地鐵盾構隧道施工對地層變形影響的三維數值模擬

王忠昶，王熙文，唐靜

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

地鐵隧道施工的方法主要有明挖法、蓋挖法、沉管法、傳統礦山法、新奧法、盾構法、TBM法等[1].其中通過盾構機掘進來實現隧道開挖、排土、襯砌拼裝的盾構法[2- 5]，憑借其施工安全、工期短且對環境影響小的特點，已成為隧道施工的首選[6- 7]，但盾構法仍存在盾構推進造成周邊地層擾動的問題[8- 9]，地鐵施工過程中要對地層變形和地面沉陷高度警惕，盾構施工應控制地面沉降處于可控范圍，控制地面沉降是城市地鐵施工當中的熱點研究問題.

本文以南京地鐵玄武門—新模范馬路區間盾構隧道為背景，考慮盾構隧道施工中的開挖、排土、襯砌等工序，采用FLAC3D軟件建立了盾構隧道開挖的三維數值計算模型，分析隧道盾構施工引起的地層沉降變形規律.

1 工程概況

南京地鐵玄武門—新模范馬路盾構區間隧道，起始里程為K11+591.899，終止里程為K12+422.189.盾構隧道線路的坡形為V形坡，最大縱坡30‰.隧道埋深8.0～14.5 m.隧道位于中央路下方，中央路屬于主干道，地面交通繁忙，道路兩側和正上方建(構)筑物較多.在盾構施工過程中需要嚴格控制地層沉降，確保地面交通正常運行以及周圍環境的安全.盾構隧道所處地層主要為淤泥質粘土、粉質粘土和粉細砂土.盾構機掘進參數：掘進上部土壓力為0.13～0.21 MPa，下部土壓在0.19～0.28 MPa之間，速率為60 mm/min，尾部注漿壓力為0.25 MPa，注漿量3.2 m3/環.

2 數值模擬隧道盾構施工

2.1 模型建立

采用FLAC3D軟件，針對城市盾構法施工隧道建立三維數值模型，如圖1[10].隧道襯砌結構外徑6 m，內徑5.4 m，隧道埋深為13.8 m.考慮到隧道左右對稱性，取1/2模型進行計算.模型36 m×60 m×37.8 m(X×Y×Z)，平行隧道橫斷面水平向為x軸，豎向為z軸，沿隧道軸線推進方向為y軸.

圖1 盾構隧道數值計算模型

模型共劃分21 200個單元.考慮地面超載，計算過程中地面施加20 kPa的均布荷載.

2.2 盾構推進模擬

盾構推進前需先通過對模型施加重力荷載來計算土體初始自重應力場，然后將土體自重引起的位移清零，方可進行下一步的盾構推進.隧道盾構推進模擬的步序為：

(1)掌子面開挖土體，施加掌子面壓力(模擬土倉壓力作用)，調整盾殼和超挖地層的計算參數；

(2)計算開挖到盾尾長度，盾尾調整盾殼參數為注漿參數(2.4 m范圍)，施加環向壓力(模擬注漿壓力作用)，調整二襯結構參數；

(3)繼續開挖，調整注漿體參數，刪除環向壓力.

2.3 數值計算參數的選取

土體采用彈塑性模型.遵循摩爾庫倫屈服準則，注漿體、管片、超挖間隙采用彈性模型，具體參數見表1.

表1 盾構區間土體及管片的力學參數

3 計算結果及分析

3.1 隧道開挖的地層變形分析

圖2給出了隧道不同掘進距離時的地層沉降云圖，由圖可見，隧道掘進過程中，地層沉降存在明顯的時間效應，盾構始發端的地層沉降較大.盾構掘進30 m時，地層最大沉降變形為27.74 mm，發生在隧道拱頂注漿體上部；最大隆起值為28.97 mm，發生在隧道仰拱部位.盾構隧道掘進貫通時，地層最大沉降變形為35.28 mm，同樣發生在隧道拱頂注漿體上部；最大隆起值為28.75 mm，發生在隧道仰拱部位.隧道掘進超過30m時，后續沉降值為7.54 mm，后續沉降占最大沉降變形的21.4%.

(a) 隧道掘進30 m (b) 隧道貫通

圖2隧道不同掘進距離時的地層沉降云圖

圖3給出了隧道不同掘進距離時的地層水平變形云圖，由圖可見：隧道開挖過程中，受注漿壓力的影響，隧道側面地層出現偏離隧道的水平變形，上下45°方向的地層出現偏向隧道的水平變形，角度主要與地層參數有關.隧道掘進30 m時，側向水平變形最大正值為19.00 mm，斜向最大水平變形負值為4.41 mm.隧道貫通時，最大側向正水平變形為22.68 mm，斜向最大水平變形負值為5.87 mm.

