土層參數(shù)對盾構(gòu)隧道引起的地表沉降影響分析

苗占府

(邢臺道橋建設(shè)工程有限公司 邢臺市 054001)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，很多城市均將地鐵建設(shè)納入到城市建設(shè)規(guī)劃當(dāng)中，在我國南方沿海城市，由于土質(zhì)較軟且特殊土分布廣泛，加劇了隧道施工的難度，為了改變原有土體的強度以減小地鐵施工帶來的危害，國內(nèi)學(xué)者進行了一系列研究，主要有：蘭慶男[1]、張達棟[2]采用Flac3D軟件模擬盾構(gòu)開挖過程，基于摩爾-庫倫屈服模型，采用控制變量法分別對不同彈性模量、內(nèi)摩擦角和粘聚力土體進行模擬；張印濤等[3]采用數(shù)值分析模型模擬了隧道盾構(gòu)開挖引起的地表沉降的發(fā)展過程，分析了地表橫向和縱向沉降的動態(tài)變化規(guī)律，并基于Peck公式對地表沉降模擬值和工程實測資料的沉降槽參數(shù)進行了對比分析；劉菁等[4]以某區(qū)間地鐵隧道開挖為例，利用有限元軟件對地鐵盾構(gòu)隧道施工開挖過程進行數(shù)值模擬與分析，分析了隧道地表沉降沿橫向、縱向及不同深度處地層的分布隨盾構(gòu)推進的變化規(guī)律，通過預(yù)測的結(jié)果提出了控制地層變形的措施；劉建國等[5]以西安地鐵為研究對象，基于土力學(xué)理論對引起地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降的因素進行分析，然后利用半解析法以及數(shù)值分析法分析各因素對地表沉降的影響規(guī)律；楊天亮等[6]基于上海地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)施工引發(fā)的工程性地面沉降機理分析，采用數(shù)值分析和數(shù)學(xué)擬合方法對盾構(gòu)埋深、地層損失率、盾構(gòu)半徑和穿越土層性質(zhì)等因素與地面沉降影響范圍和最大沉降量之間的基本規(guī)律分別進行了深入的分析研究，給出了它們之間各自的定量關(guān)系式，并在盾構(gòu)施工實例中進行了分析和驗證，等等。

本文主要以某城市隧道施工為例，采用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果進行了分析對比，并對土層參數(shù)的影響進行了詳細分析，研究分析結(jié)果可為土體的加固設(shè)計和施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

某地鐵隧道工程采用盾構(gòu)法施工，隧道中心設(shè)計埋深約17.0m，隧道外徑為6200mm，襯砌采用50cm預(yù)制管片，在研究區(qū)段內(nèi)，從上至下依次分布著雜填土、黏土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)黏土以及粉砂土等，隧道開挖面主要出于淤泥質(zhì)黏土當(dāng)中，土層厚度以及隧道斷面具體如圖1所示。

圖1 土層分布圖

2 數(shù)值建模

如圖1所示，采用大型有限元軟件ABAQUS建立計算模型，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(gòu)模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。模型的長×寬×高分別為60m×50m×60m，網(wǎng)格共計12768個，均采用實體單元，由于對稱性，圖2僅給出了隧道的左半側(cè)。隧道的各層土體參數(shù)取值如表1所示。表2給出了隧道襯砌和等代層的相關(guān)參數(shù)，襯砌采用C50混凝土，襯砌厚度取50cm，襯砌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(cè)進行注漿加固形成的一層注漿層，文中等代層厚度取25cm，如圖3所示。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌及等代層的力學(xué)參數(shù)

圖3 等代層示意圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

如圖4所示，為開挖之后的隧道豎向位移云圖，由圖可知，隧道開挖導(dǎo)致周圍土體松動，其中隧道拱頂以上發(fā)生沉降，拱底以下發(fā)生隆起，拱頂最大沉降值為70.7mm。為了驗證數(shù)值結(jié)果的可靠性與適用性，如圖5所示，將現(xiàn)場實測地表沉降數(shù)據(jù)跟數(shù)值模擬監(jiān)測到的地表沉降數(shù)據(jù)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，實測地表沉降和數(shù)值得到的地表沉降槽均呈現(xiàn)出高斯分布形式，其中實測最大沉降值為14.8mm，數(shù)值模擬最大沉降值為15.1mm，從曲線的吻合度來說，二者吻合良好，說明數(shù)值模擬結(jié)果是正確且適用的。

