文彬，武鈺翔，鄭剛

(1. 大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028；2. 天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

盾構施工參數對土體及單樁的影響

王麗1，楊文彬1，武鈺翔1，鄭剛2

(1. 大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028；2. 天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

采用對隧道洞室周邊及開挖面的土體施加由盾構機引起的各種荷載的方法模擬盾構施工，通過變化注漿壓力及推進力研究盾構施工對周邊土體及單樁基礎的影響. 增加注漿壓力是減小盾構推進對周圍土體影響的最有效的措施. 當注漿壓力足夠大，推進力、盾尾脫離及漿液硬化對土體的影響程度相同. 若使隧道頂點的沉降及隧道底部土體的回彈減小相同的數量，底部注漿孔的壓力要大于頂部注漿孔的壓力. 當推進力大于臨界值時，推進力對隧道周邊土體的影響明顯增加. 隧道周邊及地表處各點的位移變化主要發生在盾構機通過這些點所在位置時，襯砌生成后，隨后的開挖步對其影響很小. 樁側隧道洞室襯砌生成后，隨后開挖步施加的注漿壓力可以明顯減小樁頂沉降，注漿壓力越大，樁頂最終沉降越小. 推進力對樁頂沉降影響不明顯. 盾構施工引起的樁頂和樁底的沉降始終相同，即樁整體下沉. 樁頂無荷載及樁頂施加工作荷載時，開挖引起的樁頂沉降相同；樁頂施加極限荷載時，開挖引起的樁頂沉降明顯增加.

盾構法；施工參數；注漿壓力；推進力；盾尾脫離

0 引言

盾構施工對周邊環境的影響一直是工程界十分關心的問題. 盾構施工對周邊環境的影響涉及的因素相當復雜，主要包括盾構機的刀盤開口率、刀盤旋轉扭矩、刀盤轉速、盾構機推進速度、推進力、土艙壓力等等. 國內外學者對這些因素進行了研究.王洪新[1]系統分析了土壓平衡盾構刀盤扭矩的影響因素,推導了較為嚴密的刀盤扭矩計算公式. 朱合華[2-3]開展了不同埋深、不同刀盤開口率、不同推進速度以及不同螺旋機轉速等情況下的盾構掘削模型試驗，研究成果用于指導軟土地層盾構隧道的設計. 林存剛[4]研究杭州慶春路過江隧道施工中泥水盾構掘進參數對地面沉降的影響. 方勇[5]對土壓平衡式盾構隧道掘進的施工過程進行模擬，考慮了盾構機作用、盾尾空隙及注漿的影響、后方臺車重量等因素. 張厚美[6]應用正交試驗設計技術進行盾構掘進參數組合試驗，

對土倉壓力、推力、刀盤轉速等主要掘進參數對掘進速度、刀盤扭矩的影響進行了研究. 李向紅[7]嘗試對盾構掘進過程中土艙內外土壓力的相關關系、刀盤扭矩和推力的變化及其影響因素進行了試驗研究. KAZUTITO[8]利用有限元方法模擬盾構施工研究隧道開挖對土體的影響.

已有的研究分別側重了盾構推進的不同參數，研究成果還不夠系統. 應當抓住盾構施工中的主要影響因素，得到更簡便易行的方法來指導工程實踐.筆者[9]采用對隧道洞室周邊及開挖面的土體施加由盾構機引起的各種荷載的方法較好的模擬天津市地鐵一號線盾構施工[10]. 在文獻[9]的基礎上，本文通過變化盾構機推進過程的參數(主要是推進力和注漿壓力)研究盾構施工對周邊土體及單樁基礎的影響.

1 有限元模型

土層的分類、厚度及土體參數見文獻[9]中的圖2，土體采用修正劍橋模型(modified critical state(clay)plasticity model)，各土層的參數λ、k、M值見文獻[9]中的表1.土體的三維有限元模型見文獻[9]中的圖3.土體頂部不受任何約束，4個側面限制與該面垂直方向的位移，底部限制豎向及兩個水平方向的位移.

襯砌外徑為6.2m，厚0.35m，襯砌的彈性模量為2.85×104MPa，泊松比為0.2. 預制樁樁長12m，直徑0.5m，彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.2.

隧道洞室內表面的土體、注漿層和襯砌之間采用“tie”的連接方式. 樁、土之間采用庫侖摩擦(Coulombfriction)模型，接觸面間的摩擦系數為0.2. 土體體積損失率為6.15%.

