盾構隧道施工引起的地基土超孔壓特性模擬與分析

張冰清 宮全美莊 麗

盾構隧道施工引起的地基土超孔壓特性模擬與分析

張冰清1宮全美2莊 麗3

（1.廣東省交通運輸規(guī)劃研究中心，510101，廣州；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；3.韓國建設技術研究院，10223，高陽∥第一作者，助理工程師）

考慮盾構機盾殼與自重、開挖面正面推力、盾尾空隙、千斤頂推力和同步注漿等因素，利用有限元軟件模擬研究了盾構施工過程引起的周邊土體超孔壓，并與實測值進行對比分析，以此驗證了模擬方法的可靠性。基于單層軟土、中等埋深條件下的盾構施工有限元模擬，分析了超孔壓隨施工過程的分布特性。研究表明，施工過程中周邊土體的超孔壓變化明顯，隨著盾構機的推進先不斷增大，盾構機頭到達或盾尾脫出時達到最大，盾構機離開后又逐漸減小。軟土層中125 d后隧道四周超孔壓的衰減率約為92%。

盾構施工；超孔壓；三維有限元；分布特性

在盾構推進施工過程中，作用在開挖面上的土倉壓力、盾尾處的注漿壓力等均會使土體中產(chǎn)生超孔壓，而隨著盾構機的遠離，超孔壓又會緩慢消散。這一過程不僅導致土體強度降低，也使盾構施工引起的土體變形復雜。特別在軟土地區(qū)，盾構施工完成后的固結沉降常常較大且持續(xù)時間較長。如新加坡某盾構隧道由固結引起的沉降占總沉降比值高達90%［1］。盡管超孔壓的產(chǎn)生會對工程帶來不利影響，但由于施工過程復雜，目前對超孔壓的分布規(guī)律及特性研究較少，理論分析也不完善。

國內外關于盾構施工在周圍土層中產(chǎn)生超孔壓的研究方法主要有現(xiàn)場實測、理論分析和數(shù)值模擬等。由于現(xiàn)場條件復雜，難以判斷引起超孔壓變化的主要原因以及各因素對超孔壓變化的影響，且可能出現(xiàn)設備失靈的問題。如文獻［2］對臺北某隧道進行孔隙水壓力測試，盾構機脫出時孔壓計出現(xiàn)過短暫的失靈，盾構空隙產(chǎn)生的效果未捕捉到。此外，現(xiàn)有的實測資料仍較少［1-4］；而現(xiàn)有的理論分析主要對模型進行簡化，做出一定的假設，不能反映盾構施工過程的影響，目前用現(xiàn)有理論對超孔壓進行較準確預測還有一定難度［5-6］。由于盾構施工過程及超孔壓的復雜性，目前已有的數(shù)值模擬結果與實際仍不太符合。這些模擬方法或者是忽略了盾構機、盾尾空隙和注漿壓力的模擬，或者是對正面推力、注漿壓力模擬不夠準確，只是簡單地以均布荷載表示，并且絕大多數(shù)模擬都沒有考慮漿液性質的變化［7-8］。

本文考慮盾構機、盾尾空隙的影響，并對正面推力和注漿進行精細化模擬，以探索更能符合盾構施工過程的超孔壓數(shù)值模擬方法，并得到盾構施工引起的周邊土體超孔壓變化特性及規(guī)律。

1 盾構施工的有限元模擬方法及可靠性驗證

1.1 模擬方法

利用Plaxis3D有限元軟件中的Biot固結理論計算超孔壓的產(chǎn)生與消散，盾構機的施工過程模擬考慮了盾構機、正面推力的大小及分布方式、盾尾空隙、同步注漿漿液性質隨時間的變化及分布方式等。具體的模擬方法如下所述。

盾構機采用實體盾殼單元模擬，將盾構機的重量折算到盾殼上，盾殼厚度為50 mm，用各向同性的板單元模擬，重度γ=120 kN/m3，彈性模量E=23×106kN/m2，盾構機直徑為6 340 mm。千斤頂推力簡化為均勻荷載作用在盾構機后方襯砌上，其值為2 300 kN/m2。

在盾構施工工程中，一般取土倉壓力為施工控制參數(shù)，并認為土倉壓力與正面推力是相等的［9］。但根據(jù)長三角軟土地區(qū)某盾構隧道的實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)［10］可知，土倉壓力與理論計算的靜止土壓力比值為1.16~1.74，平均值為1.34。其從上到下為梯形分布作用在圓形開挖面上，如圖1所示。

圖1 正面推力作用示意圖

盾尾空隙大小一般為80~160 mm［11］。由于軟土中超挖量較小，認為盾尾空隙主要由盾構機殼厚度和盾尾操作空間決定。本文取盾尾空隙的厚度為70 mm，用模量極小的彈性材料模擬，E=20 kN/m2。