圖4 開挖后的豎向位移云圖

圖5 實測地表沉降數(shù)據(jù)與數(shù)值分析對比圖

3.2 土層參數(shù)改變對地表最大沉降的影響分析

土層特性是影響隧道開挖穩(wěn)定性的重要因素之一，影響土層特性的參數(shù)主要有壓縮模量、粘聚力以及內(nèi)摩擦角等。本節(jié)通過改變原有模型的壓縮模量、粘聚力以及內(nèi)摩擦角，以此探究各因素對地表沉降的影響。在建模過程中，土層分布如前節(jié)不發(fā)生改變，通過成倍的增加和減小各土層的參數(shù)取值，并取土層參數(shù)的加權(quán)平均值作為橫坐標(biāo)，以隧道拱頂正上方地表處最大沉降作為豎坐標(biāo)繪制圖形。

如圖6所示，通過改變土體的壓縮模量并監(jiān)測最大地表沉降，將數(shù)據(jù)點繪于圖中，之后采用線性形式進行擬合，得到擬合直線的關(guān)系式如式(1)。由此可知，采用線性擬合時相關(guān)系數(shù)達0.87，即隨著土體壓縮模量的增大，地表最大沉降基本會線性減小，且每當(dāng)壓縮模量增大1MPa時，地表最大沉降會減小7mm，說明通過增大土體壓縮模量可以有效地減小地表沉降。

y=-7.0x+74.9 (R=0.87)

(1)

圖6 壓縮模量對地表最大沉降影響

如圖7所示，通過改變土體的內(nèi)摩擦角并監(jiān)測最大地表沉降，將數(shù)據(jù)點繪于圖中，之后同樣采用線性形式進行擬合，得到擬合直線的關(guān)系式如式(2)所示。采用線性擬合時相關(guān)系數(shù)為0.34，雖然二者相關(guān)性不是很強，但從圖中可以看出即隨著土體內(nèi)摩擦角的增大，地表最大沉降整體上出現(xiàn)減小的趨勢，即通過增大土體內(nèi)摩擦角可以一定程度上來減小隧道施工引起的地表沉降。

y=-2.8x+69.0 (R=0.34)

(2)

如圖8所示，通過改變土體的粘聚力并監(jiān)測最大地表沉降，將數(shù)據(jù)點繪于圖中，之后采用線性形式進行擬合，得到擬合直線的關(guān)系式如式(3)。采用線性擬合時相關(guān)系數(shù)達0.90，即隨著土體壓縮模量的增大，地表最大沉降基本會線性減小，且每當(dāng)土體粘聚力增大1kPa時，地表最大沉降會減小5mm，說明通過增大土體的粘聚力可以有效地減小地表沉降。

圖7 內(nèi)摩擦角對地表最大沉降影響

圖8 粘聚力對地表最大沉降影響

y=-5.0x+109.7 (R=0.90)

(3)

工程中改變原有地層的強度參數(shù)是常用的加固地層施工方法之一，尤其對于隧道在軟黏土中施工時，可以采用置換原有土體或者注漿加固等措施，本文的參數(shù)分析結(jié)果可為土體的加固施工提供一定的參考和借鑒。

4 結(jié)論

以某城市隧道施工為例，采用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果進行了分析對比，并對土層參數(shù)的影響進行了詳細分析，得到以下結(jié)論：

(1)將現(xiàn)場實測地表沉降數(shù)據(jù)跟數(shù)值模擬監(jiān)測到的地表沉降數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)實測地表沉降和數(shù)值得到的地表沉降槽均呈現(xiàn)出高斯分布形式，其中實測最大沉降值為14.8mm，數(shù)值模擬最大沉降值為15.1mm，且二者吻合良好，說明數(shù)值模擬結(jié)果是正確且適用的。

(2)增大土體的壓縮模量、內(nèi)摩擦角和粘聚力時，地表沉降基本上呈現(xiàn)出線性減小，采用線性函數(shù)進行擬合時，三者的相關(guān)系數(shù)分別為0.87、0.34和0.90。

(3)對于隧道在軟黏土等特殊土中施工時，本文的參數(shù)分析結(jié)果可為土體的加固設(shè)計和施工提供一定的參考和借鑒。