盾構隧道下穿河堤引起的地表沉降數值分析

閆立來

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，太原 030032)

隨著城市化進程的發展，越來越多的一、二線城市開始建設地鐵，在我國南方地區，因河流的存在，隧道建設過程中不可避免地穿越河堤.因此，研究盾構隧道下穿河堤引起的地表沉降意義重大.近些年，國內學者進行了大量的研究，主要有：石杰紅等[1]、李小青等[2]以某城市地鐵盾構推進為例，分析比較了4 種不同施工方案所引起的地表沉降量，并分析了其變化規律，為后期地鐵設計及施工提供了指導；程學武[3]、王林等[4]和王榮[5]以某地鐵下穿河堤為例，分析了沉降發生的原因及相應采取的工程治理措施，并采用有限元軟件Raxis 對地層加固前后區間隧道穿越施工工況進行模擬，這些研究表明了通過注漿加固可以提高盾構隧道覆土范圍土體工程力學性能， 還能有效減低整個地層的位移及盾構管片彎矩數值；張達棟[6]和劉菁[7]針對黃土地層中盾構施工引起地表沉降問題，通過理論分析和數值模擬提出了盾構隧道地表沉降預測解析方法，研究了等代層模量與土艙壓力對地表沉降槽寬度和最大沉降量的影響；馮慧君等[8]、童學軍等[9]和王非等[10]依托某地鐵某盾構區間隧道掘進工程，基于數值軟件建立隧道掘進過程的有限元模型，從隧道開挖引起地表沉降的角度，分析了先挖線路對后挖線路變形特征的影響.

本文主要以某隧道下穿河堤為例，采用大型有限元軟件Abaqus 建立數值模型，先將現場實測數據與模擬數值結果進行對比，再通過單因素控制變量的方法，分析了隧道掘進壓力、填土的壓縮模量、注漿水平以及圍巖的應力釋放比對地表沉降的影響及變化規律.研究結果可為類似工程提供參考.

1 工程概況

某地區擬建隧道需要下穿河堤，隧道設計埋深基本為28～35 m，采用盾構法進行施工.在該區段內，主要以雜填土、粉質黏土、淤泥質黏土以及卵礫石為主，從上至下厚度依次為3，22，17和18 m.其中隧道下穿區域以淤泥質黏土為主，隧道直徑為7.0 m，埋深取32 m.工程區內地下水較為豐富.圖1 為隧道斷面示意圖.

圖1 隧道斷面示意/m

2 數值建模

圖2為采用大型有限元軟件Abaqus建立的計算模型.如圖2 所示，本文按照實際尺寸進行建模，隧道中心埋深為32.0 m，為了減小模型尺寸帶來的影響，模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束.計算過程中土體的本構模型均采用摩爾-庫倫本構模型.由于對稱性，只取隧道的左半側進行建模分析，模型的長、寬、高分別為40，40 和60 m，網格共計9 856 個，均采用實體單元.襯砌采用C60混凝土，厚度取60 cm，與土體之間的泥漿采用等代層進行模擬.所謂等代層，即在施工過程中為減小地層損失常常在管片拼裝之后，在管片里側進行注漿加固形成的注漿層.本文中等代層厚度取25 cm，見圖3.表1給出了模型從上至下的土體和支護結構的物理力學參數.

圖2 數值模型

圖3 等代層示意

表1 土體和支護結構的物理力學參數

3 數值結果分析

3.1 現場監測數據與數值模擬結果對比分析

圖4a)為數值模型初始應力平衡之后的豎向應力云圖，由圖可知，豎向應力從上至下依次增大，符合實際規律，說明模型已經平衡完成；圖4b)為隧道開挖26 m 時的應力云圖，由圖可知，隧道開挖后周圍圍巖應力釋放，應力水平降低.

為了驗證數值模型的準確性，以隧道中心處地表沉降為例，將隧道開挖引起的地表沉降現場實測數據與相應的數值模擬數據進行對比，結果如圖5 所示.由圖5 可知，現場實測的最大沉降值為28.2 mm，數值模擬對應的最大值為27.3 mm，雖然兩者存在誤差，但是差別小于4%，且現場實測數據與數值模擬數據吻合度良好，說明了數值模型的準確性和良好性.

