寧波地鐵1號線高流變軟土地層盾構掘進參數分析

汪輝武，郭建寧，李國棟，方　　勇（.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　　6003；.中鐵一局集團有限公司，陜西 西 安　　70054）

寧波地鐵1號線高流變軟土地層盾構掘進參數分析

汪輝武1，郭建寧1，李國棟2，方勇1
（1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都610031；2.中鐵一局集團有限公司，陜西 西 安710054）

對寧波地鐵1號線海晏北路站—福慶北路站區間盾構施工進行三維有限元建模分析，研究盾構機在高流變海相飽和軟土地層中掘進時盾尾管片注漿時間、管片注漿壓力、上下頂進力差、頂進力、隧道埋深等因素對管片上浮與地表沉降的影響。結果表明:上下頂進力差與管片注漿壓力對隧道管片上浮影響最大，盾尾管片注漿時間次之，埋深與頂進力影響最小；上下頂進力差、埋深、盾尾管片注漿時間與管片上浮量呈負相關關系，而頂進力、管片注漿壓力與管片上浮量呈正相關關系；盾尾管片注漿時間、管片注漿壓力、埋深對地表沉降產生較明顯的影響，其次是上下頂進力差，而頂進力的影響較小；上下頂進力差、管片注漿壓力、埋深與地表沉降量呈正相關關系，僅盾尾管片注漿時間與地表沉降量呈負相關關系。

地鐵盾構；軟土地層；數值模擬；管片上浮；地表沉降

盾構施工過程中，既要按照規定線路掘進以確保隧道精確貫通，同時也要控制地表沉降在合理范圍內。然而工程實踐表明，在盾構掘進過程中會出現姿態偏差過大使盾構掘進方向難控制等問題，特別是掘進過程中遇到具有高流變的飽和軟土地層時，由于此種地層具有高含水量、高壓縮性、低強度、易觸變、高靈敏性等特點，很容易造成地層不能自穩，地表沉降量過大而影響地表建筑物安全，并且導致管片整體上浮、開裂、錯臺，乃至軸線偏位等問題。

近年來，國內外學者對于在不同地層中盾構掘進姿態問題做了大量的研究，并得出了諸多結論。李志帥［1］針對蘇州富水軟弱地層的特殊性，結合工程實例，通過理論研究、仿真計算以及現場試驗，對軟土地層盾構掘進姿態控制技術進行了深入研究。職洪濤等［2］應用有限元數值方法，模擬分析盾構管片結構設置和襯砌背后注漿造成管片結構和周圍地層的位移變化特征，探討盾構隧道上浮的變化規律。殷明倫等［3］分析了某軟土地區盾構隧道工程中管片上浮事故的原因，提出了相應的控制措施。李小青等［4］采用有限元數值分析軟件模擬武漢長江隧道施工過程，進行了不同影響因素的敏感性分析，并提出了盾構隧道施工引起的地表沉降計算模型。龔旭等［5］以廣州地鐵三號線某隧道工程為例，采用FLAC3D對盾構施工引起的地表沉降進行了數值模擬，重點討論了隧道橫、縱向沉降分布規律。王選祥［6］基于Maag球面擴散公式，對盾構隧道壁后注漿的滲透范圍及對管片上浮的浮力公式進行了理論推導，并從基本盾構參數出發分析并提出了控制管片上浮的針對性措施。周海群［7］以杭州地鐵1號線九九區間隧道盾構施工為工程背景，結合現場實測數據，分析了盾構施工引發地面沉降的影響因素。

本文以寧波盾構地鐵1號線海晏北路站—福慶北路站區間軟土地層掘進施工項目為依托，采用三維有限元模擬方法，研究在高流變海相飽和軟土地層中掘進時盾尾管片注漿時間、注漿壓力、上下頂進力差、頂進力、隧道埋深等因素對管片上浮與地表沉降的影響，并與該線實際施工中盾構掘進參數進行對比分析，找出不同影響因素對于盾構管片上浮的影響規律，并給出相應的建議。

1　工程概況

海晏北路站—福慶北路站隧道區間主線位于寧穿路下，起止里程為 K17+356.02—K18+103.47，長747.45 m。區間隧道斷面為單線圓形隧道，隧道縱坡最大坡度為24‰，隧道頂部埋深約為9.3～16.3 m。本區間采用小松 TM634PMX土壓平衡盾構機掘進。采用外徑6 200 mm，內徑5 500 mm的預制鋼筋混凝土通用環管片，幅寬1 200 mm，厚度350 mm。混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P10。