同時考慮漿液性質隨時間的變化以及注漿壓力的大小與分布。采用線彈性材料模擬單液活性漿液的性質變化，并根據(jù)對漿液的室內無側向抗壓試驗和土工試驗規(guī)范，擬合出漿液彈性模量隨時間的變化函數(shù)作為有限元模擬值［12］。其擬合函數(shù)為

式中：

t——時間，h；

y——漿液的彈性模量，MPa。

由于漿液最終凝固成混凝土，所以y值增大到混凝土的彈性模量時為止，之后保持不變。注漿層的厚度為70 mm，分布于管片外側。

由文獻［13］關于注漿壓力隨時間變化的試驗結果可知，當盾尾通過后，注漿壓力會在較短時間內消散并達到均勻。隨著漿液的凝固，注漿壓力消失，漿液開始承受地層中的水土壓力并傳遞到襯砌上。據(jù)此，確定本文有限元模擬中注漿壓力的作用時間僅為盾尾脫出一環(huán)管片后的時間，隨著盾構的向前推進，注漿壓力隨即消失。注漿壓力的分布形式為沿深度呈梯形分布，沿深度不斷增大。注漿壓力與理論計算的靜止土壓力比值為0.8~1.1，注漿壓力作用示意圖如圖2所示。此外，漿液的充填性、流動性等也會影響注漿壓力的大小和分布，在此處視為理想條件，不做過多討論。

圖2 注漿壓力作用示意圖

根據(jù)以上討論，得到了盾構機、正面推力、盾尾空隙和同步注漿的模擬方法，由此可得到本文的模擬示意圖，如圖3所示。

三維模型的邊界條件是：四周表面和底面為法向位移約束，表面自由。開挖面邊界條件如圖3所示。滲流邊界為表面透水邊界，模型四周和底部為不透水邊界，襯砌處為不透水邊界。

1.2 可靠性驗證

為了驗證模擬方法的可靠性，根據(jù)上述有限元模擬方法，采用文獻［4］中的工程及參數(shù)，以實際工程為例建立模型，并與實測孔壓值進行對比驗證。文獻［4］中實測孔壓計分布和地層情況如圖4所示。計算值和實測值的對比，如圖5和6所示。由圖5和圖6可知，各孔壓計的初始值、穩(wěn)定值以及變化趨勢基本一致；孔隙水壓力在盾構到達不同位置處會出現(xiàn)不同程度的突然增大，盾構離開后，孔隙水壓力也開始衰減。但由于現(xiàn)場施工情況復雜多變，有限元模擬不可能完全準確模擬，所以在量值和變化趨勢上會有一些差別，但整體規(guī)律是符合的。

圖4 孔壓計的分布

圖5 不同位置處計算孔隙水壓力隨時間的變化曲線

2 施工引起的周邊土體超孔壓分布特性

2.1 模型參數(shù)

為減少土層非均質對超孔壓變化規(guī)律的影響，此處選取盾構隧道位于單一軟土層。計算中隧道頂部埋深12.4 m，地下水位為地表以下2 m，隧道管片外徑6.2 m、內徑5.5 m、寬1.2 m，盾構機的直徑為6.34 m。所建立的有限元模型長80 m，寬20 m，高30 m。土層物理力學參數(shù)如表1所示，施工參數(shù)見表2。

2.2 計算結果

圖6 不同位置處實測孔隙水壓力隨時間的變化曲線

分別在隧道頂部、中部和底部各選取3個共9個觀察點A1~A3、B1~B3、C1~C3。各位置觀察點分布在距離隧道0.5 D和1.0 D處，如圖7所示。

圖7 觀察點位置

各觀察點超孔壓隨時間的變化分別如圖8~圖13所示。每個觀察點均給出了超孔壓短期（5 d）和長期（125 d）的變化過程。

由圖8、圖9可知，盾構施工中隧道頂部土體中最大超孔壓為100 kPa，發(fā)生在A1點。A1、A2兩點超孔壓隨盾構施工過程的變化明顯，A3點不明顯。125 d后A1、A2、A3點超孔壓的衰減率分別為91%、68%和45%，說明距離隧道越近超孔壓的變化幅度越大。

表1 土層物理力學參數(shù)表

表2 施工參數(shù)表

與頂部相比，隧道中部和底部超孔壓規(guī)律相同，僅量值上有差別。如隧道中部最大超孔壓為97 kPa，而底部為 103 kPa。超孔壓 125 d 后 B1、B2、B3點超孔壓的衰減率分別為92%、76%和69%，而C1、C2、C3點超孔壓的衰減率分別為92%、81%和78%。

