TBM隧道地表沉降及襯砌變形規律研究

0 引言

城市地下空間的開發是現代城市化進程中的重要內容，地鐵隧道建設在為緩解交通壓力、優化城市結構提供可靠途徑的同時，對隧道施工技術提出了更高的要求[1]。在地下隧道施工中，全斷面隧道掘進機（TBM）技術因其高效、安全、對環境擾動小等特點，在復雜地質條件下具有不可替代的優勢[2-3]。然而，TBM施工不可避免地引發地表沉降與襯砌變形，這些現象會對隧道自身的結構穩定性及周邊建筑物和管線的安全性產生不利影響。

地表沉降與襯砌變形的成因復雜，不僅與施工過程中土體的擾動和支護方式密切相關，還受施工參數（如推進步長、穿越方式）及地質條件（如巖性、土層特性）的顯著影響。已有研究通過理論分析、數值模擬及現場監測等方法揭示了部分規律，但在施工條件優化和變形控制策略制定方面，仍需進一步探索與完善[4-5]。尤其是在硬質巖石地層中進行TBM施工時，如何實現對地表沉降和襯砌變形的精準控制，是保障工程安全與質量的關鍵技術問題。

本文基于數值模擬方法，分析了不同施工條件對地表沉降和襯砌變形的影響。通過對不同穿越方式和推進步長的模擬研究，揭示關鍵施工參數對變形特性的作用機制，并提出相應的優化施工建議。研究成果不僅為復雜地質條件下的TBM施工提供了理論依據，也為類似工程的設計與實施提供了技術支持。

1工程背景

1.1項目概況

青島市地鐵5號線一期工程全長約 32.5km ，全程為地下線，設有26座車站，平均站間距為 1141m ，其中包括12座換乘站。為盡量減少施工對周邊環境的影響，項目采用全斷面隧道掘進機（TBM）技術，應用該技術不僅提高了施工效率，也確保了工程安全。

工程所處區域位于華北地臺南部，主要巖層為燕山晚期形成的中粗粒黑云母花崗巖，地質穩定且巖性堅硬，非常適合TBM施工。然而，巖基上部存在風化帶，并覆蓋不同厚度的第四紀松散堆積物。局部風化帶的厚度和物性差異，可能對施工進度及設備運行帶來一定影響。區域地下水主要以孔隙水形式存在，水位受氣候變化影響，為此施工過程中，需要特別關注地下水的排水與降水問題，以確保工程的順利進行。

1.2工程難點與研究意義

線路途經城市核心區及多條重要基礎設施，地表沉降和襯砌變形的控制是施工過程中的關鍵問題。特別是在硬質花崗巖地層中，采用TBM施工可能會導致局部沉降和襯砌應力集中。

通過研究不同施工條件對沉降和變形的影響規律，可以為優化施工方案、降低施工風險提供理論支持，并為類似地質條件下的隧道工程建設提供重要參考。

2地層變形數值模擬與分析

2.1 基本假定

在建立數值模型時，為簡化計算并提高分析效率，結合TBM隧道掘進過程的特點，本文對模型做出以下基本假定。

2.1.1地層材料性質假定

地層為均質、連續且各向同性的材料，各地層的物理力學參數可按照工程勘察報告確定。巖土體的力學行為符合彈塑性理論，并以莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）準則作為屈服條件。

2.1.2施工過程模擬假定

隧道掘進過程采用分步開挖法模擬，每次開挖的長度與管片寬度一致，開挖后立即完成襯砌安裝和盾尾注漿。注漿材料均勻填充盾尾空隙，以充分支撐周圍土體，且不考慮注漿擴散過程中的不均勻性。

2.1.3地層擾動范圍假定

TBM施工對周圍地層的擾動僅限于隧道范圍內，不考慮遠場區域的擾動。

2.2數值模型的建立

為研究青島地鐵5號線TBM隧道掘進過程中地表沉降和襯砌變形的規律，基于有限元方法建立了三維數值模型。為了確保分析TBM施工對地層擾動的影響范圍，減少邊界條件對計算結果的影響，將模型尺寸設為長寬高均為70m的立方體。

