土壓平衡盾構(gòu)參數(shù)對隧道地表沉降影響研究

楊 曉 東，劉 飛

(中交路橋建設有限公司，北京 100027)

土壓平衡盾構(gòu)施工法具有自動化程度高、掘進速度快、不受天氣影響、不影響地面交通與設施等優(yōu)點，被廣泛地應用于城市地下建設[1]。但盾構(gòu)隧道掘進過程中引起的地面沉降會對地面建筑物、地下管線等設施產(chǎn)生不利影響，甚至導致嚴重安全事故，造成較大的經(jīng)濟損失[2]。目前研究成果表明，地表沉降的主要原因是盾構(gòu)施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，正確的選擇盾構(gòu)掘進參數(shù)可以有效控制土體位移和地面沉降[3]。因此，開展土壓平衡盾構(gòu)參數(shù)對地鐵隧道開挖地表沉降影響的研究具有重要的理論意義與工程應用價值。

國內(nèi)外學者對隧道盾構(gòu)施工力學行為及其所引起的地表沉降方面的研究主要有經(jīng)驗法、模型試驗法[4-5]、理論分析法[6-7]、數(shù)值模擬等[8-10]。劉招偉等[11]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，應用經(jīng)驗法研究了盾構(gòu)施工引起的地層沉降。魏新江等[12]基于施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對土壓平衡盾構(gòu)機參數(shù)相關關系及盾構(gòu)機掘進參數(shù)對土體位移的影響和地表沉降發(fā)展規(guī)律進行了研究。何川等[13]基于相似準則進行了室內(nèi)相似模型試驗，研究了土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)對地層的影響。吳賢國等[14]提出了一種基于粗糙集-支持向量機的盾構(gòu)關鍵參數(shù)及其組合的建模與求解方法，并依據(jù)約簡后的關鍵參數(shù)組合進行了地表沉降預測研究。林存剛等[15]基于Mindlin解，經(jīng)數(shù)值積分計算得到了盾構(gòu)掘進中切口附加推力、盾殼對周圍土體的摩擦力及同步注漿附加壓力引起的地表豎向位移，并與工程實測值進行了對比驗證。張恒等[16]以深圳地鐵5號線洪浪～興東盾構(gòu)區(qū)間下穿廣深高速公路立交橋隧道為工程背景，對影響地表沉降的掘進參數(shù)進行了數(shù)值模擬分析。綜合來看，上述研究方法在應用中各有優(yōu)缺點：經(jīng)驗法參數(shù)少、計算簡單，但缺乏理論依據(jù)，公式的移植性差；模型試驗法針對性強、直觀清晰，但試驗準確性難以保證；理論分析法推導過程較嚴謹、有充分的理論依據(jù)，但一般解題局限性較大；數(shù)值模擬法為研究人員提供了強大的可視化手段，但建模過程中往往要對土體參數(shù)及邊界條件進行簡化，使得分析數(shù)據(jù)存在一定差異性和不確定性。

本文綜合理論分析和數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢，以哈爾濱市軌道交通3號線二期工程海河東路站-先鋒路站區(qū)間為工程背景，進行土壓平衡盾構(gòu)參數(shù)灰色關聯(lián)度分析，參考關聯(lián)度計算結(jié)果設計正交試驗，采用FLAC 3D對試驗方案進行模擬，應用方差分析和極差分析進一步確定盾構(gòu)參數(shù)的主次關系和顯著性，與灰色關聯(lián)分析方法相互驗證，優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)水平組合，可為后續(xù)類似地層環(huán)境下地鐵隧道工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

海河東路站-先鋒路站區(qū)間(以下簡稱海先區(qū)間)自海河東路站起，自南向北沿紅旗大街敷設至先鋒路站止。該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間右線長度629.810 m，區(qū)間左線長度629.869 m，隧道埋深較淺，結(jié)構(gòu)埋覆土為9.6～14.5 m，區(qū)間線間距為13.3～14.2 m。所處地貌單元為松花江漫灘，場地面起伏不大，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較穩(wěn)定，不存在能引起場地滑移、大變形和破壞等重大不良地質(zhì)構(gòu)造，屬于基本穩(wěn)定場地。