綜合以上隧道頂部、中部和底部超孔壓隨時間的變化可知：距離隧道越近，超孔壓受盾構施工的影響就越大，在隧道周邊位置，均會出現(xiàn)兩次極值，分別在盾構機到達和盾尾脫出的時刻（分別定義為第一極值、第二極值），且第一極值明顯大于第二極值。說明掌子面推力對隧道附近土體超孔壓的影響比注漿的影響大；隨著距離的增大，雖仍會出現(xiàn)兩次極值，但兩極值的差異不明顯，甚至出現(xiàn)第二極值大于第一極值的情況，此現(xiàn)象的出現(xiàn)為超孔壓的累積效應；隨著距離的進一步加大，如大于1 D的位置，盾構施工產(chǎn)生的超孔壓不明顯，超孔壓的變化與盾構施工過程并無明顯對應關系。

圖8 短期隧道頂部土體超孔壓隨時間的變化曲線

圖9 長期隧道頂部土體超孔壓隨時間的變化曲線

圖10 短期隧道中部土體超孔壓隨時間的變化曲線

圖11 長期隧道中部土體超孔壓隨時間的變化曲線

圖12 短期隧道底部土體超孔壓隨時間的變化曲線

圖13 長期隧道底部土體超孔壓隨時間的變化曲線

3 結論

（1）計算結果與實測結果基本符合，說明本文的模擬方法可靠，可用于計算盾構隧道施工引起的周邊土體超孔壓。

（2）隨著盾構機的推進，隧道周邊土體超孔壓逐漸增大，在盾構機到達和盾尾脫出注漿時會出現(xiàn)兩次極值，隧道附近超孔壓隨施工過程的變化非常明顯，第一極值明顯大于第二極值；較遠處差異不明顯，甚至出現(xiàn)第二極值大于第一極值的情況；隨著距離的進一步加大，如大于1 D的位置，盾構施工產(chǎn)生的超孔壓不明顯，超孔壓的變化與盾構施工過程并無明顯對應關系。

（3）盾構機離開后，超孔壓會緩慢消散，消散所需時間較長，在軟土層中125 d后隧道四周超孔壓的衰減率約為92%。

［1］ SHIRLAW J N.Observed and calculated pore pressures and deformations induced by an earth balance shield：discussion［J］.Canadian Geotechnical Journal，1995，32（1）：181.

［2］ HWANG R N，WU D J，LEE C J.Pore pressure response shield tunneling in soft clay［J］.Tunnelling and Underground Space Development，1995，18/19：33.

［3］ YI X，ROWE R K，LEE K M.Observed and calculated pore pressures and deformations induced by an earth balance shield［J］.Canadian Geotechnical Journal，1993，30（3）：476.

［4］ LEE K M，JI H W，SHEN C K，et al.Ground response to the construction of Shanghai metro tunnel-line 2 ［J］.Soils and Foundations，1999，39（3）：113.

［5］ SKEMPTON A W.The pore pressure coefficients A and B［J］.Geotechnique，1954（3）：225.

［6］ HENKEL D J.The shear strength of saturated remoulded clays［C］∥Research Conference on Shear Strength of Cohesive Soils.Colorado：ASCE，1960：533-554.

［7］ SWOBODA G，ABU-KRISHA A.Three-dimensional numerical modeling for TBM tunneling in consolidated clay［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1999，14（3）：327.

［8］ 李園.盾構施工地層變形的三維數(shù)值模擬及試驗研究［D］.天津：天津大學，2004.

［9］ 鄒春華，周順華，徐正良，等.基于位移反分析法的盾構掘進面土壓力計算［J］.中國鐵道科學，2010，31（4）：53.

［10］ 沈林沖，周順華，張金榮，等.杭州地鐵一號線穿越錢塘江工程理論與實踐［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［11］ 葉飛，朱合華，何川.盾構隧道壁后注漿擴散模式及對管片的壓力分析［J］.巖土力學，2009，30（5）：1307.

［12］ 季亞平.考慮施工過程的盾構隧道地層位移與土壓力研究［D］.南京：河海大學，2004.

［13］ 梁精華.盾構隧道壁后注漿材料配比優(yōu)化及漿體變形特性研究［D］.南京：河海大學巖土工程研究所，2006.

Modelling Research and Analysis on Excess Pore Water Pressure Caused by Shield Tunneling

ZHANG Bingqing，GONG Quanmei，ZHUANG Li

A 3D FEM method is used to simulate the excess pore water pressure on the surrounding area caused by EPB(electric park brake)shield construction,with full consideration of factors like TBM(tunnel boring machine)shell and weight，shield face pressure，tail void，jack thrust and tail void grouting.The simulation result is compared with measured data to verify the reliability of the simulation.In addition,based on the 3D FEM simulation of one layer soft soil in the medium depth tunnel construction,the distribution regularities of excess pore water pressure during tunneling is analyzed.The research shows that the excess pore water pressure changes sharply with the advance of EPB，it decreased by 92%in soft soil around the tunnel after 125 days.

shield tunneling；excess pore water pressure；three-dimensional finite element；distribution character

U455.43；U456.2

10.16037/j.1007-869x.2017.11.003

First-author′s address Guangdong Provincial Transportation Planning and Research Center，510101，Guangzhou，China

2016-02-26）