本工程采用土壓平衡式全斷面隧道掘進機（TBM），開挖直徑為6.4m，襯砌內外徑分別為5.5m和 6.2m 。數值計算模型如圖1所示。

2.3材料參數及模型邊界條件

2.3.1 地層分層

地層自上而下共分為4層。第一層為第四紀松散堆積層，主要由砂土和黏性土組成，局部夾雜少量礫石和有機物。該層土體松散、結構不均勻，具有較低的承載力和較高的壓縮性，是影響施工沉降的關鍵因素之一。

第二層為風化帶。其由長期風化作用形成，巖性為中粗粒黑云母花崗巖的殘積物，土巖混合，力學性能介于基巖與堆積層之間。

第三層為強風化花崗巖層。其巖石完整性較低，裂隙發育，風化程度較強；第四層為中粗粒黑云母花崗巖硬質基巖層，結構完整，巖性均勻。

2.3.2材料力學特性

所有巖土層均采用Mohr-Coulomb本構模型，襯砌結構則采用線彈性本構模型。材料力學參數見表1。

2.3.3邊界條件設置

模型底部設置固定邊界，限制豎向和水平位移，以模擬地基的約束作用。四周側邊設置水平位移約束，防止計算過程中側向變形對模型結果的干擾。頂部邊界為自由邊界，允許地表因施工引起的沉降或隆起自由發生。

3數值模擬結果分析

3.1土體變形特征

根據模擬計算結果，得到橫向和軸向方向的地表沉降曲線。橫向方向地表沉降如圖2所示，軸線方向地表沉降如圖3所示。

3.1.1橫向方向地表沉降

由圖2可知，橫向地表沉降呈典型的鐘形分布，沉降槽中心位于隧道中線附近，最大沉降值為-6.485mm ，位置位于隧道正上方（距離中線0m處）。隨著橫向距離的增大，沉降逐漸減小，表明隧道掘進對遠離中線區域的地表擾動逐步減弱。

從曲線兩端看，顯著沉降影響范圍約為 -30～30m ，沉降曲線在距中線 ±30m 處趨于平緩，地表沉降影響范圍基本結束。最大沉降梯度出現在距離中線 ±10～±15m 范圍內，曲線斜率較大，說明該區域地層變形相對集中且剪切變形較為明顯。離中線更遠的區域沉降變化較為平緩，土體變形呈擴散趨勢。

3.1.2軸向方向地表沉降

由圖3可知，沿隧道軸線方向，地表沉降曲線表現為逐步累積的趨勢，最大沉降值為 -6.238mm ，出現在起點位置，隨后沉降值逐漸減小。

沿軸線方向的沉降變化較小，總體沉降值維持在-5.5～-6.2mm 范圍內。沉降值在隧道掘進方向上逐漸減小，說明掘進擾動對后方區域的影響趨于穩定。從距離40＼～70m的區間內，沉降變化趨于平穩，表明施工擾動影響基本結束，地層應力逐漸恢復平衡狀態。

3.2襯砌結構變形規律

根據模擬計算結果，得到水平方向和垂直方向襯砌變形特性。水平方向襯砌變形圖如圖4所示，豎直方向襯砌變形圖如圖5所示。

3.2.1 水平方向襯砌變形特性

由圖4可知，水平方向最大變形出現在距開挖面0m處，約為 -0.2mm ，隨距離增加逐漸增大，至 13.83m 達到 -15.15mm ，并趨于穩定，最終變形約為 -17.23mm 在 28m 之后，水平變形基本保持穩定，表明此區域襯砌結構逐步恢復平衡，擾動影響較小，顯著變形范圍為0～28m.。

3.2.2垂直方向襯砌變形特性

由圖5可知，豎直方向最大變形發生在距開挖面70m處，值為 -26.10mm ，遠高于水平方向的最大值，表明豎直方向受力更為顯著。

起點位置（0m）變形最小，僅為 -0.20mm ，變形隨距離迅速增大，尤其在 0～14m 范圍內增長最快。豎直方向變形顯著大于水平方向，表明地層重力與施工擾動共同作用，使豎直方向受力占主導地位，尤其在掘進初期變形尤為顯著。