2 盾構(gòu)參數(shù)的灰色關聯(lián)度分析

選取海先區(qū)間左線隧道同一地層環(huán)境施工區(qū)段隧道軸線正上方對應的一系列地表沉降監(jiān)測點，對盾構(gòu)施工引起的地表沉降進行監(jiān)測。依據(jù)灰色關聯(lián)分析模型，分析土倉壓力、掘進速度、盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、注漿壓力、注漿量等主要施工參數(shù)與盾構(gòu)施工引起地表沉降的關聯(lián)度。分析中以地表沉降監(jiān)測點所測變形影響穩(wěn)定后的沉降值為參考數(shù)列，以不同的盾構(gòu)參數(shù)依次作為影響數(shù)列，灰色關聯(lián)分析的原始信息數(shù)列如表1所列。

表1 灰色關聯(lián)分析原始信息Tab.1 Gray relational analysis of raw information

2.1 無量綱化處理

以地表沉降監(jiān)測點所測變形影響穩(wěn)定后的沉降值為參考數(shù)列X1，以不同的盾構(gòu)參數(shù)依次作為影響數(shù)列Xi(i=2，3，4，…，8)，得到

X1=[x1(1)，x1(2)，x1(3)，…，x1(10)]

(1)

Xi=[xi(1)，xi(2)，xi(3)，…，xi(10)]

(2)

對初值象進行無量綱化處理，得到：

=[x′1(1)，x′1(2)，x′1(3)，…，x′1(10)]

(3)

=[x′i(1)，x′i(2)，x′i(3)，…，x′i(10)]

(4)

2.2 關聯(lián)系數(shù)計算

參考數(shù)列與因素數(shù)列之間的關聯(lián)系數(shù)為

(5)

2.3 灰色關聯(lián)度計算

對應參數(shù)灰色關聯(lián)度計算公式為

(6)

計算得到各盾構(gòu)參數(shù)與盾構(gòu)施工引起地表沉降關聯(lián)度列于表2。由灰色關聯(lián)度序列可知，各盾構(gòu)參數(shù)與變形穩(wěn)定后地表沉降的關聯(lián)度從大到小依次為：土倉壓力、掘進速度、注漿壓力、刀盤扭矩、出土量、注漿量、盾構(gòu)總推力。

表2 盾構(gòu)參數(shù)與地表沉降的灰色關聯(lián)度Tab.2 Grey correlation degree between shield tunneling parameters and ground settlement

3 基于正交試驗的盾構(gòu)參數(shù)敏感性分析

正交試驗設計利用標準化正交表安排試驗方案，并對結(jié)果進行計算分析，最終迅速找到優(yōu)化方案，是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學計算方法[18]。根據(jù)灰色關聯(lián)計算結(jié)果，土倉壓力、掘進速度、注漿壓力這3項參數(shù)關聯(lián)度數(shù)值明顯大于其余4項參數(shù)。因此本章選取土倉壓力、掘進速度及注漿壓力作為3個正交參量，并利用參量水平進行正交實驗設計，采用FLAC 3D數(shù)值軟件模擬正交試驗各工況地表沉降值，根據(jù)正交實驗結(jié)果，應用方差分析和極差分析進一步確定盾構(gòu)參數(shù)的主次關系和顯著性，優(yōu)化水平組合。

3.1 正交試驗設計

參考左線854～935環(huán)盾構(gòu)掘進參數(shù)，結(jié)合盾構(gòu)工程經(jīng)驗和相關參數(shù)理論計算，確定各個掘進參數(shù)的調(diào)控取值范圍，在各因素掘進階段取值范圍內(nèi)選取3個水平，建立3因素3水平的正交試驗如表3所列。

表3 正交試驗設計Tab.3 Orthogonal experimental design

3.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)的概化模型，按照各層土所屬的類別，結(jié)合該工程相關土體的具體特性選定各層土體的相關參數(shù)，具體參數(shù)列于表4。

表4 土層分層信息Tab.4 Soil layer information

圖1為區(qū)間工程整體模型，為保證計算精度，隧道部分及周邊受開挖影響較大的區(qū)域網(wǎng)格單元的邊長均為0～2 m，靠近邊界受開挖擾動較小的區(qū)域網(wǎng)格單元邊長為2～3 m。為了防止角點處產(chǎn)生過大的應力集中，在局部又進行了網(wǎng)格細化處理，模型共劃分為197 400個單元、202 566個節(jié)點。

圖1 整體模型Fig.1 Overall model

根據(jù)工程經(jīng)驗與圣維南原理，該模型沿隧道開挖方向取近似130 m，水平方向取60 m，左右邊緣距離隧道開挖邊界約為3D；豎直方向取31.8 m，上邊緣取至地表，下邊緣距離隧道開挖邊界約為3D。

