盾構掘進全過程的地層擾動數值模擬方法及應用

李志文 袁霄雷

摘要：合理地選擇模擬盾構掘進全過程的地層擾動數值模擬方法是一個難題。本文依托工程背景為福州地鐵5號線建新南路至鳳山路站區間盾構下穿地下通道過程中的地表變形、地表縱向沉降槽和橫向沉降槽，分別采用應力釋放法和位移控制法進行了研究對比分析研究。研究結果表明，盾構施工數值模擬的研究中，隧道開挖部分土體卸荷效應的研究至關重要，先前學者大多采用應力釋放法對開挖面進行處理，對于開挖面反向節點力的施加基于開挖面水土壓力的計算，而本文采用的周邊位移控制法將實際工程施工中盾構機體與刀盤的間隙，以及盾構機體與盾尾管片的間隙考慮進來，提高了盾構施工數值模擬研究的準確性。

Abstract： It is a difficult problem to reasonably select the numerical simulation method of stratum disturbance to simulate the whole process of shield tunneling. Based on the engineering background of the surface deformation， the surface longitudinal settlement trough and the lateral settlement trough during the shield tunneling from Jianxin South Road to Fengshan Road Station of Fuzhou Metro Line 5， the stress release method and the displacement control method are used respectively to make comparative analysis and research. The research results show that in the study of the shield construction numerical simulation， the study of the unloading effect of the part of the tunnel excavation is very important. The previous scholars mostly used the stress release method to deal with the excavation surface， and the reverse nodal force of the excavation surface is based on the calculation of water and soil pressure on the excavation surface. The peripheral displacement control method adopted in this paper takes into account the gap between the shield body and the cutter head in the actual engineering construction， and the gap between the shield body and the shield tail tube， which improves the accuracy of numerical simulation research on shield construction of structures.

關鍵詞：盾構掘進;地層擾動;數值模擬;方法及應用

Key words： shield tunneling;formation disturbance;numerical simulation;methods and applications

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0141-04

0? 引言

軟弱地層條件下盾構掘進施工引起地表的變形沉降無法避免，因此制訂專業的施工參數優化方法是確保穿越結構物安全的必要手段。盾構掘進施工主要應用于相對軟弱的地層，盾構推進參數經常需要調整以適應地層條件的變化。由于繁華城區對于地層變形控制要求極為嚴格，需要對盾構作業掘進參數進行精確控制，客觀上需要提高盾構施工對地層擾動變形規律預測的精準度。本文運用采用應力釋放法和位移控制法來模擬模擬盾構掘進土倉壓力，進一步對研究結果進行分析比較，為盾構掘進全過程的地層擾動數值模擬方法研究提供理論參考和實操經驗。

1? 工程概況

福州地鐵5號線2標建新南路至鳳山路站區間，建新南路站～鳳山路站下穿長364.06m的盤嶼路地下通道，地下通道為南北走向雙向四車道車道，上方為東西走向兩車道，地下通道起點里程YCK24+352.87，終點里程YCK24+716.93，底部標高-1.23m，距盾構區間最小凈距10.16m，底板以下分別為淤泥（厚11～16m）、粉質黏土層（13～15m）、淤泥質土（0～3m）、粉砂（2～10m），地下水位-1.5～-4m。盾構掘進主要位于粉質黏土及粉砂層。（圖1）

盤嶼地道樁基采用φ800旋噴樁加固，樁端距隧道頂板距離小于2m，進入盾構區間二次注漿加固范圍1m。其圍護結構為Φ1000鉆孔灌注樁，樁長18m，樁底標高-12m;Φ600旋噴樁，樁長12m，樁底標高-6m;Φ800鉆孔灌注樁，樁底標高-13m;鋼板樁樁長15m，樁底標高為-9m。（圖2）

地道底部軟基處理為高壓旋噴樁復合地基，樁底標高-10.5m與盾構機下穿靜距小于3m。區間左線從盤嶼路地道立柱樁間下穿，立柱樁為直徑800mm鉆孔灌注樁，樁底標高-13m，隧道最小凈距為4.4m。區間右線側穿盤嶼地道圍護結構，圍護結構為直徑1000mm鉆孔灌注樁，樁長18m，樁底標高-12m，區間距其2.4m。

2? 應力釋放模擬方法分析

盾構掘進數值模擬研究中，大部分學者[1-2]采用應力釋放方法來模擬盾構掘進土倉壓力。盾構掘進數值模擬開挖時考慮T1的卸載效應，由于T1的加載和約束作用，在T2中形成了初始位移場和初始應力場，在開挖時需要先計算T1對應的等效節點力，反向等效施加在T2上，當施加的等效節點力等于T1的自重和約束作用之和時，T2的應力應變場將不發生變化。（圖3）

盾構開挖的模擬計算時，T2部分開挖面上的應力解除，成為自由面。對于每個開挖步的計算需要先求出T2對即將開挖部分的節點力，然后通過等效節點力反向施加在開挖面，才能進行后續的平衡計算，原始節點應力與反壓在節點上的應力之間的差值為釋放力，釋放力與原始節點應力的比值系數為盾構開挖應力釋放率。

當然在實際開挖中，盾構機對洞周土體的作用力包括頂推力，刀盤切割土體的扭轉力，刀盤與洞周土體之間的摩擦力等，多種作用力無法進行絕對的量化。因此反向節點力的量值只能依靠計算經驗或者模型試算。

3? 隧洞周邊位移控制的盾構掘進過程模擬

3.1 位移控制法的基本原理

位移控制法是基于盾構機刀盤與盾構機身外直徑存在的30mm差值。盾構機掘進過程中，由于刀盤切削開挖直徑一般大于前盾外徑30mm，可取？啄1為30mm，同時管片外徑要小于盾尾，一般富余25～40mm，考慮盾尾殼體厚度，可取？啄2為25mm。

