全斷面松散卵礫石地層盾構施工擾動研究

[摘? 要]：為了研究大直徑泥水盾構下穿沅江河床地層施工過程中對地層水壓力和土壓力產生的影響，選取常德沅江隧道下穿地層中3種具有代表性的地層，進行流固耦合分析，采用FLAC3D有限元分析軟件，分析研究盾構接近到穿過再到遠離研究斷面的過程中，地層孔隙水壓力和土壓力的變化規律，以及此過程中管片結構的內力響應及變化，并對3個斷面的分析結果進行對比分析，得出主要結論：①盾構掘進過程中，由于開挖造成的掌子面處孔隙水壓力作用的降低，使隧道周圍孔隙水壓變化明顯，越靠近掌子面，孔隙水壓下降越低;②襯砌背后水壓在掘進至監測點位置時，將達到最小值。隨著盾構的掘進，監測點孔隙水壓逐漸回升;③同一斷面位置處拱頂、拱腰、拱底處的孔隙水壓力變化情況基本相同，盾構掘進沿縱向對土體的孔隙水壓擾動有一定的范圍;④沿縱向不同斷面位置處，盾構掘進隧道開挖過程中隧道洞周范圍內（拱頂、拱腰、拱底）的位移變化曲線相似;其中拱頂發生沉降，當盾構達接近斷面時，拱底發生隆起，而后趨于穩定;⑤3個斷面地層滲透系數均較大，但由于斷面2位于江中水位最高斷面，由于地層滲流引起的孔隙水壓下降相較于斷面1和斷面3較小，由于滲流導致的拱頂沉降也較小，同時拱底隆起也較小。

[關鍵詞]：大直徑盾構隧道; 泥水盾構; 地層擾動; 數值分析; 流固耦合

U455.43A

隨著社會的發展，城市規模的發展越來越多面臨穿江越海的工程狀況，由于工程技術水平的限制，以往大多采用橋梁的方式連接城市兩岸。城市下穿隧道較之橋梁，有著不影響通航、不受天氣影響的優勢，加之近年施工技術水平的提高，我國越來越多的出線隧道穿越江河的工程實例[1]。

通常而言，泥水盾構開挖過程中會對開挖面前方的地層產生擾動，從而導致其地層沉降及孔隙水壓變化，具體變化情況隨地層以及施工參數的不同而存在差異。目前對于地層擾動的研究大都采用數值模擬計算的方法進行分析。王乾屾等[1]在不同軟土地層中研究盾構施工期間不同階段地層孔隙水壓力的變化規律，發現泥水盾構對對孔隙水壓產生的影響隨位置變化較為明顯。朱建明等[2]依托江蘇江陰澄江西路過江隧道工程，研究大直徑泥水盾構施工對軟土地層的擾動影響。研究表明增大上部土層的E、c、φ值可以有效地減小軟土地層的沉降量，降低盾構施工對土體的擾動影響。張忠苗等[3]通過對杭州錢塘江隧道泥水盾構施工的分析，研究了泥水盾構施工引起的地面固結沉降的特點，發現通過優化泥水盾構掘進參數，可減少施工擾動，從而降低固結沉降量和固結沉降時間。溫瑜琴等[4]研究了不同覆徑比和雙圓盾構機有無豎向支撐情況下的地表沉降和隧道周圍土體變形。發現當盾構機內部存在豎向支撐時，支撐將隧道上方土體的沉降與下方土體的隆起中和"抵消"，從而有效提升雙圓盾構機的豎向承載能力，減小周圍地層的變形。

綜上所述，針對泥水盾構對地層產生的影響在不同性質的地層中存在不同結果，同時施工參數對地層的作用也十分顯著。為此結合沅江下穿隧道，選取下穿地層中3種代表性地層進行數值模擬流固耦合分析，研究大直徑泥水盾構穿越強透水卵礫石地層不同埋深情況下，地層擾動情況。

1 工程概況

本文依托工況為常德沅江隧道，隧道整體全長1 980 m，其中明挖段長度300 m，盾構段長度1 680 m，為雙洞雙向4車道公路隧道，外徑11.73 m，內徑10.3 m，管片幅寬2 m，采用C50混凝土，采用錯縫拼裝。盾構穿越區位于沅江下游位置，盾構段下穿河床長度為800 m，河床地層70%為滲透系數極強的圓礫地層，平均滲透系數為120 m/d。整體來看，地層粒徑跨度大，顆粒級配差，中顆粒含量較少，導致在開挖過程中細顆粒隨孔隙水的流動產生流失[5]，所以對于盾構下穿該地層河床區段的流固耦合數值分析十分有必要。下穿各類地層物理力學參數如表1所示。