2 盾構開挖模擬

本文模擬10個開挖步，步長4m，共開挖40m. 每個開挖步分為四個階段：盾構機與土體之間的相互作用、土體開挖、盾尾脫離和注漿硬化.

2.1 盾構機與土體之間的相互作用

盾構機推進過程中，盾構機施加在土體上的作用力主要有以下三個方面[8]：盾構機的推進力，以均布壓應力p施加在擬開挖土體表面，見圖1(a)；盾構機刀盤轉動時對擬開挖土體表面的切削力，以逆時針均布剪應力τ施加在擬開挖土體表面，見圖1(b)；盾構機推進過程中盾構機身與洞室內表面土體之間的摩擦力，以均布剪應力f施加在洞室內表面土體上，見圖1(c).

圖1 盾構機施加在土體上的作用力

2.2 土體開挖

利用ABAQUS的單元生死技術模擬土體開挖，將一個步長的土體挖掉，相應的推進力p、剪應力τ消失. 取消洞室內表面土體上的摩擦力f，同時施加均布注漿壓力p′，見圖1(d).

利用單元生死技術使對應一個開挖步長的襯砌(外徑6.2m，厚度0.35m)和注漿層(外徑6.39m，厚度0.095m)生成.

2.3 盾尾脫離

取消在隧道洞室內表面土體上施加的注漿壓力p′. 由于此時漿液尚未硬化，注漿層的彈性模量很小，取1.27kPa，用來模擬盾尾脫離階段襯砌與土體之間的間隙.

2.4 注漿硬化

注漿材料逐漸凝固，強度不斷增加. 最終注漿材料的彈性模量為1.27MPa，泊松比為0.28.

3 隧道開挖對土體的影響

3.1 變化注漿壓力

采用表1中第1組參數的有限元分析結果[9]與天津市地鐵一號線盾構施工監測結果[10]接近.

表1 盾構機施加在土體上的作用力

采用表1中第1組的參數得到第5步開挖過程中隧道周邊土體各點(a、b、c、d)的沉降量、回彈量及側移，見表2. 其中a、b、c、d位于第5步開挖土體對應的隧道周邊的土體上，見圖2.

表2 土體沉降、回彈及側移(p′=70 kPa)

(a) 隧道橫斷面圖

(b) 隧道縱斷面圖

表2中“kw5-1～kw5-4”依次表示第5步開挖的四個階段，即盾構機與土體之間的相互作用、土體開挖、盾尾脫離和注漿硬化. “a-u3”表示a點沿坐標軸3方向的位移，即a點的沉降，單位為mm. 其它符號含義可類推. 數值為各階段引起的土體的沉降、回彈及側移量，正值表示與坐標軸方向一致，負值表示與坐標軸方向相反.

由表2可以看出，第二階段(土體開挖)引起的隧道頂部的沉降(a-u3)、隧道底部的回彈(c-u3)及隧道左、右兩側的側移(b-u1和d-u1)均明顯大于其它三個階段. 表2中最后一列為第二階段的位移變化量占四個階段總變化量的百分比. 這說明盾構推進過程中，第二階段(土體開挖)對周圍土體產生的影響最大. 因此，調整注漿壓力p′是減小盾構推進對周圍土體影響的最有效的措施.

取表1中第2組的參數分析得到第5步開挖過程隧道周邊土體各點的沉降量、回彈量及側移見表3. 表3中百分數為此階段的位移變化量占四個階段總變化量的百分比.

由表3可以看出，當注漿壓力p′由70kPa增加至150kPa，第二階段(土體開挖)引起的隧道頂部的沉降(a-u3)、隧道左、右兩側的側移(b-u1和d-u1)均明顯減小. 但是，隧道底部的回彈(c-u3)減小不明顯，第二階段(土體開挖)土體回彈量占總變化量的50%. 為此，保持隧道上半部分的注漿壓力p′=150kPa不變，將隧道下半部分的注漿壓力p′增加至200kPa(表1中第3組)，得到的各點的沉降量、回彈量及側移見表4.

表3 土體沉降、回彈及側移(p′=150 kPa)

表4 土體沉降、回彈及側移(p′=150+200 kPa)

當隧道下半部分的注漿壓力p′增加至200kPa后，第二階段(土體開挖)土體回彈量由11.23mm減小至4.86mm，占總回彈量的百分比由50%減小為23%. 因此，適當增加隧道底部注漿壓力可以更好的控制隧道底部土體的回彈量.

