天津濱海軟土場地地鐵盾構隧道施工數值模擬分析*

張 煜，王大永，張壯壯，李 晨，王星凡，張學杰，呂 楊

(1.中鐵一局集團天津建設工程有限公司，天津 300250； 2.天津城建大學天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室，天津 300384)

0 引言

為緩解城市地面交通壓力、提高土地利用效率，我國各大城市正在大力建設城市軌道交通，尤其是地鐵軌道交通。由于城市區域建筑密集，地鐵隧道一般采用盾構法施工，施工工序包括土體開挖、外層管片安裝拼接、盾構機掘進、管片外灌漿處理等。天津地區地質條件較差，多屬于海積軟土，具有低承載力、高壓縮性、高地下水位、土性沿豎向變化大(地表以下30m深度范圍內分布有填土、淤泥質土、黏土和砂性土等)等特點。隧道埋置于土體內部，盾構施工過程會對土體產生擾動，引起土體應力重分布和孔隙水壓力變化，由于土體初始應力平衡受到破壞，盾構施工過程中土體會發生沉降，對上層結構產生擾動和破壞。

盾構隧道開挖引起地表沉降，其中影響最顯著的因素有隧道埋深、穿越土層性質、注漿時間及襯砌拼裝等。為精確分析盾構施工對地表沉降的影響，當前主要的分析方法有解析法、經驗公式法、數值模擬法及模型試驗法等[1]。1969年，Peck[2]提出了地層損失概念，估算了隧道開挖引起的地表沉降。在Peck公式的基礎上，姜忻良等[3]通過回歸分析提出了不同深度土層沉降槽寬度系數計算公式。Verruijt[4-5]采用復變函數，假定隧道受到沿徑向均勻分布的位移和應力，推導了隧道開挖復變函數解。在Park[6]提出4種隧道洞周徑向變形模式的基礎上，王立忠等[7]給出了隧道開挖的彈性解。Sagaseta[8]將鏡像法應用于隧道開挖引起的地表沉降預測中，通過假定鏡像源將半無限體問題轉化為無限體中的應力應變問題。王忠昶等[9]采用Adina有限元軟件，系統分析了隧道開挖過程中，隧道周圍地層損失和圍巖應力重分布對上部結構位移及應力的影響。闞呈等[10]和張姍磊[11]分別通過有限差分程序分析了隧道開挖對建筑物沉降和變形的影響規律。趙俊杰等[12]以蘭州地鐵2號線公交五公司出入線段地鐵施工為背景，考慮了注漿硬化過程及盾構曲線穿越影響，建立了盾構曲線穿越暗挖隧道三維數值模型，分析了暗挖隧道在未修建、已完工、半施工及已加固工況下盾構施工引起的地層及襯砌結構受力與變形規律，并對在建暗挖隧道全斷面注漿加固方案進行了驗證。朱紅桃[13]通過數值模擬研究了新建隧道近距離平行施工對既有隧道的影響，對比分析了“先左孔后右孔”和“先右孔后左孔”施工工序下地層損失率、盾構頂推力和注漿情況，結果表明“先左孔后右孔”施工工序更優。曹志勇等[14]以常州市軌道交通2號線一期工程下穿京杭運河段為工程背景，分析了下穿河流雙線盾構隧道管片力學特性，研究了小半徑雙通道盾構隧道管片內力及變形特性和不同上部荷載及注漿壓力對管片內力及變形的影響。

前述方法為地鐵盾構掘進分析提供了有效途徑，但針對濱海飽和軟土開展的盾構掘進研究相對較少。為此，本文以天津地鐵4號線北段盾構隧道工程為例，通過有限元數值分析，研究軟土場地地鐵盾構隧道掘進過程中，埋深、掌子面壓力、注漿層彈性模量、相同埋深下上覆土類型和超孔隙水壓對盾構隧道沉降的影響。