1.1 斷面及建模

綜上所述，本文選取沅江隧道下穿河床區段中3個代表性地層，進行流固耦合分析，研究從盾構機接近、下穿、遠離監測斷面的過程中，盾構施工對地層的擾動，分析地層孔隙水壓力和土壓力的變化規律，以及此過程中管片結構的內力響應及變化，并對3個斷面的分析結果進行對比分析。

1.1.1 江北岸抗浮梁末端斷面

斷面1位于東線里程XK0+630 m處，位于江北岸抗浮梁末端，位于抗浮梁加固段與未加固段交接處，處于未加固段內埋深最小斷面。且此處盾構穿越地層為整個卵石地層，地層孔隙較大，滲透系數較大，盾構施工過程中，地層極易受到擾動，具有較大的研究意義[6]。根據隧道縱斷面圖，斷面1

地層分布情況如圖1所示。

巖土工程與地下工程董俊華： 全斷面松散卵礫石地層盾構施工擾動研究

根據上述資料，采用利用FLAC3D軟件建立三維有限元進行計算。地層和盾構管片采用實體單元模擬。盾構隧道下穿該斷面時，埋深約為12.64 m，地下水位線位于地面2.5 m處。盾構隧道管片內徑10.3 m，外徑11.3 m，厚度0.5 m，管片幅寬2 m。

模型的總體尺寸為80 m（X軸方向）×80 m（Y軸）×80 m（Z軸），坐標原點在隧道中心點處。模型四周和底部設置不透水邊界，開挖過程中掌子面設為透水邊界，并根據模型水壓力特點固定邊界水壓力[7]。建立的斷面1三維有限元模型如圖2所示。

1.1.2 江中埋深最大斷面

斷面2位于東線里程XK01+172 m處，此處為隧道江中埋深最大位置。由于江中大部分地層為圓礫或卵石，滲透系數較大，所以江中埋深最大斷面即為水位最高斷面，在施工過程中水壓較大，故有較大研究意義。斷面2地層分布情況如圖3所示。

盾構隧道下穿該斷面時，埋深約為11.10 m。盾構隧道管片內徑10.3 m，外徑11.3 m，厚度0.5 m，管片幅寬2 m。和斷面1的計算相同，模型總體尺寸與斷面1相同。

1.1.3 江南岸埋深最小處

斷面3位于東線里程XK01+690 m處，此處為隧道盾構江南大堤下加固區與未加固區交接處，此處地層埋深較淺，且未加固，管片具有一定的上浮風險，具有一定研究意義。斷面3地層分布情況如圖4所示。

盾構隧道下穿該斷面時，埋深約為12.64 m。盾構隧道管片內徑10.3 m，外徑11.3 m，厚度0.5 m，管片幅寬2 m。

模型總體尺寸與斷面1和斷面2相同。

2 計算結果及分析

2.1 計算工況地層孔隙水壓分析

2.1.1 工況1地層水壓分析

盾構穿越地層為卵石地層，滲透系數120 m/d，透水性極強，水位線位于地表下1.6 m，隧道在盾構掘進后，將破壞原始地層中場體的平衡，最典型的變化就是地層中排水邊界條件的改變。掘進前，原始地層中的滲流場為穩定的平衡滲流場，掘進后，由于渣土的排出、管片的立即支護和同步壁后注漿，使得地層滲透參數發生很大變化，從而使地層的滲流場發生變化[8]。由于盾構開挖引起的“臨空面”的存在，隧道核心土周圍土體孔隙水壓力為0。

本次計算中為了研究盾構施工中管片襯砌背后的孔隙水壓力變化規律，每隔4 m（2環）布置了相應的監測點（該點位于盾構停機計算斷面），分別監測拱頂、拱腰、拱底的孔隙水壓力。限于篇幅，提取開挖第5步（y=20 m）、開挖第6步（y=24 m）和開挖第7步（y=28 m）時斷面的孔隙水壓力值，得到沿軸線縱向方向不同位置節點的孔隙水壓力變化規律如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可得：襯砌背后孔隙水壓（在襯砌施作前為該點所處地層孔隙水壓），在盾構到達前呈逐漸減小的趨勢;盾構在掘進至監測點位置時，由于掌子面涌水降壓，監測位置的孔隙水壓將達到最小值。隨著盾構的掘進，掌子面離監測點位置越來越遠，監測點孔隙水壓逐漸回升，逐漸趨于穩定[9]。

