盾構法開挖地鐵聯絡通道對地表沉降的影響研究

孫龍飛 陳振雷 李堅成

（寧波大學 海運學院，浙江寧波 315211）

0 引言

為了緩解城市的公共交通壓力，地鐵由于其運量大，排放低的特點而成為了綠色交通的代表。地鐵隧道之間的聯絡通道作為地鐵列車故障時人員逃生的救生通道，已經被運用到工程實際上[1-5]。凍結法作為一種有效的聯絡通道開挖施工方法，許多專家學者對此進行了大量深入地監測與研究[6-11]，但存在的問題是該方法凍結土層需要大量的時間和成本，且凍結對土體加固是臨時性質的。

由于凍結法等開挖施工方法的效率較低，成本較高且局限性強，因此人們也一直在探究更有效的方法。而盾構法作為軟土地區地下隧道施工的一種常用工法，由于施工方便、高效、安全等特點，逐漸被應用到地鐵、公路和鐵路工程中。

世界首條盾構法聯絡通道已被運用到寧波地鐵聯絡通道的開挖上。盾構法挖掘地鐵聯絡通道變為現實，但對于施工過程中引起軟土地層移動和地表沉降的原因及機理，人們還缺乏足夠的認識和工程實踐經驗積累，正在進行深入研究，包括試驗測試與數值仿真。K.M.Lee和R.K.Rowe[12]發展了一種三維彈塑性有限元法用來模擬施工工序、隧道位移及應力狀態對地面沉陷的影響；易宏偉和孫 鈞[13]對上海地區軟土盾構隧道不同受力階段以及地表沉降的次結固問題進行了有限元分析；張志強等[14]建立了模擬盾構機（包括剛度、自重和推力）前行掘進隧道的三維有限元模型，并應用在南京地鐵隧道工程。目前學者所做的盾構法挖掘隧道的仿真分析很多都缺少測試數據的驗證，對盾構法開挖地鐵聯絡通道的研究也相對較少，利用測試與仿真相結合的方法來分析施工過程引起地表沉降的研究更需要進行深入研究。

本文以寧波軌道交通3號線某區間的地鐵聯絡通道開挖為例，通過對盾構法聯絡通道施工全過程沉降監測、數值模擬及測試與仿真的標定分析，形成了一套真實、可靠、先進的仿真流程，可為聯絡通道后續沉降監控及其它聯絡通道施工過程的沉降預測提供支持。

1 工程概況

該聯絡通道連接寧波軌道交通3號線的兩條地鐵隧道，是國內貫通的首條盾構法聯絡通道，同時也是世界上首條采用盾構法施工的軌道交通聯絡通道。

1.1 聯絡通道概況

作為兩條地鐵隧道間的聯絡通道在目前的軌道交通中有著非常重要的作用。寧波地鐵聯絡通道總體上屬于對稱結構（見圖1）。左右兩個地鐵隧道為環寬為1.5 m 的三環混合管片構成，其中隧道管片及聯絡通道管片的厚度分別為350 mm和250 mm。整個聯絡通道包括始發段及接收端各兩環鋼管片，中間為19環鋼筋混凝土管片。鋼結構包括環梁和隧道鋼管片。各個管片間都是通過彎螺栓連接而成，鋼結構中接縫部分通過焊接進行拼接。

圖1 地鐵隧道聯絡通道總體結構圖

1.2 施工方法

綜合考慮技術的發展和地鐵聯絡通道穿越土層的性質，本次工程采用盾構法進行聯絡通道的施工。在施工時，采用盾構法挖掘推進并支護，在推進的過程中逐步完成管片襯砌。襯砌管片間分別通過環向和縱向彎螺栓連接，襯砌為通縫拼裝。