區間第四系地層發育，主要為高流變海相飽和軟土地層。區間隧道姿態出現較嚴重惡化段為138環～264環，隧頂覆土厚12.4 m，線路主要穿越③1粉砂地層與③2粉質黏土夾粉砂地層。該地層呈流塑狀，強度低，具有易觸變、壓縮性強、高靈敏性等特點。具體地質剖面見圖1。

圖1　地質剖面

場區地下水由淺部土層中的潛水、砂性土中的微承壓水及深部粉（砂）性土層中的承壓水組成。勘察期間實際測得的地下水初見水位為1.2～3.6 m。

2　盾構掘進參數影響數值模似

2.1基本假設

采用FLAC3D有限元軟件建立了盾構掘進三維模型，對模型的模擬作出以下假設：

1）管片的六環作為一個整體環計算，只將其剛度進行折減；

2）選取半結構進行計算；

3）盾尾注漿采用等代層進行模擬；

4）盾構機簡化為剛度很大的鋼筒；

5）盾尾注漿強度隨時間變化曲線簡化為幾段折線；

6）盾尾千斤頂上下頂進力差從頂進面處從上到下呈線性分布。

2.2模型尺寸與邊界條件

由于一般隧道開挖對周圍圍巖的影響為3D～5D （D為隧道直徑），確定模型尺寸為51 m（軸向）×37 m（橫向）×43 m（豎向）。因為在盾構機上浮比較嚴重的地段盾構機埋深約為12.4 m，因此建模時埋深取為12.4 m。模型兩側邊界施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束。建立的有限元模型見圖2。

2.3計算參數

根據圖1所示的土層情況、地質勘察資料以及線路設計圖紙，將土層簡化為7層，其基本物理力學參數見表1。

管片襯砌與注漿層材料物理力學參數見表2。

圖2　計算模型

表1　土體基本物理力學參數

表2　管片襯砌及注漿層材料物理力學參數

2.4盾構掘進過程模擬

為了更好地反映盾構掘進過程中的開挖情況，采用改變材料參數的動態模擬方法進行計算。主要通過預先設置好管片以及注漿等代層的材料參數，采用材料的“生”“死”和改變材料參數的方法實現。盾構掘進時，將被掘進的土層材料參數修改為盾構機材料參數，接著施加徑向注漿壓力以及開挖面注漿壓力，緊接著在后方管片施加頂進反力。對于上下頂進力差值的模擬采取在盾尾以及管片最前端施加等梯度變化的應力來代替施工中豎直方向的上下頂進力差。監測盾尾脫出距離，達到一定值后，激活管片襯砌與注漿層單元，然后進行下一步掘進。模擬掘進時，每一步掘進3 m，一共掘進48 m。

2.5監測點布置

為了選取合理的監測位置，在隧道軸線方向36 m處設置監測點。在隧道頂部與底部設置2個位移監測點，另外在該斷面頂部設置10個地表沉降監測點。因為本次模型采用半結構進行計算，因此在另外半結構對稱位置設置9個測點。具體情況見圖3。

圖3　監測點布置（單位：m）

3　數值模擬結果分析

本次模擬計算研究在高流變海相飽和軟土地層中掘進時盾尾管片注漿時間（計算中采用不同釋放步數代替）、注漿壓力、上下頂進力差（以其所形成的彎矩來計算）、頂進力、隧道埋深這5個因素對管片上浮以及地表位移的影響。

首先選取注漿壓力0.15 MPa，頂進力9 500 kN，埋深12.4 m的初始工況進行掘進模擬，采取控制變量的原則對每一個變量對隧道掘進的影響進行分析。具體分析因素及其控制變量見表3。

表3　具體分析因素及其控制變量

3.1盾尾管片注漿時間對盾構機掘進的影響

采用FLAC3D有限元軟件中不同大小的釋放步數來模擬實際施工中的盾尾管片注漿時間。根據已做的模擬計算分析，采用釋放步數為0～150步來進行計算與實際施工情況相符。