盾構(gòu)開挖過程模擬參考現(xiàn)場施工流程，盾構(gòu)掘進力學參數(shù)適當進行簡化：土倉壓力垂直于開挖面均勻分布；土體摩擦力等效為均勻分布在盾構(gòu)機外殼與土體接觸面上，盾尾脫出后摩擦力清零；盾尾注漿壓力等效為均勻分布。開挖過程中盾構(gòu)掘進主要力學參數(shù)模擬如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)掘進力學參數(shù)模擬Fig.2 Diagram of soil stress parameters in shield excavation

3.3 正交試驗結(jié)果及分析

為確保試驗結(jié)果的可靠性，減少工程無關變量影響，運用FLAC 3D進行左線單隧道開挖模擬，根據(jù)正交試驗設計分別設置不同盾構(gòu)參數(shù)的9種工況，得到正交試驗結(jié)果見圖3及表5。

表5 正交實驗模擬結(jié)果Tab.5 Orthogonal experimental results

圖3 隧道左線不同工況沉降Fig.3 Settlement of left tunnel under different conditions

3.3.1方差分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，由方差分析進一步確定盾構(gòu)參數(shù)影響的顯著性，如表6所列。對于最大沉降值的檢驗結(jié)果，注漿壓力、掘進速度、土倉壓力的F值分別為3.077，5.687，124.889，土倉壓力F>F0.05(2，2)，F(xiàn)>F0.01(2，2)，注漿壓力和掘進速度的下值均小于F0.05(2，2)，說明土倉壓力對地表沉降有著較顯著的影響，注漿壓力和掘進速度對地表沉降的影響相對不夠顯著。

表6 方差分析結(jié)果Tab.6 Variance analysis results

3.3.2極差分析

極差分析結(jié)果如表7所示，在試驗范圍內(nèi)，各參數(shù)對試驗指標的影響從大到小的順序依次為土倉壓力、掘進速度、注漿壓力，這一結(jié)果與方差顯著性分析結(jié)果吻合，與灰色關聯(lián)分析結(jié)果亦吻合。最終根據(jù)正交試驗選取的優(yōu)化水平組合為：土倉壓力180 kPa，掘進速度30 mm/min，注漿壓力0.3 MPa。

表7 極差分析結(jié)果Tab.7 Range analysis result

現(xiàn)場施工參數(shù)在優(yōu)化水平組合的參考下進行調(diào)整，在盾構(gòu)正常推進的過程中，進行連續(xù)監(jiān)測，圖4為模擬y=40 m斷面與監(jiān)測斷面的沉降對比分析圖，從圖中可以看出，在整體沉降規(guī)律上，模擬的沉降曲線和實際監(jiān)測的沉降走向是基本吻合的，說明了數(shù)值模擬很好地反映了地表沉降的規(guī)律，實測地表的最大沉降值為-25.79 mm，略大于數(shù)值模擬得出的沉降值，分析認為主要原因是現(xiàn)場隧道上部的堆載和土層因素的不確定性，但結(jié)果依然能夠說明優(yōu)化后選取的參數(shù)在施工現(xiàn)場中具有較好的效果。

圖4 模擬沉降值與監(jiān)測斷面實測沉降量對比Fig.4 Comparisons of simulation settlement and monitored settlement

4 結(jié) 論

(1) 由灰色關聯(lián)度序列可知該隧道區(qū)間各盾構(gòu)參數(shù)與變形穩(wěn)定后地表沉降的關聯(lián)度從大到小依次為：土倉壓力、掘進速度、注漿壓力、刀盤扭矩、出土量、注漿量、盾構(gòu)總推力。

(2) 正交試驗的模擬分析結(jié)果表明：盾構(gòu)參數(shù)對變形穩(wěn)定后地表沉降影響從大到小的順序為土倉壓力、掘進速度、注漿壓力，與灰色關聯(lián)分析結(jié)果吻合。這一結(jié)果可以在一定程度上證實在此類問題上兩種分析方法的適用性。基于正交實驗的盾構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化水平組合為：土倉壓力180 kPa、掘進速度30 mm/min、注漿壓力0.3 MPa。

(3) 現(xiàn)場參數(shù)根據(jù)模擬結(jié)果進行了調(diào)整后，實際監(jiān)測結(jié)果表明，模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本相符，并且在現(xiàn)場施工中具有很好的效果，有效地控制了地表沉降。