基于ABAQUS模型的軌道交通盾構(gòu)施工引起地表沉降分析

張寶良，李大華，徐子方，周冬青，李季佩

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230601；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽合肥23000）

基于ABAQUS模型的軌道交通盾構(gòu)施工引起地表沉降分析

張寶良1，李大華1，徐子方2，周冬青1，李季佩1

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230601；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽合肥23000）

盾構(gòu)施工造成的地表沉降越來(lái)越受到重視，在開(kāi)挖的過(guò)程中如何保證土體的穩(wěn)定和嚴(yán)格的控制地表沉降是當(dāng)前研究的重點(diǎn).以合肥地鐵一號(hào)線為工程背景，利用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬，對(duì)盾構(gòu)施工引起地表沉降的因素進(jìn)行分析，并結(jié)合地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與模擬數(shù)值做比較，結(jié)果表明：盾構(gòu)掘進(jìn)壓力越大，地表沉降越小；盾構(gòu)襯砌的同步注漿層厚度越大，對(duì)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的縫隙填充效果就越好；地表沉降量隨著開(kāi)挖深埋的增加而減小；注漿層彈性模量越大，地表沉降越小.最后將模擬數(shù)值與監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該研究具有一定價(jià)值.

地鐵盾構(gòu)；數(shù)值模擬；地表沉降；ABAQUS

目前我國(guó)城市處在快速發(fā)展時(shí)期，城市土地被高度利用，建筑物密集，人流量大，尤其在繁華地段交通壓力急劇增大.地鐵盾構(gòu)施工時(shí)，會(huì)對(duì)鄰近的建（構(gòu)）筑物、管道及道路造成不利影響；結(jié)合實(shí)際的復(fù)雜工況，地鐵盾構(gòu)施工的難度系數(shù)驟增.近年來(lái)，地鐵坍塌事故已發(fā)生多起，例如在北京，上海和廣州的地鐵都發(fā)生過(guò)類似的事故，為此，學(xué)者們進(jìn)行眾多盾構(gòu)施工引起地表沉降方面的研究，這對(duì)指導(dǎo)工程施工具有重要意義［1-3］.駱建軍等依據(jù)建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位的破壞值，來(lái)制定地面沉降基準(zhǔn)指標(biāo)［4］；韓煊等以Peck經(jīng)驗(yàn)理論為基礎(chǔ)，利用預(yù)測(cè)建筑物沉降的剛度修正法，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定進(jìn)行了分析［5］.

目前盾構(gòu)法施工已做了很多研究工作，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況施工條件的不同，使得不少研究成果都具一定的局限性.目前對(duì)盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)施工引起的地表沉降分析及預(yù)測(cè)方法主要有：經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、理論分析法、模型試驗(yàn)法和數(shù)值分析等［6-7］.以合肥地鐵一號(hào)線的盾構(gòu)施工為工程背景，分析盾構(gòu)施工中引起地表的沉降及其影響因素，通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)行了研究，為今后類似工程施工提供參考.

1 工程概況

1.1 工程位置及周圍環(huán)境概況

合肥地鐵一號(hào)線葛大店站～望湖城站區(qū)間由平行的兩條隧道構(gòu)成，隧道開(kāi)挖截面為圓形，每條隧道單線貫通，右線里程：K12+683.900～K14+113.612，全長(zhǎng)1 428.1 m.左線里程：K12+683.900～K14+152.612，全長(zhǎng)1 467.1 m.區(qū)間在K13+186.793處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，在K13+584.6處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，線間距12.00～15.20 m，最大縱坡25.437‰，隧道直徑6 m，拱頂埋深9.12～16.62 m，采用盾構(gòu)法施工.

1.2 現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水類型以上層滯水為主，區(qū)間廣泛分布著黏土層，層總厚度較大，埋深淺，地下水水位標(biāo)高20.22～30.36 m，水位埋深2.60～6.00 m，段內(nèi)富水性較弱，主要為泥質(zhì)砂巖，基巖裂隙水總體較貧乏，段內(nèi)地下水總體不發(fā)達(dá).

盾構(gòu)區(qū)間主要穿越：（1）第一層粉質(zhì)粘土層；（2）第二層雜填土；（3）第三層粘土①；（4）第四層粘土②；（5）第五層粘土③.

（1）第一層粉質(zhì)粘土層：呈褐黃色、灰黑色、雜色.化學(xué)成分復(fù)雜，堆積時(shí)間短，稍經(jīng)壓實(shí)，局部見(jiàn)砂及碎石塊，土體堆積極不穩(wěn)定，施工期間容易發(fā)生坍塌，土層厚度一般為0.5～2 m.

