基巖凸起復合地層盾構施工地表沉降研究

黎湛榮/LI Zhanrong

（廣東華隧建設集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程背景及基巖侵入比概念

1.1 工程概況

廣州地鐵8 號線北延段工程同德圍站-上步站盾構隧道區間長度為616.25m，埋深約10～16m，標高-2.40～-7.40m；隧道內徑?5 400mm，管片厚300mm。盾構管片全環分成6 塊，3 塊標準A 型管片，2 塊封頂的相鄰塊A、C 型管片，1 塊封頂塊K 型管片。

1.2 工程地質條件

根據同上盾構區間地質勘察資料，該盾構區間基巖面起伏大，隧道洞身大部分為砂層，局部底板處有微風化灰巖侵入隧道，隧道斷面上軟下硬。盾構隧道斷面需穿越不同基巖侵入比的復合地層，工程地質條件較差。

1.3 基巖侵入比的概念

廣州地鐵8 號線北延段同上區間為上軟下硬的復合地層。盾構隧道上覆土層性質基本一致，主要為黏性土和砂土，但隧道沿線基巖是起伏變化的，導致沿線不同開挖面基巖所占比例不相同。為了研究開挖面基巖所占比例不同對地層變形的影響，定義“基巖侵入比”為：沿線盾構隧道開挖面上基巖高度與開挖面高度的比值。

其中，β為基巖侵入比；h為基巖高度；H為隧道開挖面總高度。盾構區間復合地層如圖1所示。

圖1 盾構區間復合地層

2 地表沉降監測與分析

同上區間的橫向地表監測點從盾構拱頂由中心向兩側由近到遠，按測點間距3～5m 遞增布。具體布置圖如圖2 所示。

圖2 地面沉降監測點橫斷面布設示意圖

為確定開挖面基巖侵入比與地表沉降的關系，根據巖土地質勘察報告，在隧道沿線選取5個不同基巖侵入比的橫斷面進行監測。5 個典型斷面對應的管片編號分別為YD170（基巖侵入比0）、YD203（基巖侵入比0.2）、YD200（基巖侵入比0.5）、YD161（基巖侵入比0.85）、YD162（基巖侵入比1），監測平面分布圖見圖3。

圖3 監測斷面示意圖

圖4為不同基巖侵入比下實測的地表橫向沉降曲線圖。盾構隧道施工時，5 個監測斷面的地表橫向沉降規律表明，隧道拱頂對應的地表沉降值最大，且隨著橫向監測點遠離隧道拱頂，地表沉降值逐漸減小。隧道拱頂監測點附近的沉降值變化快于遠離隧道拱頂監測點的沉降值。監測所得的地表橫向沉降曲線具有明顯的沉降槽，與Peck 的預測曲線一致。

圖4 不同基巖侵入比橫向沉曲線圖

基巖侵入比對地表橫向沉降有明顯影響。總體趨勢是，隨著基巖侵入比的增大，地表沉降值相應減小，沉降槽變淺。不同基巖侵入比地層的地表沉降差異明顯，最大差異約為3.2mm。當基巖侵入比在0.2～0.5 之間或者在0.85～1 之間時，地表沉降曲線變化不大，最大沉降差僅為1.4mm。但在基巖侵入比為0～0.2 或者在0.5～0.85之間時，地表最小沉降差為3.13mm。當基巖侵入比為零時，沉降值達到最大值13.2mm。

3 有限元數值模擬分析

3.1 計算模型建立

本文主要研究不同基巖侵入比地層中盾構掘進引起的地表沉降規律。為了便于比較分析，選取5 個監測斷面（YD170、YD203、YD200、YD161和YD162）進行模擬仿真，利用MIDAS-GTS 建立了5 個基巖侵入比分別為0、0.2、0.5、0.85 和1 的數值模型。模型沒有考慮地下水和固結沉降的影響。計算模型的計算范圍為X方向60m，Y方向72m，Z方向38m。隧道上覆土層厚14m。

模型網格采用Midas GTS 特有的混合網格進行劃分，即四面體+六面體的網格。該網格不僅可以提高計算精度，還可以提高計算速度。在隧道開挖范圍的網格需要劃分比較細，將尺寸設置為0.5m。在模型邊界的網格劃分得比較粗，將尺寸設置為3m。然后從模型邊界至開挖部分的尺寸按線性梯度逐漸減小。對于模型的邊界條件采用位移邊界。對模型四周邊界以及底面邊界施加固定約束，即限制X向、Y向和Z向的位移，同時地表不施加任何約束，為自由面。