不同釋放步數與隧道管片位移的關系見圖4。可見：①掘進過程中不管釋放步數多大，隧道底部均有隆起的情況（位移為正）；隨著釋放步數的增加，頂部與底部位移改變量均在逐漸增大，尤其是釋放步數在0 ～40步時，頂部與底部的位移變化率為2.5 mm/步，表明在飽和軟土地層中，及時注漿對控制位移尤為重要。②釋放步數在150步以內時，雖然增加釋放計算步數對控制管片上浮有一定的積極作用（管片最大上浮量相比于釋放步數為0時減小11.33 mm），但過大的釋放步數對于控制管片位移及地表沉降均不利，盾構施工應及時注漿。

圖4　不同釋放步數與隧道管片位移的關系

圖5為盾構掘進通過監測點以后所形成的沉降槽。由圖可知：①釋放步數從0增至80步時地表最大位移增加近45 mm，且釋放步數對沉降的影響較大，變化率約為0.87 mm/步，這表明及時注漿對于控制地表沉降具有明顯作用。②釋放步數從80增至150步時，地表沉降變化約3.2 mm，且從圖4可看出釋放步數在100步之后，隧底與隧頂位移也基本收斂，表明隧道已經達到初期穩定，所以沉降變化不大。③不同釋放步數對沉降槽寬度影響較小，寬度均大致為6.5 m。

圖5　不同釋放步數下隧道地表沉降變化曲線

3.2上下頂進力差的影響

盾構掘進時，改變上下頂進力差是控制盾構機姿態的基本方法。針對寧波軟土地層，盾構機對推力反應很敏感，上下頂進力差設置非常重要。當地層較軟、埋深較淺時，推力小，盾構機栽頭嚴重。為了維持盾構機姿態，施工中有時上下頂進力差最大達到5 000 kN，才能維持盾構機不栽頭。由于盾尾千斤頂上下頂進力差從頂進面處從上到下呈線性分布，故會在盾構機掌子面處形成一定彎矩，所形成的彎矩大小由上下頂進力差值大小來控制。

圖6為上下頂進力差所形成的彎矩與隧道管片位移的關系。可見：①隨著上下頂進力差的變化，隧底隆起及隧頂沉降都有近似呈線性上升的趨勢。②當上下頂進力差所形成的彎矩從1 000 kN·m變化為7 000 kN·m時，管片上浮量從106.01 mm減少至96.43 mm，表明隨著上下頂進力差的增加管片上浮更容易被控制。隨著上下頂進力差所形成的彎矩增加，管片上浮量變化逐漸趨于平緩，尤其當上下頂進力差所形成彎矩超過6 000 kN·m后，管片上浮量保持在0.2 mm左右幅度變化，表明此時上下頂進力差對管片上浮影響已經不大。③雖然隨著上下頂進力差的增大，管片上浮情況容易被控制，但是過大的上下頂進力差會造成管片之間的差異性位移，從而形成管片錯臺現象。所以施工時應根據工程實際采取適宜的上下頂進力差值。本次施工建議上下頂進力差取3 000～5 000 kN。

圖6　上下頂進力差所形成的彎矩與隧道管片位移的關系

圖7為不同上下頂進力差下隧道橫向地表沉降的變化曲線。可知：①隨著上下頂進力差的逐漸增大，地表最大沉降逐漸減小，曲線擬合后沉降槽的寬度基本在6.5 m左右，變化不大。②隨著上下頂進力差的逐漸增大，沉降槽兩側出現隆起的情況，且隆起變化趨勢大于沉降趨勢。

圖7　不同上下頂進力差下隧道橫向地表沉降變化曲線

3.3管片注漿壓力的影響

在盾構掘進過程中，要對盾尾脫離形成的空隙進行填補注漿，以保證圍巖與管片的緊密性，使得周圍的土體得到支撐，控制地表沉降。注漿時，注漿壓力直接作用在圍巖以及管片上，隨著漿液的凝固，注漿壓力隨之改變。注漿壓力的變化對地表沉降以及管片內力都有較大的影響。

圖8為隧道管片注漿壓力與管片位移的關系。可見：①隨著管片注漿壓力的增加，隧底隆起及隧頂沉降都能得到有效控制，近似呈線性趨勢收斂。②管片注漿壓力的改變對于隧道在土體中的上浮影響較大。注漿壓力從0.1 MPa增至0.2 MPa時，管片上浮量呈小幅度減小趨勢；達到0.2 MPa以后，隨著注漿壓力的增大，管片上浮量呈線性增大趨勢。當盾尾管片注漿壓力為0.2 MPa時管片上浮值最小（約113 mm）。為減小地表沉降以及管片上浮，并結合工程實際情況，本區間建議注漿壓力取0.2～0.3 MPa。