表3、4說明當注漿壓力足夠大，由第二階段(土體開挖)引起的隧道周邊土體的位移變化量很小，其余三個階段的位移變化量比較接近，其中第一階段(盾構機與土體之間的相互作用)引起的位移變化量略大于第三、四階段的.

3.2 變化推進力

變化推進力p，取表1中4、5、6組參數進行模擬，研究推進力對土體位移的影響. 圖3為10步開挖過程中隧道周邊(a～d點)及地表處(e、f點)土體沉降或回彈曲線.

當推進力p為150kPa和300kPa時，在10步開挖過程中，隧道周邊(a～d點)及地表處(e、f點)土體位移均相同.

(a)a、c點

(b)b、d點

(c)e、f點

當推進力p增加為500kPa時，第5個開挖步結束后，隧道周邊(a～d點)的土體位移開始明顯減小：a點最終沉降量和c點最終回彈量分別減小了24.3、17.2mm；較大的推進力使得最終b、c點分別向左、右兩側擴張；地表處(e、f點)土體最終沉降和側移分別減小2.78、2.35mm.

第一階段推進力施加在即將被開挖的土體上，較大的推進力使隧道周邊土體產生向四周的擴張變形，隨后的第二階段(土體開挖)是在擴張變形的基礎上進行的，所以當推進力為500kPa時，隧道周邊土體的最終位移明顯減小. 由于地表處土體與隧道之間有一定的距離，土體位移受到的影響較小.

當推進力p為150、300、500kPa時，第5步的第二階段(土體開挖)引起的a點沉降量分別為21.07、25.87、29.13mm；c點回彈量分別為19.8、21.15、23.62mm；b點側移分別為14.07、17.44、23.12mm；d點側移分別為14.3、17.57、23.04mm. 不同推進力時，第二階段(土體開挖)引起的u3的變化量基本相同，u1變化量隨著推進力增加明顯增加.

由圖3可知，盾構推進過程中，隧道周邊土體(a～d)各點的位移變化主要發生在第5步(即盾構機通過這些點所在位置時)，1～3步及6～10步開挖對其影響很小；地表處土體(e、f)各點的位移變化主要發生在1～6步，7～10步開挖對其影響可以忽略.

圖4 土體位移曲線

圖4為10步開挖結束后隧道周邊(a～d點)及地表處(e、f點)各點位移隨推進力的變化規律. 隨著推進力增加，隧道最終的頂點沉降(a-u3)和底部的回彈(c-u3)減小，隧道左側位移(b-u1)由向隧道中心內縮變為向外擴張. 推進力增加時，地表處各點的沉降(e-u3)及側移(f-u1)無明顯變化.

4 隧道開挖對單樁的影響

首先在樁頂逐級施加豎向工作荷載，然后再進行10步盾構開挖. 樁長12m的預制樁的工作荷載為215kN[9].

4.1 變化注漿壓力、推進力

圖5為變化注漿壓力時，開挖過程中的樁頂沉降曲線. 樁位于第5步開挖土體一側，樁距離隧道中心為8m，見圖2.

圖5 樁頂沉降曲線

增加注漿壓力可以明顯減小樁頂沉降. 對于注漿壓力為150kPa及注漿壓力150+200kPa兩種情況：前4步開挖樁頂沉降增加，在隨后的開挖過程中樁頂沉降逐漸減小. 這是由于第5步完成后，樁側隧道洞室內襯砌生成，隨后開挖步的土體開挖引起的沉降對樁頂沉降影響很小，而隨后開挖步施加的注漿壓力可以減小樁頂沉降，注漿壓力越大，樁頂最終沉降越小.

隨著推進力增加樁頂沉降略有增加：推進力為150kPa和300kPa時，樁頂最終沉降為-11.25mm；當推進力為500kPa時，樁頂最終沉降為-9.37mm. 推進力對樁頂沉降影響不明顯.

在變化注漿壓力、推進力的各組模擬中，盾構施工引起的樁頂和樁底的沉降始終相同，隧道開挖使樁整體下沉.

4.2 變化樁頂豎向荷載

圖6為樁頂作用不同豎向荷載時樁頂沉降曲線. 圖中樁頂沉降完全是由盾構開挖引起的，施加豎向荷載引起的樁頂沉降已被扣除.

