深埋盾構掘進環境擾動數值分析

周興勇

摘要：盾構隧道在建設過程中，常會受到一些環境因素的干擾從而導致一些嚴重的后果。本文利用ABAQUS建立盾構隧道掘進的數值模型，對整個施工過程進行模擬，計算盾構管片拼裝的局部受力與變形、以及整體縱向的拼裝變形，以及地層的分層沉降等，分析了盾尾里程與橫向地表沉降關系、不同施工階段橫向地表沉降規律以及盾構推進引起縱向地表沉降分析、管片變形等盾構施工擾動機理。分析結果對研究深埋盾構隧道穿越過程中隧道微擾動影響，制定施工安全技術標準，實現大深度盾構隧道安全高效施工具有一定參考價值。

Abstract： During the construction process， shield tunnels are often disturbed by some environmental factors， resulting in some serious consequences.? In this paper， the numerical model of shield tunneling is established by ABAQUS， the whole construction process is simulated. The local force and deformation of the shield segment assembly， the overall longitudinal assembly deformation， and the layered settlement of the formation are calculated. The relationship between the shield tail mileage and the horizontal surface settlement， the horizontal surface settlement law at different construction stages， the longitudinal surface settlement analysis caused by shield propulsion， and the deformation mechanism of the shield construction are analyzed. The analysis results have a certain reference value for studying the influence of tunnel micro-disturbance during the tunneling process of deep-buried shield tunnels， formulating construction safety technical standards， and realizing safe and efficient construction of large depth shield tunnels.

關鍵詞：深埋盾構隧道;地表沉降;數值模擬

Key words： deep buried shield tunnel;surface settlement;numerical simulation

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0243-04

0? 引言

隨著我國城市化進程加快，城市基礎設施建設取得了迅猛發展，盾構隧道逐步向密集和大深度方向發展，地質條件越來越復雜，盾構隧道在建設過程中，會受到一些環境因素例如上方基坑開挖、附近打樁等的干擾，會導致一些嚴重的后果，大都表現為地表不均勻沉降、地表塌陷、地層損失率過大，從而造成盾構隧道掘進過程中經常發生隧道徑向的管片拼裝有偏差的問題，因此解決掘進過程中環境因素的干擾，實現大深度盾構隧道安全高效施工具有重要意義。

目前對盾構隧道掘進環境擾動的研究通常是結合具體工程實例，深入分析掘進過程中難點并提出解決辦法。王啟東以天津地鐵站金獅大橋至天津站盾構隧道施工為例，分析了盾構尾翼施工過程中出現漏砂的破壞原因，并提出有針對性的措施，確保盾構施工安全[1]。陳驍采用有限元數值方法，以高架橋施工為工程背景，從地表變形、樁基礎變形、樁側阻力等方面對樁基特性進行了深入分析[2]。肖豐結合盾構隧道進出隧道工程建設的難點，提出了其風險控制的技術和管理措施[3]。張耕獲等針對北京地鐵4號線某盾構段地質不良地段，對工具的磨損和更換、土倉大量積水、沉降等問題進行了分析，并提出解決此類問題的方法[4]。趙繼生結合中國某市地鐵一標段工程實例，采用數值模擬的方法研究了不良地質條件下盾構隧道地表沉降規律[5]。陳孝湘等以廈門某電力入島工程為背景，選擇了目前常用的隧道施工方法即含卵石砂質粘性土層的隧道施工方法。分析并給出深埋隧道施工技術的選擇問題的施工建議[6]。趙先鵬等以深圳地鐵5號線臨海灣站盾構掘進段為例，分析了施工中的工具磨損、盾構施工過程中軸線偏移和地面沉降等問題，并提出解決方案[7]。徐前衛等進行了土壓平衡盾構掘進與切割模型試驗，研究了不同埋深、不同刀盤開度、不同土質條件下頂推力和刀盤。