2 仿真模擬

為了解聯絡通道的開挖對地表沉降的影響規律，為后續聯絡通道開挖提供指導性意見，本文進行了地鐵聯絡通道施工過程的仿真模擬及其與測試的標定研究。

2.1 計算模型與邊界條件

該聯絡通道長17 m，隧頂埋深12.3 m。計算模型的上邊界取至地面，下至隧道中線以下15.4 m。沿隧道縱向取3環長度，即4.5 m，橫向邊界取至距離隧道中線41.25 m的位置。據此，有限元模型尺寸為82.5 m×4.5 m×30.8 m。整體模型由整個地鐵聯絡通道及其外表土層組成，包括160350個節點，108812個二階四面體單元。地鐵聯絡通道有限元模型包含兩端隧道部分的鋼結構和鋼筋混凝土管片，兩端各2環鋼管片，以及聯絡通道中間部分的混凝土管片，其中將隧道部分的鋼筋混凝土管片簡化成一個整體，鋼結構中的環梁和2環鋼管片簡化成一個整體，鋼結構中的隧道鋼管片簡化成一個整體。綜合考慮實際施工的逐步開挖和襯砌過程及有限元計算的收斂性，將聯絡通道19環混凝土管片分為三部分，按從右到左順序分別是6環、7環、6環混凝土管片。模型底部采用固定約束，其它側面都約束對應法向位移，上表面地面為自由邊界。荷載考慮地應力及開挖和支護等作用，其有限元模型見圖2。

圖2 地鐵聯絡通道有限元模型

2.2 材料屬性

聯絡通道襯砌塊主要為鋼管片及鋼筋混凝土管片，其各項機械性能參數如表1，其中鋼筋混凝土的彈性模量是根據鋼筋和混凝土的配筋率折算得到的。

表1 材料的力學性能參數

2.3 施工過程的模擬與仿真分析

（1）施工過程模擬

仿真過程應用摩爾-庫倫本構關系進行模擬，采用衰減模量法模擬隧道應力釋放。首先完成隧道開挖前的地應力平衡計算（初始工況），然后模擬隧道開挖并鋪設隧道管片（工況一），再逐步按聯絡通道施工過程分多個工況支護、開挖及管片鋪設（工況二至工況七）。開挖過程各工況的具體介紹如表2所示，具體進程尺寸見圖3。

表2 開挖工況

圖3 模擬聯絡通道施工過程的工況圖

（2）各工況的仿真分析

首先是初始工況，進行地應力的平衡計算。對于隧道及地下工程，初始應力場的平衡與否直接影響到后續分析步應力結果的準確性。在大多數地下工程分析中，巖土體的初始應力場即為自重應力場，其豎向應力隨深度線性變化，豎向應力和水平應力分別為：

式中：γ為平均重度；k0為靜止側壓力系數：

式中：μ為側膨脹系數。

本文研究的實際工程所在地土層主要為黏土，計算中黏土的γ取17.5 kN/m3，μ=0.34，k0=0.52。

在表2各開挖工況的計算中，考慮計算效率、收斂性及盾構機在聯絡通道開挖過程中的特殊作用（既占有一部分已經開挖但尚未襯砌管片的空間，又同時對該位置有支護作用），本次仿真將每個工況分成3個分析步，即土體彈性模量的衰減、管片的襯砌及土體的開挖。土體彈性模量先衰減40%，接著激活聯絡通道管片單元，將管片襯砌上去，最后是徹底將土體去除。各工況都以這三個分析步進行計算，直到聯絡通道挖通，管片襯砌完畢。

3 結果與討論

3.1 聯絡通道開挖橫向測點的沉降位移監測

沿著聯絡通道開挖方向—橫向各位置的沉降位移是整個施工進程需要關注的，因此在聯絡通道中心位置布置地表位移監測點，并以中心位置左右對稱各分布4 個測點，與中心位置距離分別為6 m、2.5 m、5 m、5 m。測點號從右至左分別為D5-1～D5-9共9個監測點，見圖4。

圖4 地表沉降監測點分布俯視圖

地表沉降監測跟隨整個施工及加固過程，直至聯絡通道建設完成。圖5為各工況下監測點的地表沉降位移變化曲線。由于本文主要討論盾構法開挖地鐵聯絡通道的施工對地表沉降的影響，因此主要考慮和討論工況二至工況七。

圖5 各工況下監測點的地表沉降位移變化曲線

由圖5可見在各工況下，沉降沿橫向為一漏斗形曲線，在聯絡通道正上方地表沉降最大，最大沉降量為21.1 mm，聯絡通道中心向兩側地表沉降逐漸減小。

3.2 聯絡通道開挖豎向位移CAE結果分析

（1）各工況結果分析與比較

根據實際施工工況進行了模擬開挖過程的仿真計算，分別得到了工況二至工況七的計算結果。圖6為所計算的其中一個工況（工況三）的位移云圖。圖中顯示是工況三完成時地表位移的變化規律，在中間測點D5-5處的沉降位移最大為7.73 mm，其它工況的計算結果變化規律與工況三類似。

