復合地層盾構施工參數對地層位移的影響

鄧智寶

(浙江工業大學土木工程學院，浙江 杭州 310000)

1 概述

盾構施工具有機械化程度高、對地層擾動小、施工周期短、受天氣影響較小等優點。盾構機是一種全自動化、多功能集于一身的功能強大的隧道開挖設備，盾構機可分為軟土挖掘型、TBM以及復合挖掘型盾構機，其中軟土挖掘型盾構機適用于軟土地層，TBM則適用于較硬的巖層。當盾構機在軟土地層中掘進時，對周圍地層造成擾動，使其應力狀態發生改變從而讓土層產生應變，其主要影響因素為地層損失，而地層損失對周圍土層擾動的主要表現為地表沉降的產生[1-3]，王建秀等[4]結合經驗公式、工程測量數據、數學統計和物理力學理論等方法從盾構掘進引發地表沉降方面進行論述，重新提出了地層損失的界定，提出了地層損失的概念模型，從而建立以控制地表沉降為目的的施工參數控制措施，并將全新的理論方法應用到實際工程中，取得了良好的效果。璩繼立等[5]結合隧道工程現場實測資料，以盾構機掘進隧道施工引起的地表沉降為研究對象，利用數學統計原理做出分析，研究了不同隧道埋深對地表沉降槽形狀、寬度和深度的影響，最后提出了盾構施工時隧道埋深和地表沉降槽最大沉降的關系式。李小青等[6]采用數值模擬法進行了不同影響因素的影響分析，研究了不同地層損失情況、不同土體本構模型以及不同土體排水情況等隧道施工條件對地表沉降的影響規律，分析了各個不同因素對地表沉降的影響，提出了影響地表沉降的計算模型。王克忠等[7]利用有限元三維快速拉格朗日法，對粉質砂土層中的盾構隧道工程始發段開挖進行了模擬分析，得出了開挖面位置和地表沉降槽形狀之間的變化關系，并對數值模擬數據和實測數據進行了對比分析，提出了數值模擬結論可為施工提供參考。然而當盾構機在軟硬不均的地層中掘進時，施工參數控制與計算則更為復雜，盾構機在上軟下硬地層中掘進時機體產生的振動、刀盤的磨損、對地層損失的影響都有著和軟土地層不同的表現，因此施工參數的選取控制對刀盤的磨損、開挖面的穩定、周圍環境的擾動以及掘進效率的提高均有著重要影響[8-11]，竺維彬等[12]結合實際工程案例，系統地分析了復合地層的施工掘進技術。李俊偉等[13]以廣州某復合地層條件下的盾構選型為研究案例，以刀盤磨損、盾構掘進模式以及盾構施工參數等參數選取為研究對象，進行了盾構機選型的風險評估，提出盾構機選型在復合地層施工中是一項重要的風險因素，為類似工程的參數選取提供理論參考。朱逢斌等[14-15]基于數值模擬法，分析各個影響因素對臨近樁基變形和內力變形的影響，得出了隧道開挖對群樁變形和內力的影響規律。總的來說針對不同的地質條件和施工條件，應該選取不同類型的盾構機，而上軟下硬復合地層因為不同于軟土地層的地層性質，也不同于全斷面硬巖地層構造，因此應當選取復合型盾構機來開挖隧道，而這種介于軟土和硬巖地層的復合型地層斷面構造，在我國地下城市建設的工程案例不在少數。

本文基于前人的研究成果，結合實際工程案例，利用有限元數值模擬軟件ABAQUS分析了盾構機在上軟下硬復合地層中掘進時施工參數土倉壓力和注漿對周圍地層的位移影響規律，為相似工程建設提供理論參考。

2 工程概況

擬建杭州市某地下城市道路工程，采用隧道開挖的形式，其中一標段為明挖法開挖隧道，二標段采用盾構施工法開挖隧道，隧道盾構段總長度為1.7 km，隧道走向為東西向，自東向西進行開挖。該盾構隧道工程為雙線隧道掘進，分為南線和北線，其中北線開挖里程比南線提前1 km左右。盾構機從2號沉井下沉至設計深度并向西掘進至3號沉降井，從3號沉井移出盾構機。盾構段主要地層為素填土、礫質黏土、全風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖。盾構隧道上覆土層厚度為6.3 m～21.8 m，在盾構掘進段經過全斷面軟土地層和軟硬不均的復合地層，掌子面穿越的不均勻地層上部是全風化的軟巖，下部是部分風化或者弱風化的硬巖，因此表現出上軟下硬的地層構造，施工地層物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數