（2）第二層雜填土：灰、灰褐色，土質(zhì)較純，含少量鐵錳氧化物結(jié)核、高嶺土，切面光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度高，不連續(xù)分布，韌性中等.

（3）第三層粘土①：褐黃色、黃褐色，含氧化鐵、高嶺土，鐵錳結(jié)核，切面光滑，干強(qiáng)度高，局部含鐵錳質(zhì)結(jié)合富集.

（4）第四層粘土②：灰褐色、灰黃，土質(zhì)不均，硬塑狀，切面較粗糙，韌性一般，段內(nèi)分布不均勻，局部含有風(fēng)化顆粒.

（5）第五層粘土③：全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，全風(fēng)化，紫紅色，粉粒結(jié)構(gòu)，巖芯風(fēng)化呈土柱形狀，遇水易軟化，易鉆進(jìn)，巖質(zhì)軟，段內(nèi)不連續(xù)分布，原巖結(jié)構(gòu)大部分已遭到破壞，全部鉆孔未能穿透該土層，最大目標(biāo)深度-25.01 m.

2 計(jì)算模型建立

以合肥地鐵一號(hào)線為背景，盾構(gòu)開(kāi)挖采用三維有限元軟件ABAQUS建模，沿x正軸為隧道盾構(gòu)寬度方向，沿y正軸為土體深度方向，沿z負(fù)軸為隧道軸線方向，整個(gè)模型中用三維實(shí)體單元構(gòu)成，模型土體土層分為5層：第一層粉質(zhì)粘土層，第二層雜填土，第三層粘土①，第四層粘土②，第五層粘土③，因?yàn)槎軜?gòu)隧道開(kāi)挖造成土體應(yīng)力應(yīng)變的影響，故在距隧道中心軸線約3～5倍的開(kāi)挖直徑范圍內(nèi)會(huì)對(duì)土體有較為明顯的影響，3倍開(kāi)挖直徑范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變變化約為10%，超過(guò)5倍的開(kāi)挖直徑時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變變化會(huì)降到約3%以下［8］.區(qū)間盾構(gòu)隧道覆土埋深16 m，距地表較淺.推進(jìn)步數(shù)取20步，步距為1.5 m，總長(zhǎng)30 m；嚴(yán)格按實(shí)際工程確定模型的尺寸為80 m×40 m×30 m（長(zhǎng)×寬×深），盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)8 m，盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6.28 m，襯砌管片外徑6 m，厚度為30 cm.建立模型圖步驟是首先要建立原始的地層模型，然后施加邊界約束條件，采用迭代計(jì)算直至系統(tǒng)平衡，在模擬地層初始應(yīng)力狀態(tài)后刪除盾構(gòu)所在位置的單元土體，進(jìn)而建立相應(yīng)單元體，在進(jìn)行迭代計(jì)算使之土體應(yīng)力重新平衡，則有限元分析模型圖（見(jiàn)圖1）.

圖1 有限元分析模型圖

襯砌管片處理：襯砌管片視為彈性材料，依據(jù)泊松比、彈性模量來(lái)計(jì)算單元?jiǎng)偠龋芷捎肅50 P12混凝土，每環(huán)襯砌寬1.5 m.隧道襯砌采用高強(qiáng)度膨脹螺栓連接，通過(guò)考慮隧道襯砌接頭對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，對(duì)襯砌的材料參數(shù)進(jìn)行折減，按0.15折減系數(shù)進(jìn)行折減［9］.建立有限元模型中的土體材料參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 土體材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 盾構(gòu)開(kāi)挖在不同掘進(jìn)壓力條件時(shí)對(duì)地表沉降的影響

掘進(jìn)壓力設(shè)置為T=200 kPa，T=300 kPa和T=600 kPa三種情況分別進(jìn)行討論，隧道覆土埋深12 m，注漿厚度0.3 m，盾構(gòu)推進(jìn)步距1.5 m，共開(kāi)挖30 m，進(jìn)行計(jì)算分析后可得出不同掘進(jìn)壓力地表橫向沉降位移曲線圖（見(jiàn)圖2）.