對比圖5～圖7可知，開挖完成后孔隙水壓降低量拱頂>拱腰>拱底，分析其原因為拱頂距離填土層距離較近，滲透系數遠小于卵石層，故孔隙水壓力回升收到影響，且3位置在盾構掘進遠離監測斷面10個開挖步后趨于穩定，說明盾構掘進沿縱向對土體的孔隙水壓擾動有一定的范圍[10]。

2.1.2 工況2地層水壓分析

斷面2江水水位高度為12 m，地表水壓為0.12 MPa，模型底部水壓為0.98 MPa;而在隧道縱向方向上，孔隙水壓梯度無變化。同斷面1一樣，得到斷面2地質條件下沿軸線縱向方向不同位置節點的孔隙水壓力變化規律如圖8～圖10所示。

通過圖8可得，由于拱頂處地層滲透性的差異，盾構掘進開挖時拱頂孔隙水壓力在盾構到達前一直降低，在盾構離開后有小幅波動，最終開始回升，但最終穩定值相較于初始地層壓力值較高，這是由于地層初始水壓力較高，盾構開挖時泥漿壓力較大，盾構穿過后，泥漿對地層的作用較為明顯[11]。通過圖9可得，斷面2拱腰位置水壓力變化與斷面1基本相同，但由于開挖時泥漿壓力較高，穩定后水壓高于初始地層水壓[12]。通過圖10可得，由于穿越地層滲透性高，盾構離開后，拱底孔隙水壓并沒有太大的回升跡象。

2.1.3 工況3地層水壓分析

斷面3地下水位于地表下4 m，故模型頂部水壓為0，模型底部水壓為0.818 MPa;而在隧道縱向方向上，孔隙水壓梯度無變化。同斷面1、斷面2一樣，得到斷面3地質條件下沿軸線縱向方向不同位置節點的孔隙水壓力變化規律如圖11～圖13所示。

通過圖11可得，盾構掘進開挖時拱頂孔隙水壓力在盾構到達前一直降低，在盾構到達監測斷面時達到最小，最終穩定值小于原始水壓力值，最終經過長時間的恢復，將達到初始地層水壓力值[13]。通過圖12可得，在盾構離開監測斷面后，拱腰水壓有一定的增大，隨后逐漸降低，并趨于穩定，隨著盾構遠離，水壓逐漸回落[14]。通過圖13可得，拱底水壓變化與拱頂基本一致，呈現先降低后增大的趨勢。

2.2 計算工況地層管片位移分析

2.2.1 工況1管片位移分析

盾構在掘進過程中，對地層的擾動會導致已經拼裝完成的管片產生相應的位移。通過分析不同地層條件下管片的位移情況，可以得到開挖的最不利斷面，從而對實際施工有一定的指導意義。

限于篇幅，提取開挖第5步（y=20 m）、開挖第6步（y=24 m）和開挖第7步（y=28 m）時斷面的拱頂和拱底豎向位移值，得到沿軸線縱向方向不同位置節點的豎向位移變化規律如圖14、圖15所示。

從圖14、圖15中可以看出，沿縱向不同斷面位置處，拱頂位移的變化曲線相似，盾構機到達監測斷面2個開挖步（8 m）時，地層開始明顯沉降，盾構機到達監測斷面時沉降達到最大，隨后，隨著注漿壓力和地下水位的回升，地層出現隆起，而后趨于穩定。各斷面拱底位移變化類似。在盾構未到達前一定范圍，拱底基本無位移，當盾構達接近斷面時，拱底發生隆起，而后趨于穩定[14]。

2.2.2 工況2管片位移分析

斷面1和斷面2地層條件下管片襯砌背后孔隙水壓力的時程變化關系說明滲透性不同的地層盾構掘進時地層滲流差異性很大，因此孔隙水壓力的消減帶來的地層位移的變化也不同。通過分析不同地層條件下管片的位移情況，可以得到開挖的最不利斷面，從而對實際施工有一定的指導意義。同斷面1，得到沿軸線縱向方向不同位置節點的豎向位移變化規律如圖16和圖17所示。

從圖中可以看出，拱頂位置的地層發生沉降，在盾構機刀盤距離監測斷面2個開挖步長時沉降顯著增大，隨后沉降緩慢增大，在大約9～10個開挖步長時趨于穩定。且與斷面1較為類似。

