地鐵隧道盾構施工引發的地層位移影響研究

張國權

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030000）

隨著中國經濟的高速發展和城市化水平的快速提高，城市可利用空間急劇減少，城市交通阻塞嚴重。為了解決這一問題，城市軌道交通的建設刻不容緩[1]。地鐵隧道施工誘發的地層移動和地面沉陷及建筑物開裂、管線損壞在我國的地鐵建設中，是一個普遍存在的問題，已經成為地鐵隧道建設者、設計、施工技術人員最為關心的環境問題和工程問題[2-5]。

本文運用三維有限元法對太原市地鐵盾構法施工過程中引起的地層位移和地面沉降規律進行了建模分析，研究其對周圍土層及鄰近建筑物的影響。本文預測和控制盾構近距離通過地下結構物時所引起的地層變位，有利于盾構機的順利掘進和確保既有建筑的正常使用。

1 工程概況

山西省太原市地鐵2 號線工程全長23.38 km，共設置23 座車站，全部為地下站。“中鐵隆5 號”盾構機在太原地鐵2 號線14 標段始發，執行礦機站～小商品市場站區間右線掘進任務。本次任務艱巨，需要解決的問題很多，如：掘進區間的富水砂層容易發生洞門或地面坍塌風險；工期緊張，施工效率低下；施工前需降低地下水位，以便保護地下水；鋼套筒不可循環利用；施工成本高等。

該段盾構隧道埋深為12 m，管片襯砌外徑6 m，內徑5.4 m。施工中盾尾注漿壓力為0.14 MPa，掘削面頂進壓力為0.25 MPa。從上至下，根據土層的物性[6]參數不同將其分為3 層：上層厚度10 m，E=3.28 MPa，v=0.34，ρ=20.35 kN/m3；隧道所在層厚度17 m，E=19.85 MPa，v=0.31，ρ=20.08 kN/m3；下層厚度16 m，E=500 MPa，v=0.37，ρ=22.77 kN/m3。

2 模型建立

2.1 模型單元的選擇

采用ANSYS 有限元軟件建立三維有限元模型進行數值模擬分析。SOLID45 單元幾何形狀及坐標系統如圖1 所示。

2.2 材料參數的選擇

分析模型中共選用五種材料，其中土體有三種：地表淺層覆土、盾構隧道所在土層和基巖，其材料參數如上文所述。另外兩種材料為管片襯砌和注漿層，其材料參數為：管片襯砌E=27.6 MPa，v=0.2，ρ=25 kN/m3； 注 漿 層E=1.0 MPa，v=0.5，ρ=21 kN/m3。

2.3 邊界條件的確定

依據隧道力學分析結果，垂直方向，模型上邊界取到地表，把大于三倍隧洞深的距離取為下邊界；橫向方向，把三到五倍的隧洞距離取為橫向邊界。

2.4 模型的建立過程

（1）建立平面模型后通過沿隧道軸線拉伸成立體模型，得到隧道及其所在地層的三維實體模型。

（2）施加邊界條件后求解自重應力場，直到計算收斂。

（3）施加自重應力場后進行開挖過程模擬。開挖過程分為13步進行模擬，第1步到第12步開挖，每步掘進3 m，第13 步開挖余下的24 m。分析可知，開挖后盾構前面部分的位移量相對較少，隧道周圍的位移量相對較大。

3 計算結果分析

3.1 地層位移分析

本文模擬分析的位移仍然是相對于自重固結下的位移，由第1 步開挖引起的地層豎向位移起，分析第1、4、7 和10 步開挖引起的地層位移可知，地層位移隨著盾構開挖過程逐漸向內部發展，地表的均位移維持在1.0 cm 以下。開挖過程中，地層位移的最大值仍位于第1 步開挖面處，從第1 步到第10 步，拱頂最大下沉從8.0 cm 增長到8.24 cm，抑拱處最大位移從8.0 cm 增長到8.74 cm。

圖2 為第13 步開挖，即隧道貫通后引起的地層位移。隧道貫通后，地層位移的最大值分別為第1 步開挖面抑拱處8.78 cm 和最后一步貫通面抑拱處的15.37 cm。

圖2 隧道貫通后引起的地層位移/m

3.2 地表沉降分析

盾構機開挖過程中會引起地表的沉降，待計算平衡后，繪制第1～10 步開挖引起的地表沉降分布。

由第1 到10 步開挖引起的地表沉降可知，開挖過程中，在盾構機的頂進作用下，地表發生了前隆后沉的現象。隨著盾構機的推進，開挖面后方的沉降槽越來越寬，最大沉降量也越來越大，隆起區域也逐步向前推進。第1 步到第10 步地表最大沉降量從1.28 cm 增長為1.75 cm。

圖3 隧道貫通后引起的地表沉降/m

圖3 為第13 步開挖，即隧道貫通后引起的地表沉降。隧道貫通后，地表沉降的最大值為7.82 cm。

分析可知，地表沉降的原因主要是由盾構后部的空隙造成的，盾構到達前，地表沉降量相對很小。當盾構離開挖面越來越遠時，沉降量將趨于穩定。

3.3 管片襯砌受力分析

盾構隧道襯砌結構是一個由若干管片、管片間的連接螺栓和填充材料（彈性密封墊）組成的組合結構，管片襯砌的應力與變形仍是隧道設計中十分重要的問題。

由第1 步開挖后管片襯砌的Mises 應力，可知管片應力最大值為管片上部0.11 MPa，最小值為管片左部的0.07 MPa。管片主要受力仍為開挖后周圍土體擠壓所產生的應力。

分析第10 步開挖引起的地表沉降分布可知，隨著盾構的不斷推進，管片襯砌應力逐漸增大，最大應力值位于第1 步開挖后安裝的管片的上部和下部，從第1 步增大到第10 步的1.10 MPa。最小值均為剛開挖后的管片，從第1 步的0.07 MPa 增大到第10 步的0.08 MPa。

如圖4 所示，隧道貫通后，管片最大應力達到1.12 MPa，是第1 步開挖后的10 倍，較第10 步開挖僅增長0.02 MPa，漸趨于穩定。

圖4 隧道貫通后后管片襯砌的Mises 應力/Pa

4 結 語

通過三維有限元軟件建立模型，分析了地鐵隧道盾構施工過程中導致的地層位移、地表沉降和襯砌應力，為地鐵工程施工引起的工程環境問題的處理提供依據。通過對隧道盾構開挖過程的模擬，對地鐵隧道施工對周圍土體環境的影響取得了一定的 研究結果，但仍有很多問題值得進一步深入研究。由于之前主要進行上部結構抗震減震方面的研究，對土體本構及土的特性了解較少，采用土體塑性本構模型時ANSYS 模擬計算一直不收斂，故在本次模擬中土體本構模型為彈性模型，接下來將嘗試采用D-P 模型和鄧肯-張模型進行彈塑性分析。

本文分析僅針對開挖過程進行了定性分析，覆土厚度、土體模量、隧道外徑、盾尾空隙填充率等因素對地基沉降產生的影響仍有待進一步研究。盾構開挖過程中，開挖正前方區域內刀盤的擠壓攪削會對土體產生強烈擾動，土體的力學參數也將發生很大變化，其對地層移動機理的影響是一個非常復雜的變化過程，有待深入研究。