3 有限元模型建立

3.1 模型幾何尺寸

有限元計算模型選取隧道工程盾構掘進段北線中自東向西的第419環管片處，地層結構為上軟下硬地層的開挖斷面作為參考建模，該斷面為典型的上軟下硬地層構造斷面。該斷面的地層分布為：素填土、礫質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中等風化花崗巖和弱風化花崗巖。盾構隧道埋深為15.6 m，位于強風化花崗巖層與中等風化巖層的中間，斷面硬巖占比為33%。為盡量避免邊界條件對模型計算精準度的影響，應當將模型的尺寸盡量放大，但是過大的模型尺寸又會給運算時間帶來不必要的延長，因此合理選取模型尺寸能夠在消除邊界影響的同時盡量縮短模型的運算時間。模型尺寸設置如下：模型橫向寬度為50 m，縱向長度為60 m，高度為42 m，盾構隧道的直徑為13.5 m，所有地層以及地層分界面近似為水平面，模型中取隧道埋深為15 m，襯砌厚度為0.3 m，計算模型如圖1所示。

3.2 模型參數及開挖模擬

地層以及地層分界面近似為水平面，模型中取隧道埋深為15 m，襯砌厚度為0.3 m，地層巖土材料模型采用M-C彈塑性本構模型，地層材料參考工程地質勘探報告所測定的參數如表1所示。襯砌為鋼筋混凝土結構，在模型中采用均值的線彈性本構模型模擬。隧道的開挖模擬采用將隧道形狀的巖土體移除的方式，開挖面處的巖土體被移除后，采用圓環單元模型模擬混凝土襯砌。土倉壓力通過在開挖過程中直接施加到開挖面上的正向壓力來模擬。壁后注漿可通過簡化成等代層來模擬。在實際工程中，壁后注漿一般與管片的安裝同時進行，也可先進行管片的安裝然后再進行壁后注漿處理，在模型計算中選擇壁后注漿和管片安裝同時進行。等代層與襯砌管片物理力學參數如表2所示。

表2 盾構施工等代層和管片物理力學參數

4 土倉壓力對地表沉降的影響

4.1 土倉壓力對橫向地表沉降的影響

圖2為盾構機掘進時不同土倉壓力下的盾構前端地表沉降曲線，可以知道，盾構機在上軟下硬地層中掘進時，地表沉降的發展趨勢呈現出中間深、兩邊淺，從中間往兩邊逐漸遞減的對稱分布。不同的土倉壓力沉降槽的形狀類似，但各個距離處的地表沉降數值發生了變化。隨著土倉壓力的增大，沉降槽中部最大沉降呈現出遞減的趨勢，最大沉降從土倉壓力為0.2 MPa的3.2 mm遞減至土倉壓力為0.3 MPa的2.3 mm，減小幅度為28.13%。從圖2還可以看出，沉降槽的影響范圍也隨著土倉壓力的變化而變化，當土倉壓力為0.2 MPa時，距離軸線22 m處還有大于0.5 mm的沉降產生，但是當土倉壓力上升至0.3 MPa時，該位置處的沉降則衰減至小于0.5 mm，這說明了隨著土倉壓力的升高，沉降槽的影響范圍呈現出縮小的趨勢。