圖4 豎向應力云圖

圖5 現場實測數據與數值模擬數據對比

3.2 沉降影響因素分析

為了研究隧道施工參數與土體參數對隧道開挖引起的河堤地表沉降，本節主要通過改變隧道掘進壓力、填土的壓縮模量、注漿水平以及圍巖的應力釋放比來分析各參數的影響，可為控制隧道開挖引起的地表沉降提供參考.

3.2.1 隧道掘進壓力

圖6 為不同掘進壓力對地表沉降的影響.由圖6 可知，地表沉降隨掘進壓力的增加而增大.當掘進壓力取200，300，400，500 和600 kPa 時，對應的最大沉降量分別為27.8，30.1，32.8，34.6 和37.9 mm，相比于掘進壓力取200 kPa，掘進壓力取300，400，500 和600 kPa 時最大地表沉降值分別增大了8.3%，18.0%，24.5%和36.3%，地表最大沉降基本上隨著掘進壓力的增大均勻增大；同時也說明，一定程度上減小掘進壓力可以減小地表沉降.為了更直觀地顯示隧道開挖產生的沉降，圖7 給出了掘進壓力為600 kPa 時的開挖位移云圖.

圖6 隧道掘進壓力對地表沉降的影響

圖7 隧道掘進引起的地表沉降云圖

3.2.2 填土壓縮模量

圖8 為不同填土壓縮模量對地表沉降影響.

圖8 隧道填土壓縮模量對地表沉降影響

由圖8 可知，隨著填土壓縮模量的增大，地表沉降隨之減小.當填土的壓縮模量為2，3 和4 MPa 時，對應的最大沉降量分別為37.4，34.9 和32.7 mm，相比于壓縮模量取2 MPa，填土的壓縮模量為3 和4 MPa 時最大地表沉降值分別減小了6.7%和12.6%，地表最大沉降基本上隨著填土壓縮模量的增大均勻減小；同時也說明，一定程度上增大填土的壓縮模量可以減小地表沉降.

3.2.3 注漿水平

為了分析注漿水平帶來的影響，繪制出不同注漿水平時的地表曲線，如圖9 所示.文中分別以不考慮等代層以及等代層模量取2 和20 GPa進行對比分析.由圖9 可知，隨著等代層模量的增大，地表沉降隨之減小.當不考慮等代層和等代層模量取2 和20 GPa 時，對應的最大沉降量分別為28.7，24.5 和22.6 mm；較不考慮等代層時，等代層取2 和20 Gpa 時最大地表沉降值分別減小了14.6%和21.3%，地表最大沉降基本上隨著等代層模量的增大均勻減小；而適量增大等代層模量可以有效減小地表沉降，但是當等代層模量模量取值過大時，可能會引起經濟效益低下.

圖9 注漿水平對地表沉降影響

3.2.4 圍巖應力釋放比

圖10 圍巖應力釋放量對地表沉降影響

圖10 為不同圍巖應力釋放量對地表沉降影響.

由圖10 可知，隨著圍巖應力釋放比的增大，地表沉降隨之增大.當圍巖應力釋放比取20%，30%和40%時，對應的最大沉降量分別為32.6，33.7和34.3 mm；相比于圍巖應力釋放比取40%，填土的壓縮模量為20%和30%時最大地表沉降值分別減小了5.0%和1.7%，地表最大沉降隨圍巖應力釋放比減小而減小，但是幅度并不明顯.

4 結論

1)現場實測的最大沉降值與數值模擬結果差別小于4%，且數據吻合度良好.

2)地表最大沉降隨著掘進壓力的增大均勻增大，減小掘進壓力可以減小地表沉降.

3)地表最大沉降隨著填土壓縮模量的增大均勻減小，增大填土的壓縮模量可減小地表沉降.

4)地表最大沉降隨著等代層模量的增大均勻減小，適量的增大等代層模量可以有效減小地表沉降，但是當其取值過大時，可能會引起經濟效益低下.

5)地表最大沉降隨著圍巖應力釋放比的減小而減小，但是幅度不明顯.