本文引入數值模擬來解決隧道管片的計算問題，對深埋盾構隧道掘進環境微擾動問題進行了全面細致總結，以實際盾構機推進過程為模擬對象，模擬一環一環管片拼裝和推進過程。針對盾構機刀盤的切削以及管片的拼裝過程，考慮盾構切削與管片拼裝過程中存在的幾何大變形、材料非線性、接觸非線性等幾個方面的復雜因素，計算盾構管片拼裝的局部受力與變形、以及整體縱向的拼裝變形，以及地層的分層沉降等，分析盾尾里程與橫向地表沉降關系、不同施工階段橫向地表沉降規律以及盾構推進引起縱向地表沉降分析、管片變形等盾構施工擾動機理。

1? 工程概況

上海某隧道全長共5260m，主要采用盾構法隧道和明挖順做方式進行主體結構施工，其中盾構隧道長3390m，分東西兩線進行施工。采用一臺直徑14.93m泥水氣平衡盾構進行施工。盾構段主要埋置于上海第④、⑤、⑤1-1、⑤3、⑥、⑦1-1、⑦1-2、⑦2土層中，隧道中心埋深18m-52.2m。

2? 盾構隧道施工過程有限元分析

2.1 盾構施工過程及模擬要點

盾構的施工過程主要包括4個步驟。首先是對開挖面進行開挖，此時應注意對周圍土體的擾動。接下來是盾構機尾部的管片拼接，此時要注意，一般用6-8塊管片襯砌一次，常規的襯砌環厚度在0.5-1.2m。再接下來是在盾構機尾部進行注漿，此時注漿主要是為了填充盾構尾部和土體之間的縫隙同時對襯砌起到防滲的作用。最后就是不斷重復上述的步驟，隨著開挖面的深入，重復之前的操作，直到隧道施工完成。

基于盾構施工過程的復雜性的綜合考慮，具體盾構施工過程數值模擬的要點主要有以下幾個方面：

①首先要建立一個初始的地應力場，本文地面超載，因此只考慮自重應力場;

②由于漿體是由液態逐漸硬化，但液態難以模擬，因此建立等效層、布置等效均布力來模擬盾尾注漿過程;即在挖掉土體后形成隧道洞室的土體和襯砌單元面上分別施加均布壓力;

③建立特殊結構—等代層，讓一些不易體現的外部因素的影響可以在計算中量化體現;

④為了反映出施工過程不連續的特點，可以改變單元材料的類別，進而采用剛度遷移法來考慮。

2.2 參數的選取

根據數值仿真需要，考慮到隧道底部高水壓作用，同時根據各段土層液性指數，對液性指數接近或是大于1的土體，按照有效重度進行計算;將注漿材料采用非線性彈性模型。由于隨著水合作用的發生，注漿材料從液體變化固體，其物理形態發生一定改變，為了簡化模型計算，將楊氏模量按照一定規律變化，來近似描述注漿材料層的非線性材料屬性其變化規律。材料參數詳見表1和表2。

2.3 模型建立

根據實際隧道空間曲線形狀以及土層分布的非均勻性，建立土層和待開挖隧道的空間幾何有限元模型圖。在綜合分析計算效率和實際隧道開挖的最大影響范圍的基礎上，將整條隧道分成若干段進行重點分析，當盾構穿越不同地層時，通過更改地層土體參數，經過不同的施工參數設置的思路來建立，一方面可以簡化重復建模的繁瑣過程，減少工作量，另一方面可以對多種不同工況進行對比分析。

所建立的模型的基本尺寸為：深度方向（Y向）59m，沿在建隧道方向（Z方向）70環，分析601環-628環;垂直在建隧道方向69m（X向）。盾構管片外徑8.5m，內徑7.7m，環寬1.6m，管片厚400mm。以實際開挖一環作為一個載荷進行迭代計算。總共需要計算的載荷步約為125步左右，單元總數：29540;節點總數：32108。隧道建成后的有限元計算模型及管片構造的整體模型如圖1所示。其中隧道管片、注漿層等都以實體單元建模，盾殼以殼單元建模。管片單元以線彈性材料處理，模型側面為位移邊界，限制水平移動，底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動，模型上面為地表，取為自由邊界。