盾構掘進過程土體變形階段：①早期沉降，發生在盾構掘進前方土體破裂面外的沉降;②掌子面變形，盾構前方土體受擠壓作用發生向前和向上的移動，從而引起地表發生輕微隆起;③盾構通過時的沉降;④盾尾脫環沉降;⑤后期固結沉降。其中第③、④點主要為刀盤與盾殼、盾殼與管片外徑差異引起。

盾構推進過程對土體的擾動除掌子面擾動外，另外一個來源就是開挖直徑過渡到管片直徑過程中的兩次填充間隙的位移過程。考慮到這一特點，采用以下控制周邊位移的方法來模擬盾構機掘進過程，步驟如下：

①掌子面開挖掘進1m，掌子面加垂直向土倉壓力。

②掌子面后及盾尾1m范圍設置環形shell單元，單元屬性同土層屬性，在計算過程中監測shell單元節點徑向位移，當單個節點徑向位移增量達到25mm，加節點位移約束，直到監測范圍70%節點完成約束，停止計算。

③解除監測范圍約束，將掌子面后1m范圍shell單元激活為盾殼屬性并設置為盾構機自重;將盾尾后1m范圍shell單元刪除，激活管片實體單元，設置管片橫觀各向同性屬性。

④開始下一步開挖，并重復步驟2、步驟3，直至開挖完成。

3.2 兩種盾構施工模擬方法的實例計算

實際工程隧道穿越的地層主要有<2-4-1>，<2-4-4>，<3-1>和<3-5>，各地層的力學指標見表1。

根據施工案例的地層構造和土體物理力學參數，建立三維盾構開挖模型，分別應用應力釋放法和位移控制法進行開挖計算。計算結果中典型斷面的應變云圖分別見圖6、圖7。

觀察兩種方法沉降典型斷面，y表示測點斷面與刀盤所在面的距離，在各個開挖斷面，隧道下方地層均有上抬，而隧道拱頂上方土體下沉。靠近盾構刀盤的斷面（y=0）開挖擾動范圍較小，盾構機尾部（y=10）斷面擾動范圍變大，同時掌子面的地層擾動延伸到地表，在盾尾后方10m（y=20）斷面沉降基本穩定，能夠反映盾構開挖對地層擾動的最終影響，因為本案例模擬工況采用的是不排水開挖，未考慮盾構開挖完成后的固結沉降。

應力釋放法中各斷面的沉降位移云圖均呈“蝴蝶”狀，隨著盾構推進影響范圍逐漸擴大，可以理解為開挖面應力釋放作用是四周等效的，各個方向土體均有向開挖面運動的趨勢，拱頂沉降最大，從拱頂到地表沉降逐漸減小。

從位移控制法模擬的地表沉降中可以看出，初始開挖階段，沉降基本位于拱頂和拱底，開挖影響地層的范圍較小，盾尾部分土體沉降也出現“蝴蝶”狀，這是由于盾尾注漿應力擾動引起的。

兩種方法計算的地表縱向沉降槽變形趨勢基本一致，位移控制法模擬沉降數據更接近于實測數據。應力釋放法不同釋放率時，掌子面前方的變形沉降規律基本一致，在盾尾后方沉降出現差異，應力釋放率越大，地表最大沉降值越大如圖8所示。

OReilly等通過對英國黏性土、砂性土和回填土的實測數據分析，總結了地層的沉降槽體積、最大沉降量和沉降槽寬度系數。得出了沉降槽寬度系數i和隧道軸線埋深h呈線性關系：

i=Kh

選取位移控制法中六個典型沉降斷面的橫向沉降數據如圖9所示。

距離掌子面后方越遠的地方地表沉降越大，各橫斷面最大沉降值均位于隧道軸線上方，地表最大沉降值為10.3mm。同時監測數據表明隨著盾構機的到達和繼續推進，地表沉降在持續增大。

3.3 兩種計算方法結果比較

通過對樁土相互作用和等效地層模型的盾構開挖計算，對開挖過程中的地表變形分別進行了分析，接下來對地表縱向沉降槽和橫向沉降槽進行對比分析。選取等效地層模型中四個典型沉降斷面的橫向沉降數據如圖10所示。

從地表沉降的數據分析中可以得出，在盾構隧道符合一定埋深的條件下，其瞬時地表沉降曲線基本符合高斯分布[4]。在盾構后方地表沉降基本穩定的區域，沉降槽寬度變化不大，不同開挖面的寬度系數基本保持不變，這與開挖地層的土體力學特性相關。

4? 結論

①將位移控制法應用到等效地層盾構開挖的計算中，把樁土模型開挖作為對照組，計算結果表明等效地層模型與樁土模型的地表最大沉降值比較接近，因此采用等效地層模型替代復合地基地層模型的研究方法具有一定的可行性。

②盾構機頭前方0～1D范圍內土體沉降，說明掘進面的土體損失已經對地表產生影響，在距離掘進面前方大于1D區域土體出現隆起，原因可能是盾構機的頂推力大于掌子面前方的水土壓力，引起地層應力平衡狀態導致的。盾構推進的擾動范圍在掌子面前方4D左右。

③縱斷面沉降曲線表明，在盾尾后方4～5m處沉降逐漸穩定，然后基本保持不變。這是由于軟土的黏聚力較大，在盾構掘進過程中存在一定的“時空效應”，當盾尾管片脫出后，周邊土體需要一定時間來填充與管片之間的空隙，所以地層損失沉降在盾構掘進繼續向前進行一段時間后才結束，后續還會發生孔隙水壓力變化引起的土體次固結沉降。

參考文獻：

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