當(dāng)掘進(jìn)壓力依次按上述設(shè)置，則得出地表沉降峰值依次為28.01 mm、23.93 mm、19.16 mm（見(jiàn)圖2）.經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)壓力越大，地表沉降越小，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)壓力在600 kPa時(shí)，地面縱向位移開(kāi)始出現(xiàn)突變，這是由于盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)引起前方開(kāi)挖面的壓力值大于盾構(gòu)前方土體中應(yīng)力的釋放，使開(kāi)挖面前方土體受到擠壓而出現(xiàn)土體隆起，且地表最大沉降的點(diǎn)位置是在隧道正上方中心處，區(qū)間的盾構(gòu)掘進(jìn)壓力不能超過(guò)600 kPa為宜.

圖2 z軸-15 m處地表橫向沉降位移曲線圖

圖3 z軸-15 m處地表橫向位移沉降曲線圖

3.2 盾尾的不同注漿層厚度對(duì)地表沉降的影響

模型等代層厚度分別取：r=0.2 m、r=0.3 m和r=0.5 m三種情況分別進(jìn)行討論，隧道覆土埋深12 m，掘進(jìn)壓力300 kPa，盾構(gòu)推進(jìn)步距1.5 m，共開(kāi)挖30 m，進(jìn)行計(jì)算分析后可得出盾尾的不同注漿層厚度地表橫向位移沉降曲線圖（見(jiàn)圖3）.

地表沉降量是隨著注漿層厚度的增加而減少，并且注漿層厚度越大，對(duì)隧道盾構(gòu)施工產(chǎn)生的縫隙填充效果越密實(shí)，使土體應(yīng)力釋放的影響越小，造成的地層損失越少，引起的地表沉降變形越小（見(jiàn)圖3）［10］.由此可知通過(guò)改變注漿層的厚度能夠有效地控制地表沉降.盾構(gòu)襯砌同步注漿層的厚度如果太大，會(huì)造成土體局部壓力過(guò)大而引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，使土體周圍產(chǎn)生具有一定的劈裂擴(kuò)散效應(yīng),因此實(shí)際工程中的注漿厚度值取0.3 m較為合適.

3.3 盾構(gòu)開(kāi)挖的不同埋深對(duì)地表沉降的影響

隧道拱頂埋深分別設(shè)置為12 m、15 m，兩種情況分別進(jìn)行討論，掘進(jìn)壓力300 kPa，注漿厚度為0.3 m，盾構(gòu)推進(jìn)步距1.5 m，共開(kāi)挖30 m，進(jìn)行計(jì)算分析后可得出隧道盾構(gòu)開(kāi)挖不同埋深地表橫向位移沉降曲線圖（見(jiàn)圖4）.

地表沉降量是隨著隧道開(kāi)挖深埋的增加而減小，峰值從25.6 mm減小到23.6 mm，并且隨著開(kāi)挖深度的增加，對(duì)土體的擾動(dòng)越小，引起土體橫向沉降的影響范圍卻有所增大，原因是地表沉降主要由地層損失和土體的固結(jié)沉降引起的，而固結(jié)沉降是在隧道開(kāi)挖完成以后才開(kāi)始的，故在整個(gè)開(kāi)挖階段影響地表沉降的主要方式是地層損失.因此盾構(gòu)開(kāi)挖的埋深越大，地層受擾動(dòng)越小，引起地層的損失越小，造成的地表沉降值就越小（見(jiàn)圖4）.

圖4 z軸-15 m處地表橫向位移沉降曲線圖

圖5 z軸-15 m處地表橫向沉降位移曲線圖

3.4 盾構(gòu)開(kāi)挖的不同注漿彈性模量對(duì)地表沉降的影響

假設(shè)在盾構(gòu)注漿開(kāi)始階段，注漿彈性模量設(shè)置為E=0.18 GPa；當(dāng)注漿完成以后注漿體在短時(shí)間內(nèi)固化，此時(shí)注漿的彈性模量設(shè)置為E=1.8 GPa；當(dāng)注漿體完全固化后，注漿的彈性模量設(shè)置為E=18 GPa.將這三種情況分別進(jìn)行討論，掘進(jìn)壓力300 kPa，注漿厚度0.3 m，隧道埋深12 m，盾構(gòu)推進(jìn)步距1.5 m，共開(kāi)挖30 m，進(jìn)行計(jì)算分析后可得出不同注漿的彈性模量地表橫向沉降位移曲線圖（見(jiàn)圖5）.

