盾構(gòu)隧道掘進對地表沉降的影響及控制措施研究

文章以某城市地鐵盾構(gòu)隧道工程為例，采用PLAXIS有限元軟件建立隧道模型，對隧道掘進過程中地表沉降變化規(guī)律進行分析，并結(jié)合實際工程現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對地表沉降實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行了對比，探討了地表沉降控制措施，得到以下結(jié)果：（1）地表監(jiān)測處的沉降隨著隧道掘進距離的減小而逐漸增大;當隧道掘進達到監(jiān)測處后地表沉降值仍有所增大，但逐步趨向穩(wěn)定狀態(tài);（2）各斷面的地表沉降實測值與計算值較為吻合，即數(shù)值模擬結(jié)果可靠合理;（3）采取對盾構(gòu)土壓平衡、盾構(gòu)機掘進方位及速度、管片拼裝和同步注漿的控制方法可以有效減少盾構(gòu)隧道引起的地表沉降。

盾構(gòu)隧道;地表沉降;數(shù)值模擬;沉降控制措施

文獻標識碼：U455.43-A-34-114-3

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，許多城市逐漸開始興建地鐵，而隧道在盾構(gòu)掘進過程中會致使地表發(fā)生沉降等危害，給鄰近地表構(gòu)筑物的安全帶來嚴重影響，因此如何合理地控制地表沉降成為了越來越多學者關(guān)注的熱點課題[1-4]。

近年來，國內(nèi)學者在解決盾構(gòu)隧道誘發(fā)地表沉降的問題上進行了一些研究，如石杰紅等[5]以某城市地鐵盾構(gòu)隧道工程為案例，針對四種不同開挖方案誘發(fā)的地表沉降進行了對比分析，給工程后期地鐵隧道開挖提供重要指導;洪杰[6]以某地鐵區(qū)間隧道工程為背景，借助Abaqus有限元軟件建立數(shù)值模型，探討了隧道開挖過程中施工參數(shù)對地表沉降的影響規(guī)律，并提出有關(guān)沉降控制的針對性建議;馮國冠[7]通過采用有限元軟件，模擬了某盾構(gòu)隧道的整個開挖過程，研究了不同影響因素下隧道的地表沉降變化規(guī)律;董廣輝[8]研究得出隧道在采用盾構(gòu)開挖時，由于刀盤、盾體、管片之間存在一些間隙，如無法及時同步進行注漿處理，則會致使地表發(fā)生沉降問題。本文以某城市地鐵盾構(gòu)隧道工程為例，采用PLAXIS有限元軟件建立隧道模型，對隧道掘進過程中地表沉降變化規(guī)律進行分析，并結(jié)合實際工程現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對地表沉降實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行了對比，探討了地表沉降控制措施，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程背景

以某城市地鐵隧道工程為背景，該隧道直徑為6 m，襯砌厚度為0.3 m，隧道中心處埋深約為14～24 m，采用大型盾構(gòu)機進行施工。根據(jù)地質(zhì)勘察，隧道區(qū)間范圍內(nèi)主要包含素填土、黏土以及中風化泥灰?guī)r等土質(zhì)。為研究隧道掘進過程中地表沉降的變化規(guī)律，本文借助PLAXIS有限元軟件，選取兩個典型斷面A、B進行了模擬計算分析。各斷面的地質(zhì)情況如圖1所示。

2 現(xiàn)場沉降監(jiān)測點布置及模型建立

2.1 監(jiān)測點布置

在隧道斷面A、B的地表均布置7個橫向沉降監(jiān)測點，其中每個監(jiān)測點間距均為3 m，最中間的沉降監(jiān)測點設(shè)置于隧道軸線正上方。具體布置情況如圖2所示。

2.2 有限元模型的建立

以斷面A為例，采用PLAXIS有限元軟件建立盾構(gòu)隧道開挖數(shù)值模型，考慮到該隧道屬于淺埋隧道，因此在模型建立過程中將模型的上表面視為地表。模型中除頂部外均設(shè)置位移邊界約束，其中混凝土和土體分別采用線彈性、摩爾-庫倫本構(gòu)模型。由于隧道結(jié)構(gòu)對稱，本文僅建立半側(cè)模型（如圖3所示）。另外，模型中土體及材料參數(shù)選取如表1所示。