(a) 隧道掘進30 m (b) 隧道貫通

圖3地層的水平變形云圖

圖4給出了隧道不同掘進距離時的縱向變形云圖，由圖可見：由于掌子面壓力的存在，掌子面前方出現不同程度的土層壓縮變形，出現偏向地面的趨勢，最大壓縮變形為20.86 mm，掌子面上部比下部壓縮變形大.隧道貫通時，地層縱向最大變形9.61 mm，最大變形區域為隧道拱頂部位.

(a) 隧道掘進30 m (b) 隧道貫通

圖4隧道不同掘進距離時的縱向變形云圖

3.2 地層橫向變形規律分析

圖5給出了不同埋深時的地層沉降曲線，由圖可見：隨著地層埋深的增加，隧道中心最大沉降值逐漸增大，沉降速率逐漸增大；同一地層中距離隧道軸線水平距離越遠，沉降值越??；隨著地層埋深的增加，沉降槽寬度逐漸減小.

圖5 不同埋深地層的沉降曲線

圖6給出了隧道不同進尺時的地表和拱頂沉降曲線.由圖6(a)可見：盾構機向前推進過程中，地表沉降隨之增大.當監測點處恰好處在開挖掌子面時，地表最大沉降最大值為4.12 mm，盾殼通過后地表沉降最大值為9.07 mm，注漿體凝固后地表沉降最大值為10.26 mm，地層變形穩定后地表沉降最大值為15.28 mm，各階段沉降占比分別為27.0%，32.4%，7.8%，32.8%，通過管片壁后注漿能夠顯著減小此階段的沉降占比.由圖6(b)可見：當盾構刀盤到達監測點位時，隧道拱頂沉降為0.9 mm，拱頂部位因為掌子面土倉壓力的施加，拱頂出現明顯隆起.盾殼通過后拱頂最大沉降為19.3 mm，注漿體凝固后拱頂最大沉降為22.6 mm，地層變形穩定后拱頂最大沉降值為29.0 mm.

(a) 地表沉降

(b) 拱頂沉降

3.3 地層縱向變形規律分析

圖7給出了Y=30 m斷面的地層縱向沉降云圖，圖8給出了Y=30 m斷面不同埋深監測點的沉降歷時曲線(圖中右側從上到下埋深分別為0、4、8、12和13.65 m).由圖可見：隨著地層埋深的增加，地層沉降值逐漸增大.地層沉降歷時曲線呈現出反“S”形，盾構掌子面前方土體出現少量的隆起變形，隨著盾構機的掘進施工，在掌子面處，地層沉降變形急劇增加，并逐漸趨于平緩.從圖中可以看出，盾構施工對拱頂土體的擾動作用明顯比地表的擾動作用明顯，越靠近地表，擾動作用越小.盾構機對地層的擾動作用具有明顯的時間效應，地表的沉降變形明顯早于拱頂的沉降變形.

圖7 Y=30 m斷面地層縱向沉降云圖

圖8 不同埋深監測點沉降歷時曲線

4 結論

本文以南京地鐵玄武門—新模范馬路區間盾構隧道為研究對象，采用FLAC3D軟件建立了三維數值計算模型，模擬隧道盾構法施工對地層變形的影響，分析隧道盾構施工引起的地層沉降變形規律，得出以下結論：

(1)在隧道掘進過程中，地層沉降具有明顯的時間效應.同時地層的最大沉降、最大隆起分別出現在隧道拱頂注漿體上部及隧道仰拱部位；

(2) 盾構隧道施工誘發的地層橫向沉降變形，隨著地層埋深的增加，最大沉降值逐漸增大，沉降槽寬度逐漸減小.掌子面壓力的存在，使掌子面前方出現不同程度的土層壓縮變形，較好的控制了掌子面的穩定.壁后同步注漿，造成隧道周圍側向地層出現一定的壓縮變形；

(3)盾構機向前推進過程中，地表沉降也隨之增大.當監測點處恰好處于開挖掌子面上時，地表沉降達到最大，最大值為4.12 mm，盾殼通過后地表沉降最大值為9.07 mm，注漿體凝固后地表沉降最大值為10.26 mm，地層變形穩定后地表沉降最大值為15.28 mm，各階段沉降占比分別為27.0%，32.4%，7.8%，32.8%，說明通過管片壁厚注漿，能夠顯著減小此階段的沉降占比；

(4)地層沉降歷時曲線呈現出反“S”形，盾構掌子面前方土體出現少量的隆起變形，隨著盾構機的掘進施工，在掌子面處，地層沉降變形急劇增加，并逐漸趨于平緩.盾構施工對拱頂土體的擾動作用明顯比地表的擾動作用明顯，越靠近地表，擾動作用越小.盾構機對地層的擾動作用具有明顯的時間效應，地表的沉降變形明顯早于拱頂的沉降變形.

參考文獻：

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