圖6 聯絡通道在工況三完成時地表沉降云圖

表3為工況三下各測點仿真結果與測試結果的對比。通過對仿真模型上的各測點對應的實測位置繪制各工況的沉降位移曲線，得到各工況下仿真與測試橫向各測點的沉降位移對比曲線，見圖7。

表3 工況三下各測點仿真結果與測試結果的對比

通過各個工況下仿真結果與測試結果對比分析可見，聯絡通道開挖各工況下橫向各測點沉降位移與測試結果基本趨勢保持一致。雖然橫向各測點是圍繞聯絡通道地表中點（D5-5）左右對稱分布，且兩端都有臺車支撐，但是沿開挖方向先開挖的位置（D5-1～D5-4）還是在各工況下產生了相對更大的沉降幅值。

圖7 各工況下橫向測點仿真與測試沉降位移對比曲線

在工況二到工況四的施工進程中，即聯絡通道開挖并逐步完成始發端環梁和鋼管片的襯砌，一直進行到十三環混凝土管片都鋪設完畢時，沉降幅值都相對較小，中間部分的監測點的沉降值大于兩邊，沉降變化曲線相對較緩和。當聯絡通道土體開挖貫通時（工況五），地表橫向各測點沉降幅值大量增加，沉降曲線變化較劇烈。但隨著工況六和工況七的進行，橫向各測點沉降幅值增大不再明顯，沉降逐步趨于穩定狀態。

（2）典型點沉降結果分析與比較

以下是以在聯絡通道開挖線中央上部地表測點D5-5為例進行仿真與測試的對比分析。圖8為該點沉降位移隨開挖工況（時間）變化的仿真與測試結果對比。結果顯示監測點D5-5的沉降位移變化趨勢整體呈現增大的趨勢，工況四和工況五的進程讓沉降幅值加速增大，工況五之后趨于平緩，仿真結果與測試結果趨勢較為一致。

圖8 定點沉降位移隨開挖工況（時間）變化的曲線

由此可見，隨著盾構機開挖聯絡通道，雖然土體有開挖流失，但由于接收端臺車支撐和接收端環梁鋼管片鋪設，地表沉降增大的比較緩慢。當開挖進行到工況四和工況五時，聯絡通道內部大量的土體開挖流失讓沉降幅值加速增大，并在土體完全開挖貫通時幾乎達到沉降最大值。但隨著管片結構都鋪設完成，沉降也逐步平緩，并最終趨于穩定。

盡管由于實際測試的誤差以及數值模擬在模型建立、材料參數選取、邊界條件等方面的近似處理等原因，致使仿真結果與實測數據沒有完全吻合，但是以上仿真結果的變化規律與實測數據變化規律保持一致，且數值較為接近?？傮w而言，聯絡通道施工過程位移沉降的模擬基本反映了實際施工開挖過程，且此仿真流程可用于后續聯絡通道施工過程的監測與細部結構的應力應變子結構分析。

4 結論

本文對地鐵聯絡通道盾構法施工的全過程進行了仿真模擬，并與實際監測數據進行對比分析，兩者結果基本吻合。主要得出以下結論：

（1）對盾構地鐵聯絡通道施工過程進行仿真模擬，并成功完成了地表沉降仿真結果與實測數據的對比標定，驗證了仿真流程的準確性。

（2）聯絡通道施工過程各工況下，橫向的地表沉降呈U 型，即聯絡通道正上方沉降最大，兩邊沉降逐漸減小，沉降最大值為21.1 mm。

（3）隨著聯絡通道開挖的進行，地表沉降逐步增大，而在聯絡通道土體開挖貫通時的危險工況需要特別關注，此時沉降幅值幾乎已經達到最大值。然后隨著所有管片結構的鋪設完成，結構達到平衡，地表沉降逐步變緩并最終趨于穩定。

（4）本文所建立的分析流程可為后續地表沉降監控及其它聯絡通道施工過程的沉降預測提供分析數據。