圖9為不同管片注漿壓力下隧道橫向地表沉降變化曲線。可見：①管片注漿壓力對于地表沉降存在較大的影響，隨著注漿壓力由0.1 MPa增至0.4 MPa，地表沉降最大值從-48.5 mm增至27.2 mm，增加速率約為9 mm/MPa。②管片注漿壓力的改變對于沉降槽寬度影響不大，隨著注漿壓力由0.1 MPa增至0.4 MPa，沉降槽寬度從8.3 m減小至6.5 m。

3.4隧道埋深的影響

圖10為隧道埋深與管片位移的關系。由圖可見：①隧道埋深處在5～12.4 m時，隧頂沉降、隧底隆起均隨隧道埋深的增大而增加。隧道埋深增大至12.4 m后，隨著埋深的增加隧道頂部與底部位移基本不變。這是因為在軟土地層淺覆土情況下隧道埋深的改變對隧道頂部以及底部位移的影響較敏感，施工時應注意隨埋深控制掘進參數。②隧道埋深＞12.4 m時，管片上浮、隧頂沉降以及隧底隆起均未發生較大變化，而隧道埋深＜12.4 m時，隧道埋深越淺管片上浮越嚴重，近似呈線性發展，變化率約為5.8 mm/m。

圖10　隧道埋深與管片位移的關系

圖11為不同埋深下隧道橫向地表沉降變化曲線。可知：隧道埋深對于地表沉降存在較大的影響，當隧道埋深由5 m增至12.4 m時，地表從22.5 mm的隆起下沉至-38.5 mm，但隧道埋深＞12.4 m后，地表沉降曲線基本不發生變化。證明隧道埋深取12.4 m比較合理。另外，隨著埋深的改變，地表沉降槽寬度基本保持在7 m左右，變化不大。

3.5頂進力的影響

盾構掘進過程中，一般采用千斤頂對泥土倉內土體施加壓力來平衡掌子面水土壓力，但是由于掌子面土體壓力大小的不確定性，很難達到真正意義上的平衡。壓力的不平衡會直接造成地表的沉降或隆起，因此頂進力值是盾構隧道施工時一個很重要的參數。

圖12為頂進力與隧道管片位移的關系。由圖可見：①隨著頂進力從8 000 kN增至14 000 kN，隧底隆起情況基本不變，隧頂沉降量從89.3 mm逐漸減至73.6 mm，表明改變頂進力能夠在一定程度上控制隧頂位移。②隨著頂進力的增加，管片上浮量近似呈線性增加，每增加1 000 kN頂進力，管片上浮量增加約6 mm。

圖13為不同開挖頂進力下隧道橫向地表沉降變化曲線。由圖可見：幾條沉降槽曲線基本重合，只存在一定的隆起趨勢，說明其對位移的影響不大。隨著頂進力的增加，地表最大沉降逐漸減小。頂進力每增加1 000 kN，地表沉降量減小約0.5 mm。

圖13　不同開挖頂進力下隧道橫向地表沉降變化曲線

4　現場施工掘進分析

參照數值模擬結果，并結合實際施工中的各種影響因素，在寧波地區軟土地層掘進，區間隧道頂部埋深10.43～12.89 m，頂進力控制在900～11 000 kN，掘進速度能到達25～45 mm/min，土倉壓力與理論計算值基本吻合，且能有效地控制地表沉降。注漿壓力控制在0.25～0.33 MPa，注漿量控制在4～5 m3，注漿泵流量為90～135 L/min。盾構掘進至206～229環時盾構機豎直姿態曲線見圖14，盾構機上下頂進力差隨掘進環數變化曲線見圖15。