4.2 土倉壓力對縱向地表沉降的影響

圖3為盾構機掘進時不同土倉壓力下的盾構機端點沿軸線方向沉降分布曲線圖。從圖3可以知道，地表沉降沿縱向為遞減發展，沉降最大值剛好位于盾構機端點刀盤位置，然后隨著距離的增加，沉降減小。其中0 m～35 m范圍內沉降曲線的發展近似于二次拋物線，而35 m～60 m沉降曲線趨于平緩，當距離大于60 m時沉降接近于0。在不同土倉壓力下，沉降曲線沿縱向的發展大致相同，只有曲線中間有差異，且差異不明顯，可以看出，隨著土倉壓力的增加，曲線中部10 m～35 m范圍內的沉降減小。以25 m處為例，當土倉壓力為0.2 MPa時，該位置處的沉降約為4.5 mm，而當土倉壓力增加至0.3 MPa時，該位置處的沉降則減小至3 mm，沉降降低幅度為1.5 mm，這說明土倉壓力的增加對復合地層縱向地表沉降的影響較小，而在曲線的兩端，可以看出不同土倉壓力的沉降曲線趨于重合，對于距離為0 m處和距離大于60 m的位置，土倉壓力對地表沉降的影響可以忽略。

5 壁后注漿對地表沉降的影響

5.1 注漿效果對橫向地表沉降的影響

壁后注漿效果對地表沉降槽的影響曲線如圖4所示，圖示曲線為盾構掘進至45 m處時盾構機開挖面后20 m地表橫向沉降槽。從圖4可以看出，不同注漿效果沉降槽的最大沉降差異明顯，隨著注漿效果的提升，沉降槽最大沉降值顯著降低，從注漿效果為20%的28.35 mm降低至80%的8.9 mm，降幅達到了68.6%。這可以說明當注漿效果較好時，由于地層損失而導致的應力釋放程度不高，從而影響了地表沉降的發展。從圖4還可以看出，注漿效果從20%上升至40%時，盾構機端點處的地表最大沉降從28.35 mm降低至約為15 mm，降幅為13.35 mm，而當注漿效果從40%增加至80%時，其降幅為7 mm，由此可知盾構注漿效果從20%上升至40%時對沉降槽中心位移的改善最為明顯，在此基礎上再提升注漿效果對沉降槽中心沉降的改善效果將大大降低。

5.2 注漿效果對縱向地表沉降的影響

圖5為盾構機掘進時不同注漿效果下的盾構機端點沿軸線方向的沉降分布曲線圖。從圖5可以看出，注漿效果對地表沉降的縱向分布影響顯著，盾構機端點處的地表沉降從注漿效果為20%的約29 mm下降至注漿效果為80%的10.9 mm，降幅顯著。從圖5還可以看出，隨著注漿效果的增加，曲線的斜率也隨之變化，當注漿效果為20%時，地表沉降在0 m～40 m范圍內平緩減小，而在40 m～50 m范圍內急劇變化，減小顯著，在40 m～ 60 m范圍內又趨于平緩，最大地表沉降和最小地表沉降分別為29 mm和5 mm，兩者相差24 mm；當注漿效果為80%時，地表沉降在0 m～60 m范圍內都為平緩下降段，并無顯著減小，最大地表沉降為10.9 mm，最小地表沉降趨近于0 mm，兩者相差10.9 mm。這說明注漿效果對減小地表沉降，改善地表差異沉降都有顯著效果。從圖5還可以看出，注漿效果從20%提升至40%時盾構機端點處地表沉降改善最為顯著，從29 mm下降至17.4 mm，而后面注漿效果的提升對該位置處的地表沉降的改善并無更大效果。

6 結論

為研究盾構機在上軟下硬地層中掘進時施工參數對地層位移的影響，采用有限元軟件ABAQUS模擬了盾構隧道施工的過程，并以土倉壓力和注漿效果為自變量，地表沉降為因變量分析了地表沉降曲線的變化規律，得出以下結論：

1)盾構機在復合地基中掘進時，隨著土倉壓力的升高，地表最大沉降呈現出遞減的趨勢，壓力從0.2 MPa增加至0.3 MPa，沉降可降低28.13%。

2)在上軟下硬復合地基中，土倉壓力的增加還可以有效降低地表沉降槽的影響范圍，壓力從0.2 MPa增加至0.3 MPa，距離盾構軸線處22 m的沉降將得到改善。

3)壁后注漿效果對盾構機開挖面后方的地表沉降有顯著影響，隨著注漿效果從20%提升至80%，開挖面后方20 m處的最大沉降大幅降低，降幅為68.6%。