1 工程概況

天津地鐵4號線北段土建1標段盾構區間全長1 869.918m，線路下穿多處建筑、津霸鐵路及多條市政管線，盾構施工時對地表變形的要求嚴格。

模擬區間材料主要物理力學參數如表1所示，根據土層物理力學參數，將土層劃分為10層。地下水深度為2.4m，地下水水位以下土體按飽和土體計算，地下水水位以上土體按天然重度計算。按照規范要求，管片參數按15%折減，折減后彈性模量為28.8GPa。考慮注漿層硬化過程，初始注漿層彈性模量取為4.8MPa，硬化后的彈性模量為初始值的2.25倍，取為10.8MPa，通過場變量進行控制。

表1 材料主要物理力學參數

2 盾構機掘進過程數值模擬

盾構機掘進過程主要分為工作面開挖、襯砌拼裝及盾尾空隙注漿等主要步驟，工作面開挖和襯砌拼裝交替進行，直至整條隧道施工完成。通過對開挖面施加掌子面壓力，模擬盾構機前方土體運動。盾尾空隙填充可通過改變注漿層參數實現。數值模擬分析過程中，襯砌安裝及注漿是保證盾構施工模擬精度的關鍵。

假設土體為理想彈塑性體，不考慮管片襯砌和注漿層的塑性性能。首先進行整體模型地應力平衡，將模型施加重力荷載，同時鈍化襯砌、注漿層和盾構機。將每個節點的初始位移設置為接近于0，同時，為消除邊界約束的影響，計算時盾構機并不是從端部開始掘進的，而是從距端部一定距離的位置處開始掘進的。分析步驟如下：①第1步 將盾構機后部隧道內土體鈍化，同時激活相應位置的襯砌和注漿層，并激活掌子面壓力；②第2步 將盾構機置于指定位置，激活相應位置的盾構機，同時鈍化相應位置的土體，激活掌子面壓力，取消上一步的掌子面壓力；③第3步 鈍化第1塊開挖土體和第2步激活的盾構，同時激活開挖土體位置的盾構機和鈍化位置的襯砌、注漿層，激活下一步開挖面的掌子面壓力，鈍化上一步的掌子面壓力。在模擬計算中，忽略了土層、襯砌和盾構機之間的摩擦力。

采用ABAQUS軟件建立計算模型，如圖1所示。考慮地下水作用的土體單元采用C3D8RP單元模擬，襯砌和注漿層采用C3D8R單元模擬，盾構機采用S4R單元模擬。主要研究隧道開挖土體卸載過程，土體采用Mohr-Coulomp本構模型模擬。

模型四周及底面施加切向約束，頂面為自由邊界，地下水水位處施加零孔壓邊界條件，其余面施加不透水邊界條件，開挖面由于穿越黏土層，施加不透水邊界條件。隧道開挖時，地層擾動影響范圍為距隧道橫斷面和縱斷面中心點3～5倍盾構隧道直徑，所以有限元模型長、寬、高分別取為80，30，32m。

對埋深、掌子面壓力、注漿層彈性模量及圍巖孔隙水壓的影響進行分析，隧道埋深包括2.0，2.5，3.0，3.5倍盾構隧道直徑，掌子面壓力包括0.25，0.30，0.35MPa，注漿層硬化前、后的彈性模量分別為4.8，8.0MPa和10.8，18.0MPa。

3 數值模擬結果分析

3.1 模擬結果驗證

選取實測津灞鐵路斷面與模擬結果進行對比分析，如圖2，3所示。由圖2，3可知，模擬結果與實測結果吻合較好，驗證了模型的正確性。

3.2 地表縱向沉降

隧道開挖過程中，距起始開挖面12m位置處的地表縱向沉降較大，對應的沉降曲線如圖4所示。由圖4可知，在開挖過程中，由于掌子面壓力的作用，開挖面前方土體發生隆起，在土體應力釋放及盾尾間隙的影響下，開挖面后方土體發生沉降。在整個盾構機掘進過程中，地表最大沉降發生在距起始開挖面約15m位置處，約為3.2mm；地表最大隆起發生在距起始開挖面約70m位置處，約為0.5mm。

