地鐵盾構施工引起地表沉降特征與規律研究

葛瑞雪，于廣明

(青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033)

盾構法施工過程中不可避免造成土層擾動，引起施工區域地表產生不均勻沉降，既而影響周邊建、構筑物的使用，嚴重時危及人民群眾的安全。

目前，已有很多學者通過數值模擬方法研究盾構施工過程中引起的地表沉降變化規律。王敏強等[1]通過有限元軟件分析在某特殊地層中使用盾構開挖引起地表沉降變形規律。馮慧君[2]基于FLAC3D軟件依托天津地鐵某盾構區間實例建立隧道掘進過程的有限元模型，得到前序次開挖隧道對后序次開挖隧道的拱頂沉降和地表沉降均存在疊加效應影響。李鴻博[3]結合ANSYS和FLAC3D軟件研究了盾構隧道開挖過程的時空效應對地表沉降的影響規律。閆國棟等[4]使用FLAC3D有限元軟件分析盾構法下穿圍巖和埋深不同下對地表沉降和建筑變形的影響。滿孝林等[5]研究隧道開挖中使用盾構法與非盾構法引起地表沉降的變形影響，通過Midas軟件依托實際區域地層進行建模對比分析，得出盾構法施工引起的上方土層擾動變形最小。賀美德等[6]運用有限元分析盾構施工引起周邊建筑物的結構沉降和基礎傾斜情況，得出了盾構施工到達建筑物前后對建筑物變形的影響規律。楊俊龍[7]利用三維有限元分析方法，在分析盾尾注漿壓力影響的基礎上，考察了隧道施工過程中產生的水平位移及地表沉降，通過現場測試，得出實測水平測斜及地表沉降均在允許范圍之內,表明通過控制盾尾注漿力來控制水平位移及地表沉降的有效性。因此，研究盾構施工中引起的地表沉降變化特征及規律具有重要的實際意義，只有合理預測盾構施工中的地表沉降，才能保證施工周圍環境的安全性。

依托某市軌道交通九號線某區間工程，采用Midas GTS有限元分析軟件進行建模，建立監測點，分析在多個開挖步驟下監測點的沉降量，總結變形規律，為后期施工提供相應參考依據。

1 工程概況

該擬建區間里程YCK11+722.405～YCK12+436.941段為TBM施工段，經地面地質調查和鉆孔揭示，該段主要為素填土，下伏侏羅系中統沙溪廟組砂質泥巖。水文地質條件簡單，下伏基巖裂隙較發育，地下水主要為松散層孔隙水及基巖裂隙水。區間隧道設計為單心圓斷面，隧道外徑為6.5m，擬采用管片襯砌。其材料力學參數如表1所示。

表1 模型材料物理力學計算參數

2 模型建立

模型大小取30m(長)×24m(寬)×30m(高)，對地層中各層巖土材料按各向同性考慮，采用摩爾-庫倫屈服準則，由于水文地質條件簡單，因此在建立模型時不考慮地下水的影響。隧道圓周半徑2.9m，頂點至頂邊距離8.3m。整個盾構施工過程分10步模擬，每步掘進尺寸為兩個管片環寬2.4m，計算模型如圖1所示。目標測點設定在模型頂面中心點位置處，監測點共5個，其具體布置如圖2所示。

圖1 有限元計算模型

圖2 測點位置布置圖

3 計算結果分析

3.1 盾構過程中地表沉降位移云圖

本模型整個施工過程分為10個施工階段，選取每4.8m掘進長度為分析要點，選用其中5個施工段進行沉降研究，圖3～圖7是5個施工段的位移云圖。

通過圖3～圖7可知，在施工中拱頂處產生最大沉降，且沿隧道中心線向兩側沉降逐漸減小，在隧道橫斷面處會形成沉降槽，隨著開挖的進行，隧道底部逐漸出現隆起現象。盾構掘進4.8m時對應的最大沉降值為2.21mm，掘進到9.6m時對應的最大沉降值為2.62mm，掘進到14.4m時對應的最大沉降值為2.71mm，掘進到19.2m時對應的最大沉降值為2.83mm，掘進到24m時對應的最大沉降值為3.01mm。因此，在盾構施工過程中，拱頂處的最大沉降值隨著盾構掘進距離的增加而增大。

圖3 第2步開挖(掘進4.8m)

圖4 第4步開挖(掘進9.6m)

圖5 第6步開挖(掘進14.4m)

圖6 第8步開挖(掘進19.2m)

圖7 第10步開挖(掘進24m)

3.2 盾構過程中監測點處的地表沉降分析

根據圖2標記的測點位置，在表1中記錄每個開挖步監測點的變形值，并制作沉降變化趨勢圖，如圖8。

表1 各開挖步下監測點的位移變形量(單位：mm)

圖8 測點沉降變化趨勢圖

在不考慮模型初始位移的情況下，每個施工階段中測點1～5處的位移變形均呈現出沉降的變化趨勢。測點3位于模型上頂面的中心點處，距前、后兩面均為12m；測點2、4距測點3為4.8m，距前、后兩面均為7.2m，測點1、5距前后兩面均為2.4m，初始掘進階段中，測點的沉降量均較小，測點1的沉降速率最大，測點4和測點5的沉降變化最慢；當隧道盾構施工到一半時，剛開始的測點1沉降變化逐漸平穩，沿盾構掘進方向的測點4和測點5沉降變化速率逐漸增大；直到盾構施工將要完成時，測點1的相鄰施工階段的沉降差幾乎穩定，各測點均達到掘進過程中的最終沉降狀態，測點5的地表沉降量最大。

4 結論

依托某市軌道交通九號線某區間工程，采用Midas GTS軟件分析盾構施工引起的地表沉降特征及目標測點點位在各個施工階段的變形沉降過程，得到以下結論：

(1)盾構施工過程中產生的豎向位移，在隧道拱頂處主要表現為沉降，在隧道拱底處表現為隆起。

(2)拱頂處的最大沉降值隨著盾構掘進距離的增加而增大。本實例模擬中，掘進達到24m時對應的最大地表沉降為3.01mm。

(3)初始掘進階段中，測點的沉降量均較小，測點1的沉降速率最大，隧道盾構施工到一半時，測點4和測點5沉降變化速率逐漸增大，直至施工結束，各測點沉降值達到穩定。