圖6 樁頂沉降曲線

當樁頂施加不同豎向荷載時(樁頂荷載為0kN和工作荷載215kN)，盾構開挖引起的樁頂沉降十分接近，分別為-10.25、-11.25mm. 當樁頂施加極限荷載430kN時，盾構開挖引起的樁頂沉降明顯增加，為-16.90mm.

圖7為完成第5步開挖時樁兩側的土壓力分布圖. 樁側土壓力與樁身變形密切相關，由于不同豎向荷載作用下盾構開挖引起的樁身側移相同[9]，因此樁側土壓力也完全相同.

圖7 樁側土壓力分布圖

圖8為完成第5步開挖后樁兩側的側摩阻力分布圖. 開挖引起土體應力釋放，影響樁側摩阻力的發揮. 極限荷載作用下，為了與樁頂較大的豎向荷載相平衡，樁兩側要發揮出更大的側摩阻力. 當樁兩側土壓力相同時，對于摩擦樁，樁身要產生較大的沉降才能發揮出更大的樁側摩阻力. 因此，如圖6所示，極限荷載下開挖引起的樁頂沉降明顯增加.

圖8 樁側摩阻力分布圖

5 結論

本文通過變化推進力和注漿壓力研究盾構施工對周邊土體及單樁基礎的影響.

(1)增加注漿壓力是減小盾構推進對周圍土體影響的最有效的措施. 當注漿壓力足夠大，其余的施工參數如推進力、盾尾脫離及漿液硬化對土體的影響程度相同. 若使隧道頂點的沉降及隧道底部土體的回彈減小相同的數量，底部注漿孔的壓力通常要大于頂部注漿孔的壓力;

(2)推進力存在一個臨界值，當大于此臨界值時，推進力對隧道周邊土體的影響明顯增加. 對于本文的隧道埋置深度及土體情況，變化推進力對地表的影響可以忽略. 隧道周邊及地表處各點的位移變化主要發生在盾構機通過這些點所在位置時，由于襯砌生成，隨后的開挖步對其影響很小;

(3)樁側隧道洞室襯砌生成后，隨后開挖步施加的注漿壓力可以明顯減小樁頂沉降，注漿壓力越大，樁頂最終沉降越小. 推進力對樁頂沉降影響不明顯. 對于本文的模型，在變化注漿壓力、推進力的各組模擬中盾構施工引起的樁頂和樁底的沉降始終相同，即樁整體下沉;

(4)樁頂無荷載及樁頂施加工作荷載時，開挖引起的樁頂沉降相同；樁頂施加極限荷載時，開挖引起的樁頂沉降明顯增加.

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[5]方勇,何川. 考慮施工過程的土壓平衡式盾構隧道掘進數值分析[J]. 鐵道工程學報,2009,11: 56-60.

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Effects of Shield Driven Parameters on Surrounding Soils and Single Pile with Finite Element Method

WANG Li1,YANG Wenbin1,WU Yuxiang1,ZHENG Gang2

(1. School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.MOE Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety，Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Pressures and shearing forces are enforced on the soils to simulate the real reactions between shield driven machine and surrounding soil during tunneling. The effects of shield driven on surrounding soils and single pile are studied with the variations of the thrust force and grouting pressure. The most effective way of reducing the effect of shield driven is increasing the grouting pressure. When the grouting pressure is large enough,the effects from thrust force,tail departing and hardening of slurry are simllar. In order to make the same reduction in settlement on the top of tunnel and the rebound at the bottom of tunnel,the grouting pressures of the grouting whole at the bottom need to be greater than those on the top. When the thrust force is larger than the threshold value,the effects of shield driven on the surrounding soils increase apparently. The main variations in displacements in the soils happen when driven machine just passes by,and the effect from the subsequent excavation steps are neglectable on account of the installation of lining. For single pile,the settlements at pile head decrease apparently due to the grouting pressure from the subsequent excavation steps,and the greater the grouting pressure is,the smaller the settlement at pile head. The effect of thrust force on the piles can be neglected. The settlements at pile head and tip are always the same during driven process. The settlements at pile head are identical when the loads applied are smaller than the working load. The settlements at pile head increase obviously when the extreme load is enforced.

shield driven;working parameters;pressure of grouting;thrust force;tail departing

1673- 9590(2015)01- 0058- 06

2013-12-22

國家自然科學基金資助項目(51208071)

王麗(1974-)，女，一級注冊結構工程師，博士，主要從事巖土工程教學與研究 E- mail:jiaoda_tina@163.com.

A