3 數(shù)值模擬對比分析

3.1 隧道掘進沉降計算分析

通過對隧道掘進過程中斷面A的豎向位移進行有限元模擬計算，得到隧道掘進距測點水平處10 m、5 m及0 m時的沉降分布規(guī)律。

當隧道掘進至距監(jiān)測點10 m時，因受圍巖應(yīng)力釋放作用，使得隧道底側(cè)管片壁后注漿處出現(xiàn)了比較大的隆起情況，其最大隆起值達到了3 mm左右，而監(jiān)測處僅出現(xiàn)較小沉降。隧道管片完成注漿后，盾構(gòu)機繼續(xù)向前掘進，當隧道掘進至距測點5 m時，監(jiān)測點出現(xiàn)了較大的沉降，其最大地表沉降值達到10.1 mm。當隧道掘進至測點時，最大地表沉降值達到了10.8 mm。隨著隧道掘進至監(jiān)測點的距離越短，各測點的地表沉降值逐漸增大，當盾構(gòu)機在到達監(jiān)測斷面后繼續(xù)向前掘進時，各測點的地表沉降值仍有所增大，但逐步趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

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

為了保證有限元模擬計算結(jié)果的準確性，將斷面A、B各監(jiān)測點的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計算數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如下頁圖4所示。

由圖4可知，斷面A的實測沉降值均小于模擬計算值，其中實測出最大沉降值為-12.71 mm，模擬計算出最大沉降值為-13.05 mm，兩者誤差2.7%左右;斷面B的實測最大沉降值為-12.9 mm，而計算出的最大沉降值為-13.39 mm，兩者誤差3.8%左右。兩個斷面的實測值與有限元計算值較為吻合，即可表明有限元模擬計算結(jié)果合理可靠。

4 地表沉降控制措施研究

城市盾構(gòu)隧道施工過程中，由于城市地表建筑物及地表荷載較大，規(guī)范對沉降控制要求很高，一般地表沉降值大于規(guī)范值，就應(yīng)該采取合理的沉降控制措施，下面給出盾構(gòu)隧道施工過程中的沉降控制方法。

4.1 對盾構(gòu)土壓平衡進行控制

盾構(gòu)隧道開挖過程中，由于土體損失從而使得艙內(nèi)外土壓力不平衡，因此可以通過在盾構(gòu)機刀盤后側(cè)的密封艙提前放置填充物來平衡由于隧道開挖引起的艙內(nèi)外土壓力不平衡問題，最終減小地表沉降。

4.2 對盾構(gòu)機掘進方位及速度進行控制

城市地鐵往往要穿越數(shù)十公里，盾構(gòu)機在推進的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)偏離軸線等現(xiàn)象，故需要經(jīng)常對盾構(gòu)機進行糾偏，而糾偏控制值應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，防止由于盾構(gòu)機偏轉(zhuǎn)過大而導致土體受擾動而發(fā)生沉降過大現(xiàn)象。盾構(gòu)機中千斤頂推進力和刀盤切割轉(zhuǎn)速均應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，防止對土體產(chǎn)生過大擾動。此外，在條件允許的情況下，要盡可能加快盾構(gòu)掘進速度，并且要保證盾構(gòu)的連續(xù)性，以此來減小對周圍土體以及地表的擾動。

4.3 對管片拼裝進行控制

預制管片在盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性當中發(fā)揮著非常重要的作用，如果拼裝不當可能會導致固定螺栓無法連接以及在壁后注漿時發(fā)生漏漿等現(xiàn)象。因此，在管片拼裝過程中應(yīng)保證完美對接，使得拼裝環(huán)面和縱縫密實度滿足設(shè)計要求。

4.4 對同步注漿進行控制

同步注漿對于保證盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性至關(guān)重要，在管片拼裝完之后，應(yīng)該及時進行壁后注漿。如果不及時注漿，會使得地層損失率增大，進而加大了地表沉降，甚至造成地表塌陷。因此在管片拼裝完之后應(yīng)該及時進行注漿，并對漿液的質(zhì)量、相關(guān)指標和注漿過程進行嚴格測試和控制。

5 結(jié)語

本文以某城市地鐵隧道工程為研究背景，采用PLAXIS有限元軟件建立盾構(gòu)隧道模型，結(jié)合現(xiàn)場實時監(jiān)測，對比研究了隧道掘進過程中地表沉降變化規(guī)律及控制措施，得到以下結(jié)果：

（1）由于圍巖釋放的作用，地表監(jiān)測處的沉降隨著隧道掘進距離的減小逐漸增大;當隧道掘進達到監(jiān)測處后，繼續(xù)向前掘進時地表沉降值仍有所增大，但逐步趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）斷面A、B的地表沉降實測值與有限元計算值較為吻合，即數(shù)值模擬結(jié)果可靠合理。

（3）采取對盾構(gòu)土壓平衡、盾構(gòu)機掘進方位及速度、管片拼裝和同步注漿進行控制的方法可以有效減少盾構(gòu)隧道引起的地表沉降。

參考文獻

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收稿日期：2021-03-20

作者簡介：文卓殷（1984—），工程師，主要從事公路工程監(jiān)理工作。