3.2 模型參數及相關假定

隧道開挖所用的盾構采用板單元進行模擬，材料采用鋼材的屬性，彈性模量取為250GPa，泊松比取為0.2，容重為78kN/m3。實際盾構隧道管片材料采用的C50 混凝土，由GB50010-2010《混凝土結構設計規范》可知管片彈性模量應該取34.5GPa，考慮到管片環向及縱向拼接對管片剛度折減的影響，在模型計算中管片的彈性模量取規范建議的80%的折減值，即27.6GPa，管片泊松比取0.2，采用板單元進行模擬。管片注漿層采用泥水等代層[6]進行等效，等代層厚度取0.3m，采用實體單元進行模擬，計算過程不考慮漿液的硬化過程[7]。以上結構材料均只考慮彈性范圍內的受力變形，即采用彈性本構。巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土物理學參數

為了更準確地反映盾構開挖以及管片受力的情況，模型設置了掌子面壓力、千斤頂推力以及注漿壓力。掌子面壓力按經驗取值為180kPa。千斤頂推力和注漿壓力按實際情況取值，其中千斤頂推力取為10 000kN，注漿壓力取為500kPa。

3.3 盾構開挖模擬

為了提高計算效率及盡可能與實際施工工況接近，隧道每掘進兩環管片（3m）為一個工況，貫通隧道后共需掘進48 環。盾構開挖模擬：①第一步施加自重和土層邊界條件，進行初始應力場分析，并清零初始位移，方便研究隧道開挖引起的增量位移；②第二步“鈍化”隧道開挖土體，施加掌子面壓力穩定開挖面，“激活”盾殼，模擬盾構掘進過程；③第三步“激活”管片單元，模擬盾尾管片拼裝過程；④第四步“激活”彈性模量為25MPa 的漿液等代層單元，并在注漿層上施加徑向的注漿壓力，考慮注漿壓力對地層和管片的影響，模擬盾尾同步注漿，同時“激活”千斤頂推力，為下一步開挖提供前進的頂推力；⑤重復步驟①～④繼續往下開挖，直至所有管片拼裝完畢。

3.4 計算結果分析

分別建立5 個不同基巖侵入比的數值模型進行計算，模擬不同上軟下硬地層條件下盾構開挖對地表沉降的影響，包括橫向地表沉降及縱向地表沉降。為了充分反映盾構開挖對地表沉降的影響，沿地層縱向選取Y=10m，Y=20m及Y=30m 的橫斷面進行分析。當基巖侵入比為0.5 時（Y=10m），隧道開挖面下半部分的圍巖基本處于穩定狀態，受擾動的影響非常微小。拱底有一定的隆起現象，主要是由于隧道開挖引起的卸荷作用產生的。拱頂位置有較大的沉降，最大沉降將近40mm。由于隧道開挖面有50%的軟弱地層，盾構掘進時需要嚴格控制掘進參數以及調整好掘進姿態，有效控制軟弱地層擾動引起的不均勻沉降。從計算云圖可以看出，地層沉降有明顯的沉降槽現象，地表沉降符合Peck 曲線。由于隧道的埋深H=16.7m，內摩擦角φ=10°～55°，求得理論值i≈7.94～21.13m。而計算云圖的i=8.5m，計算值在理論值范圍內。通過對反彎點i值以及沉降槽范圍的預測，可以確定盾構施工對地層影響的范圍，并及時采取有效的控制措施，減小影響。