2.2.3 工況3管片位移分析

同斷面1和斷面2，提取洞周位移，作洞周位移變化時程曲線如圖18、圖19所示。

從圖18中可以看出，斷面3洞周位置處豎向位移隨盾構掘進的變化趨勢相同，但由于埋深的原因，該斷面下拱頂沉降最大11.38 mm，明顯大于其他2個斷面。

3 各斷面計算結果對比分析

3.1 各斷面孔隙水壓力影響對比分析

為了更好地體現不同地層之間的施工影響差異，現提取3個斷面第4、5、6開挖步隧道拱頂、拱腰、拱底節點的初始孔壓力值和開挖完成后的孔隙水壓力值如表2～表4所示。

根據表2～表4可知，斷面1地層條件下的隧道拱頂孔隙水壓力減小值約為0.014 5 MPa，水壓力減小比為11.57%。腰孔隙水壓力減小值約為0.096 1 MPa，水壓力減小比為49.05%左右;隧道拱底孔隙水壓力減小值約為0.077 5 MPa，水壓力減小比為35.63%左右。

斷面2地層條件下的隧道拱頂孔隙水壓力減小值約為0.014 5 MPa，水壓力減小比為4.86%左右;隧道拱腰孔隙水壓力減小值約為0.058 1 MPa，水壓力減小比為16.22%左右;隧道拱底孔隙水壓力減小值約為0.057 5 MPa，水壓力減小比為13.77%左右。

斷面3地層條件下的隧道拱頂孔隙水壓力減小值約為0.031 9 MPa，水壓力減小比為24.18%左右;隧道拱腰孔隙水壓力減小值約為0.046 1 MPa，水壓力減小比為23.51%左右;隧道拱底孔隙水壓力減小值約為0.075 1 MPa，水壓力減小比為29.44%左右。

對比表2～表4，同一斷面地層條件下，盾構施工對隧道拱頂、拱腰、拱底處孔隙水壓力的影響基本相同。在斷面2，由于隧道穿越全斷面圓礫石地層，其滲透性較大，且位于江中，水頭補給充足，開挖引起的隧道周圍孔隙水壓力的減小值最小。而斷面1和斷面3位于南北兩岸，上覆地層滲透系數較小，盾構到達監測斷面時，地下水開始下降，在盾構經過斷面后，地層水回升較慢，監測斷面的水壓回升較慢[15]。

3.2 各斷面管片襯砌位移影響對比分析

同理，為了更好地反應不同地層下盾構施工產生的位移影響差異，提取3個斷面第4、5、6開挖步位置處隧道拱頂、拱底節點位移如表5、表6所示。

對比上表可以發現，3個工況計算斷面在盾構施工過程中，拱頂產生明顯沉降，拱底發生明顯隆起。其中斷面2的位移最小，這是由于斷面2位于江中，水資源豐富，地下水可以得到及時的補充，且上部水頭較大，故沉降和隆起都較小。斷面1與斷面3埋深較大，且上部沒有水頭壓力，故豎向位移均較大。

4 結論與建議

常德沅江隧道盾構段主要穿越砂卵石地層，結構松散，滲透系數大，易受施工擾動。本文利用FLAC3D建立相應地層條件的下的單洞隧道開挖流固耦合計算模型，分析盾構隧道穿越相應地層條件下滲流場和位移場的變化情況，對水下盾構隧道穿越富水透水性強地層的施工提供相應的參考。通過對比分析，主要得出結論及建議：

（1）襯砌背后孔隙水壓（在襯砌施作前為該點所處地層孔隙水壓），在盾構到達前呈逐漸減小的趨勢;盾構在掘進至監測點位置時，由于掌子面涌水降壓，監測位置的孔隙水壓將達到最小值。隨著盾構的掘進，掌子面離監測點位置原來越遠，監測點孔隙水壓逐漸回升。

（2）同一斷面位置處拱頂、拱腰、拱底處的孔隙水壓力變化情況基本相同，且盾構掘進沿縱向對土體的孔隙水壓擾動有一定的范圍。

（3）沿縱向不同斷面位置處，盾構掘進隧道開挖過程中隧道洞周范圍內（拱頂、拱腰、拱底）的位移變化曲線相似;其中拱頂發生沉降，當盾構達接近斷面時，拱底發生隆起，而后趨于穩定。

（4）比較3個斷面的計算結果，3個斷面地層滲透系數均較大，但由于斷面2位于江中水位最高斷面，在盾構掘進過程中，由于地層滲流引起的孔隙水壓下降相較于斷面1和斷面3較小，由于滲流導致的拱頂沉降也較小，同時拱底隆起也較小。而對于斷面2和斷面3埋深較小水壓較大，施工過程中應該注意上浮問題。

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