3? 計算結果與分析

3.1 盾尾里程與橫向地表沉降關系

選取K=0.5-K=0.7時的第12.8m處橫向地表沉降為研究對象。圖2-圖4分別為為K=0.5、K=6、K=7時施工至12.8m處和25.6m處第12.8m處第3環、第6環、第9環、第12環處橫向地表沉降曲線。分析可知施工至25.6m的橫向地表沉降變化規律與12.8m處的曲線類似，隨著盾構的不斷推進，其橫向地表沉降不斷減小，沉降變化幅度也呈減小的趨勢;橫向地表的沉降量隨著盾尾里程的增加，而不斷減小，這是由于，埋深的增加使得盾構對地表位置處的擾動影響減小，因而產生的沉降值較小。

此外不難發現，K值的不同，其橫向地表沉降與盾尾里程的關系基本相同，主要差別在于沉降量的大小以及變化幅度出現最大位移量的位置由于盾構埋深的變化而不斷向盾構掘進面前方移動，隨著埋深的增加（通過調整K的值反映埋深的變化），盾構掘進對地表沉降的影響逐漸減小，地表沉降的增加幅度也相應減小。

3.2 不同施工階段橫向地表隆沉規律

圖5所示為盾構不同階段下第8環地表橫向沉降曲線。可得知隨著盾構掘進的不斷推進，盾尾穿越離開后對橫向地表變形的影響達到最大，但由于同步注漿施工對隧道四周的加固作用，穿越后期地表沉降的增長幅度逐漸減小。隨著埋深的逐漸增加，盾構穿越后期產生的地表沉降逐漸減小，這是由于盾構隧道覆土埋深的增加，隧道開挖產生的應力釋放對于地表位置的影響十分有限。但橫向地表沉降仍呈正曲線性態分布，沉降槽寬度也有所增加。

3.3 盾構推進引起縱向地表隆沉分析

圖6為不同掘進深度地表縱向沉降曲線。可以發現，隨著盾構的推進，盾構前方產生的沉降較小，而盾構后方沉降由于受到同步注漿等加固措施的作用，沉降逐漸減小并趨于穩定且在開挖至16m位置時，其施工產生的縱向沉降較開挖至8m時大，兩者縱向沉降變形規律相近。

隨著埋深的增加，由于土拱作用范圍的增大，可以有效抑制破壞朝地表發展。因而其產生的地表沉降非常小，而在相同埋深條件下，隨著開挖的推進沉降槽寬度也逐漸減小直至消失，可以推斷，在盾構遠離到一定里程后，此時產生的地表沉降幾乎可以忽略不計。

4? 結束語

本文通過建立盾構隧道掘進的數值模型，分析了盾尾里程與橫向地表沉降關系、不同施工階段橫向地表沉降規律以及盾構推進引起縱向地表沉降分析等盾構施工擾動機理。隨著盾構的推進，地表沉降值的變化幅度呈現逐漸減小的趨勢，橫向地表的沉降量隨著盾尾里程的增加，而不斷減小，盾尾穿越離開后對橫向地表變形的影響達到最大。隨著埋深的增加，可以有效抑制破壞朝地表發展。可以推斷，在盾構遠離到一定里程后，此時產生的地表沉降幾乎可以忽略不計。

參考文獻：

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[3]肖豐.盾構法隧道進出洞施工安全的風險管理-以上海軌道交通13號線世博園站～長清路站區間為例[J].施工技術， 2011，12：163-164.

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[5]趙繼生.不良地質條件下盾構法施工隧道地表沉降規律研究[J].橋梁與隧道工程，2012，3：127-129.

[6]陳孝湘，王賢燦，楊巡鶯.殘積砂質黏性土層中隧道施工工法的比選分析[J].施工技術，2010，12（39）：278-280.

[7]趙先鵬，張恒，陳壽根，等.盾構穿越軟硬不均地層技術研究[J].施工技術與測量技術，2010，30（6）：191-193.