同樣以每層土間的分界線進行劃分，取Y=30m 處，分析不同深度處地層的橫向沉降規律，做出基巖侵入比β為0.2 和0 的地層沉降曲線分布圖如圖5 所示。

圖5 Y=30m處地層沉降曲線

從地層沉降曲線圖可以看出，隨著地層深度的增加，地層橫向沉降槽由“淺寬”逐漸變為“深窄”，且越靠近拱頂處的沉降越大。從土層分布來看，不同土層的高差不大，隨著土層的變化，不同基巖侵入比地層的橫向沉降具有相同的變化規律：當地層從地表過渡到雜填土層或從淤泥質土層過渡到粉細砂層時，地表橫向沉降變化不大，最大沉降差僅有3.6mm；而當地層從雜填土層過渡到淤泥質土層或從粉細砂層過渡到中粗砂層時，地層沉降產生了顯著的變化，最大沉降差達到了20.5mm。不同基巖侵入比對中粗砂層以上的土層影響較小，地層上覆前三層土體沉降都在25mm 以內，從粉細砂層過渡到中粗砂層時，不同基巖侵入比對沉降產生顯著影響，主要原因在于中粗砂層靠近拱頂，受盾構開挖擾動的影響較大，其次基巖侵入比越小，導致該層土周邊地層的穩定性更差。因此當基巖侵入比較小時，需要實時監控周邊地表沉降，防止地層沉降過大危及地表安全。

圖6為Y=10、Y=20 和Y=30 所對應不同基巖侵入比的地表橫向沉降曲線圖。

圖6 地層沉降曲線

在不同基巖侵入比地層中，當β值分別為0、0.5、1 時，由圖6 可看出，橫向地表沉降受基巖侵入比的影響比較大，地表影響范圍在3D～3.5D之間，對應的最大沉降值分別為12.8mm、9.7mm、4.6mm。隧道開挖完成以后，沉降槽與Peck 預測的曲線相符，不同監測斷面的地表橫向沉降規律基本相同，盾構開挖的先后順序對橫向地表沉降規律的影響不大。同一監測斷面下，隨著基巖侵入比的增大，沉降槽的深度隨之增大，寬度隨之減小。當地層基巖侵入比β=1時，沉降槽基本呈現出“淺且寬”的特點，隨著β的減小，沉降槽基本逐漸呈現出“深且窄”的特點。另外，從各斷面的沉降曲線圖可以看出，基巖侵入比在0～0.2 和0.5～0.85 之間時，地表沉降變化最大，最大沉降差在3.9mm 左右，其次是0.85～1 區間范圍，沉降變化最小的是0.2～0.5區間范圍。

3.5 數值結果與監測結果對比分析

為了驗證數值模型的可靠性，現對監測結果與數值計算結果進行對比分析。如圖7 所示，為隧道拱頂正上方監測點的地表最終沉降值與基巖侵入比的關系曲線。將圖中給出的模擬值與實測值隨基巖侵入比變化的曲線進行對比。由圖可見，數值模擬結果與實測結果擬合情況較好，兩者的結果均體現出相同的變化趨勢。地表最大沉降值隨基巖侵入比的增大而減小。當基巖侵入比在0.2～0.5 區間的時候，地表最大沉降值受基巖侵入比的影響變化不大。而當基巖侵入比在0～0.2和0.5～0.85 區間的時候，地表最大沉降值的變化速率受基巖侵入比的影響較大。其中0～0.2 區間的變化速率最大。因此這兩個基巖侵入比區間在施工時需要特別重視，防止在敏感基巖侵入比區間盾構施工時造成地表不均勻的沉降。從監測結果上看，數值計算結果很好地預測了不同基巖侵入比下的沉降趨勢，監測結果驗證了數值計算模型的準確性。

圖7 隧道拱頂正上方地表實測沉降值與模擬值對比

4 結論

本文采用數值模擬和現場監測相結合的方法，引入基巖侵入比的概念，研究了盾構掘進對上軟下硬地層地表沉降的影響，得出以下結論。

1）基巖侵入比對地表沉降有明顯的影響。隨著基巖侵入比的增大，地表沉降值減小，沉降槽由“深窄”變為“淺寬”，不同基巖侵入比地層地表沉降差異明顯，最大差異約為3.2mm。當基巖侵入比為0 時，地表沉降達到最大值，最大值為13.2mm。

2）監測結果驗證了數值計算結果的準確性。0～0.2 和0.5～0.85 的基巖侵入比是敏感區間，兩個基巖侵入比區間的沉降值變化較大。基巖侵入比值區間在0.2～0.5 之間的最大沉降差僅為1.4mm，而基巖侵入比值區間在0～0.2 和0.5～0.85 之間的最大沉降差達到3.2mm。在敏感基巖侵入比區間，盾構施工引起的地表不均勻沉降應引起重視。