3.3 隧道埋深對地表沉降的影響

為研究隧道埋深對地表沉降的影響，選取盾構機掘進50m時的地表沉降進行分析，結果如圖5，6所示。由圖5，6可知，隨著隧道埋深的增加，地表沉降逐漸減小，沉降槽寬度逐漸增大，地層擾動的范圍逐漸增大。這是因為隨著隧道埋深的增加，土體會形成拱頂效應，抑制土體沉降。當隧道埋深為2.0D(D為盾構隧道直徑)時，上方土體沿隧道中線向兩側出現了較大的隆起。當距隧道中心線的距離>2.5D時，地表沉降槽開始逐漸平緩，在此范圍外，盾構隧道施工對地表沉降的影響較小。由圖6可知，隧道埋深為2.0D，2.5D，3.0D，3.5D對應的地表最大沉降分別為4.3，3.8，2.3，1mm。

不同隧道埋深下地表沉降規律均與Peck公式計算得到的曲線規律相似，沉降槽寬度i計算公式為：

(1)

式中：Z為隧道埋深，即隧道中心至地表的距離；φ為各層土取加權平均后的內摩擦角，本工程φ=21.8°。

由式(1)可知，沉降槽寬度與隧道埋深成正比，這主要是因為隧道埋深會影響隧道開挖土體擾動區域，埋深越大，受影響的土體范圍越大(見圖5)。當隧道埋深為2.0D時，由圖6可知，地表在隧道兩側產生明顯的向上隆起現象，這是因為盾構機掘進時掌子面壓力選取過大，相對于隧道周邊土體，隧道襯砌產生的法向應力遠大于軸向拉壓應力，隨著隧道的開挖，土體將壓力直接作用于襯砌上，使襯砌形狀變為長軸在水平方向的橢圓形，襯砌在水平方向上產生了向外推擠的力和運動趨勢，在垂直于水平方向上產生了向下的力和位移，最終導致隧道中線兩側出現了較大的隆起現象。

3.4 掌子面壓力對地表沉降的影響

盾構機掘進過程中，通過調節不同掌子面壓力維持開挖面穩定。選取掌子面壓力分別為0.30，0.35，0.40MPa進行有限元模擬分析，隧道埋深為3.0D、注漿層彈性模量為4.8MPa時的計算結果如圖7，8所示。

由圖7可知，隨著距起始開挖面距離的增加，地表縱向沉降逐漸減小。這是因為掌子面壓力大于土壓力造成土體嚴重破壞，盾構機掘進過程中，掌子面壓力對前方土體產生明顯的推力，使拱頂上方土體向上隆起，當盾構機穿過時，原有掌子面壓力產生的隆起與土體沉降部分抵消。因此，盾構機掘進過程中應選擇合適的掌子面壓力，避免因掌子面壓力過大或過小引起地表不合理沉降。

由圖8可知，3種掌子面壓力對地表橫向沉降的影響范圍均為距隧道中心線20m的范圍內，超過該范圍后地表沉降趨于穩定；掌子面壓力為0.30，0.35，0.40MPa時的地表最大沉降分別為4.1，3.7，3.5mm，可知隨著掌子面壓力的增大，地表最大沉降減小，這是因為掌子面壓力引起上方土體隆起，抵消了部分沉降，掌子面壓力過大會引起上方土體隆起過大。

3.5 注漿層彈性模量對地表沉降的影響

為研究注漿層彈性模量對地表沉降的影響，選取隧道埋深為3.0D、掌子面壓力為0.35MPa、注漿層彈性模量分別為4.8，8.0MPa的工況進行計算分析，結果如圖9所示。