當(dāng)注漿層彈性模量為0.18 GPa時(shí)，地表沉降峰值為24.9 mm；當(dāng)注漿層彈性模量為1.8 GPa時(shí)，地表沉降峰值為21.3 mm；當(dāng)注漿層彈性模量為18 GPa時(shí)，地表沉降峰值為19.9 mm（見(jiàn)圖5）.經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)注漿層彈性模量越大，地表沉降量越小，是因?yàn)樵诙軜?gòu)同步注漿開(kāi)始時(shí)，注漿體短時(shí)間內(nèi)無(wú)法固化，造成注漿體強(qiáng)度不夠，使彈性模量較小，注漿體無(wú)法對(duì)隧道周圍土體形成有效的支護(hù)，同時(shí)土體應(yīng)力的釋放會(huì)造成注漿體變形，引起地層損失，造成地表沉降.當(dāng)注漿體漸漸進(jìn)入固化階段后，注漿體強(qiáng)度驟升，彈性模量變大，此時(shí)能對(duì)隧道周圍土體產(chǎn)生較好的支護(hù)，注漿體和襯砌管片達(dá)到新的應(yīng)力應(yīng)變平衡，則地表沉降基本穩(wěn)定.因此當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行同步注漿，使注漿體達(dá)到一定的早期強(qiáng)度，這對(duì)控制地表沉降是十分有利的.

4 模擬數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值比較分析

實(shí)際地表沉降量監(jiān)測(cè)最大值為29.9 mm，小于地表基準(zhǔn)值30 mm，地面交通能正常運(yùn)營(yíng)，模擬數(shù)值最大值為24.6 mm，對(duì)比得出：模擬數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值差不大，差值約為5.5 mm（見(jiàn)圖6）［11］.地表沉降量模擬數(shù)值基本吻合實(shí)際監(jiān)測(cè)值，模型模擬數(shù)值可以為工程施工作為指導(dǎo).由于模型進(jìn)行了理想化的假設(shè)、簡(jiǎn)化，施工參數(shù)選取的不合理，以及施工作業(yè)人員在施工過(guò)程中操作的不合理等都會(huì)使模擬數(shù)值比實(shí)際監(jiān)測(cè)值小.

5 結(jié)語(yǔ)

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)壓力應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)脑龃缶蜻M(jìn)壓力能夠減小地表沉降，但超過(guò)一定值時(shí)會(huì)引起地表隆起，區(qū)間的掘進(jìn)壓力宜采用600 kPa.

（2）注漿層厚度越大，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的縫隙填充效果越密實(shí)，造成的地表沉降變形就越小,工程中的注漿厚度值宜取0.3 m.

（3）盾構(gòu)隧道開(kāi)挖埋深越大，地層受擾動(dòng)越小，引起地層的損失越小，則地表沉降值就越小.

（4）在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，在保證其它參數(shù)不變的條件下，通過(guò)改變注漿層彈性模量的大小，能較好的控制地表沉降.

（5）模擬數(shù)值基本吻合實(shí)際地表監(jiān)測(cè)沉降值，模擬數(shù)值可以為工程施工作為指導(dǎo).

圖6 模擬數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的對(duì)比

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Based on ABAQUS Model of Rail Transit Shield Construction Causes the Surface Subsidence Analysis

ZHANG Bao-liang1，LI Da-hua1，XU Zi-fang2，ZHOU Dong-qing1，LI Ji-pei1
（1.School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601；2.Institute of Economics and Technology，Anhui Electric Power Corporation，Hefei 230000，Anhui，China）

The ground settlement caused by shield construction has been more and more taken seriously.How to ensure the stability of the soil in the process of excavation of and strictly control the surface subsidence is the focus of current research.Based on the engineering background of Hefei subway line one，using ABAQUS software to simulate，of shield construction，this paper analyzes the factors which cause the surface subsidence，combined with the surface subsidence monitoring data，and simulation numerical comparison，and the results show that the surface subsidence is smaller with the greater pressure of shield tunneling;the shield lining of shield construction gap filling effect is better with the greater synchronous grouting layer thickness;the surface subsidence decreases with the increase of excavation depth;the surface subsidence is smaller with the greater grouting layer modulus of elasticity. Finally，by the comparison between the simulation and monitoring values，the results are basically consistent，suggesting that the study has a certain reference value.

the subway shield；numerical simulation；the surface subsidence；ABAQUS

TU475+.9

A

1007-5348（2017）06-0054-05

（責(zé)任編輯：歐愷）

2017-03-15

國(guó)家電網(wǎng)安徽省電力公司資助項(xiàng)目（1P12001500010681000000）.

張寶良(1986-)，男，黑龍江哈爾濱人，安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院初級(jí)工程師，碩士；研究方向：建筑與土木工程.