圖14　盾構機豎直姿態曲線

圖15　盾構機上下頂進力差隨掘進環數變化曲線

考慮數值模擬結果建議值后，實際施工中地表沉降控制在42 mm以內，管片上浮控制在31 mm以內，可見數值模擬建議值合理。

5　結論與建議

1）在改變注漿壓力與采用不同釋放步數情況下，始終都會出現隧道的上浮。建議施工過程中，采用盾構掘進軸線適當低于隧道設計中線以保證隧道軸線偏差控制在設計允許范圍內。

2）在盾構掘進過程中，影響隧道管片上浮的主要因素是上下頂進力差與管片注漿壓力，其次是盾尾管片注漿時間、隧道埋深與頂進力。上下頂進力差、隧道埋深、盾尾管片注漿時間與管片上浮量呈負相關關系，頂進力、管片注漿壓力與管片上浮量呈正相關關系。

3）隧道開挖完成后，由于寧波土層高流變的性質，盾尾管片注漿時間、管片注漿壓力、隧道埋深對地表沉降產生較明顯影響，其次是上下頂進力差，頂進力的大小對地表沉降影響較小。這些影響因素中與地表沉降量呈正相關關系的是上下頂進力差、管片注漿壓力與隧道埋深，與地表沉降量呈負相關關系的是盾尾管片注漿時間。而影響沉降槽寬度的主要因素是管片注漿壓力與上下頂進力差，其余因素影響不大。

4）根據數值模擬結果與工程實際情況建議：及時注漿，注漿壓力0.2～0.3 MPa；埋深設計建議盡量較大，如埋深較淺，重點調整頂進力值與管片注漿壓力大小；施工時頂進力建議取9 500 kN；管片出現上浮情況時，合理改變盾構機上下頂進力差進行調整，調整范圍為3 000～5 000 kN。

［1］李志帥.軟土地層盾構掘進姿態控制技術研究［D］.北京：北京交通大學，2013.

［2］職洪濤，路明鑒，杜守繼.盾構隧道通縫拼裝管片上浮的數值模擬分析［J］.地下空間與工程學報，2007，3（增 2）：1480-1483.

［3］殷明倫，張陽玉，王睿.某軟土地層盾構隧道管片上浮事故分析［J］.市政技術，2014，32（5）：70-72，82.

［4］李小青，朱傳成.盾構隧道施工地表沉降數值分析研究［J］.公路交通科技，2007，24（6）：86-91.

［5］龔旭，慎乃齊，李標.土壓平衡盾構隧道施工引起的地面沉降分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009（增1）：395-399.

［6］王選祥.盾構隧道管片上浮機理及控制技術［J］.鐵道建筑，2009（5）：52-55.

［7］周海群.軟土地層盾構施工中掘進速度對地面沉降的影響分析［J］.鐵道建筑，2012（3）：45-48.

（責任審編葛全紅）

Analysis of Shield Driving Parameters for High Rheological Soft Soil on Ningbo Metro Line 1

WANG Huiwu1，GUO Jianning1，LI Guodong2，FANG Yong1
（1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chendu Sichuan 610031，China；2.China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054，China）

Interval shield construction of Haiyan north road station to Fuqing north road station in Ningbo M etro Line 1 was modeled and analyzed by three-dimensional finite element，and the effects of segmental lining grouting time at the tail，grouting pressure，jacking force difference between top and bottom，jacking force and tunnel buried depth on segmental lining floating and surface settlement was studied during shield machine excavation in the high rheological marine saturated soft soil stratum.T he results showed that jacking force difference between top and bottom and segmental lining grouting pressure has the largest influence on segmental lining floating，followed by the effect of segmental lining grouting time at the tail，and jacking force and tunnel buried depth has the least effect，jacking force difference between top and bottom，tunnel buried depth and segmental lining grouting time at the tail has a negative correlation with the amount of segmental lining floating，jacking force，segmental lining grouting force has a positive correlation with the amount of segmental lining floating，segmental lining grouting time at the tail，segmental lining grouting force and tunnel buried depth has a obvious effect on surface settlement，followed by jacking force difference between top and bottom，and effect of jacking force is small，the jacking force difference between top and bottom，segmental lining grouting force，tunnel buried depth has a positive correlation with the amount of surface settlement，and only the segmental lining grouting time at the tail has a negative correlation with the amount of surface settlement.

M etro shield；Soft soil stratum；Numerical simulation；Segmental lining floating；Surface settlement

汪輝武（1992— ），男，碩士研究生。

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.13

1003-1995（2016）07-0049-06

2015-12-10；

2016-04-28

國家自然科學基金（51278422，51578460）；國家科技支撐計劃 （2012BAG05B03）；四川省青年科技基金（2012JQ0021）