由圖9可知，當注漿層彈性模量為4.8MPa時，拱頂地表最大沉降約為3.8mm；當注漿層彈性模量為8.0MPa時，拱頂地表最大沉降約為2mm；注漿層彈性模量越大，地表沉降越小。為防止地表沉降過大，需有效控制注漿層彈性模量。與此同時，同步注漿、二次注漿和后墻注漿會對地表沉降產生較大影響。

3.6 襯砌圍巖周邊節點沉降

隧道開挖過程中，距起始開挖面50m位置處襯砌圍巖周邊節點(沿隧道長度方向中部襯砌拱頂、拱腰及拱底節點)沉降曲線如圖10所示。

由圖10可知，盾構機掘進40m前，拱頂、拱腰及拱底幾乎無沉降；盾構機掘進40m后，隨著掘進距離的增加，拱頂沉降和拱底隆起逐漸增大，盾構機到達開挖面時拱頂沉降和拱底隆起達最大，隨著盾構機的遠離，拱頂沉降和拱底隆起逐漸減小并趨于穩定；拱腰沉降變化幅度較小，最大隆起約為2mm。拱底出現隆起的原因是上方土體開挖后，土體應力得到釋放，向上隆起。

3.7 土體超孔隙水壓

隧道開挖將引起超孔隙水壓變化，關鍵位置超孔隙水壓如圖11所示。

由圖11可知，隨著盾構機掘進至開挖面(開挖時間為0～55h)，超孔隙水壓逐漸增至最大值；隨著盾構機的繼續掘進，拱腰、拱底超孔隙水壓先減小后增大并趨于穩定，拱頂超孔隙水壓先增大后減小并趨于穩定；拱頂、拱腰、拱底位置處超孔隙水壓最大值分別約為1.6，1.2，0.8kPa。

4 結語

本文通過有限元軟件ABAQUS對天津濱海軟土場地地鐵盾構隧道施工進行數值模擬分析，研究了隧道埋深、掌子面壓力、注漿層彈性模量對地表沉降的影響，并分析了襯砌圍巖周邊節點沉降、土體超孔隙水壓變化規律，得出以下結論。

1)隧道施工過程中，開挖面前方土體在掌子面壓力作用下發生隆起，最大隆起約0.5mm；盾構開挖造成土體應力釋放，隧道上方及開挖面后方土體發生沉降，最大沉降約3.2mm。

2)隧道施工過程中，隨著隧道埋深的增大，拱頂地表沉降逐漸減小。這是由于隨著隧道埋深的增大，盾構機距地表的距離越大，盾構機掘進對上層土體的擾動越小，地表沉降越小。

3)當掌子面壓力為0.30，0.35，0.40MPa時，隨著距起始開挖面距離的增加，地表縱向沉降逐漸減小；3種掌子面壓力對地表橫向沉降的影響范圍均為距隧道中心線20m的范圍內，超過該范圍后地表沉降趨于穩定；隨著掌子面壓力的增大，地表最大沉降減小。

4)隨著注漿層彈性模量的增大，地表沉降逐漸減小。為防止地表過度沉降，施工過程中應嚴格控制注漿層彈性模量，并做好同步注漿、二次注漿及后墻注漿工作。

5)隧道開挖過程中，以拱腰為界，拱腰上方土體發生沉降，下方土體發生隆起。盾構機掘進40m前，拱頂、拱腰及拱底幾乎無沉降；盾構機掘進40m后，隨著掘進距離的增加，拱頂沉降和拱底隆起逐漸增大，盾構機到達開挖面時拱頂沉降和拱底隆起達最大，隨著盾構機的遠離，拱頂沉降和拱底隆起逐漸減小并趨于穩定；拱腰沉降變化幅度較小，最大隆起約為2mm。

6)盾構機掘進會引起土體超孔隙水壓變化，隨著盾構機掘進至開挖面，超孔隙水壓逐漸增至最大值；隨著盾構機的繼續掘進，拱腰、拱底超孔隙水壓先減小后增大并趨于穩定，拱頂超孔隙水壓先增大后減小并趨于穩定。