4不同施工條件對襯砌變形影響

4.1不同穿越方式的影響

由上述研究可知，襯砌主要變形為豎向變形，后文主要針對襯砌結構豎向變形開展研究。本文主要考慮了3組工況：第一組工況為正穿風化帶，第二組工況為正穿強風化花崗巖層，第三組工況為正穿花崗巖。不同穿越方式對襯砌結構豎向變形的影響如圖6所示。

由圖6可知，正穿風化帶時，襯砌豎向變形最大，且變化劇烈。在距離開挖面0＼～15m內變形快速增加，最大值為 -36.44mm ，表明風化帶土體強度低、壓縮性高，對TBM掘進的擾動最敏感。

正穿花崗巖時變形最小，曲線平緩，最大值為-20.50mm ，且變形隨距離增加逐漸趨于穩定，說明完整花崗巖地層強度高、可變形性小，抗擾動能力最強。

風化帶最大變形比花崗巖高 77.8% ，強風化花崗巖最大變形比風化帶低 27% ，但比花崗巖高 30% ，表明其特性介于兩者之間，裂隙發育對變形影響較大。綜上所述，花崗巖因變形小且分布均勻，是最優施工地層。

4.2不同推進步長的影響

通過對比步長1.5m、2.0m、2.5m的變形響應，分析步長與地層擾動的關聯性。不同推進步長時襯砌豎向變形如圖7所示。

4.2.1變形規律特征

由圖7可知，當推進步長為1.5m時，襯砌豎向變形最小，其最大值為 -25.93mm ，變形曲線走勢較為平緩。在開挖面0＼～15m范圍內，襯砌豎向變形呈現快速增長的趨勢。

超過15m后，變形速率逐漸趨于穩定。這一現象明，小步長能夠有效減小地層擾動，降低變形幅度。

當推進步長增至2.0m時，襯砌豎向最大變形值增至-27.04mm ，相較于1.5m步長，變形幅度變化有限。然而，值得注意的是，在開挖面附近，變形增長更顯著，表明步長增加對初始擾動影響更大。

進一步將步長增至 2.5m 時，襯砌豎向最大變形值顯著增至 -31.15mm ，比1.5m步長高約 20% 。在開挖面0～20m 范圍內增長顯著，隨后趨于穩定，但整體變形始終高于小步長推進。

綜上分析，襯砌豎向變形表現為先快速增長、后逐漸平穩的變化規律，且變形主要集中在 0～20m 范圍內。該區域為地層應力釋放和重新分布的關鍵區域，推進步長的增加不僅會顯著加劇地層擾動，還會進一步擴大施工影響范圍。

4.2.2 決策建議

基于上述研究結論，在軟弱地層，如風化帶或裂隙發育巖層等地質條件下，建議采用1.5m或更小的步長，以減小地層擾動范圍和襯砌變形。

而在堅硬巖層中，可適當增大步長至2.0m，從而在保障施工效率的同時，兼顧對襯砌變形的有效控制。此外，針對特殊地質條件或關鍵施工區域，應通過現場監測實時調整推進步長，確保施工安全性和襯砌穩定性。

5結論

本文通過數值模擬，系統分析了TBM施工中不同施工條件對地表沉降和襯砌變形的影響，揭示了關鍵施工參數的作用機制，得出以下結論：

1）TBM施工引起的地表沉降在橫向上呈鐘形分布，最大沉降值出現在隧道中線正上方，沉降影響范圍約為隧道中心 ±30m 。

2）在軸向方向，沉降表現為逐步累積的趨勢，40～70m 范圍內沉降變化趨于平穩，表明施工擾動的影響逐漸減弱并趨于穩定。

3）襯砌變形以豎向變形為主，遠高于水平方向變形，豎向最大變形出現在距離開挖面70m處，表現出受力集中現象。在不同穿越方式中，風化帶因強度低、壓縮性高，襯砌變形最為劇烈。花崗巖層因結構完整、強度高，對施工擾動的適應性最佳，襯砌變形最小。強風化花崗巖變形介于兩者之間，裂隙發育是影響變形的重要因素。

4）推進步長是影響襯砌變形的重要施工參數。較小步長（如 1.5m ）可有效減小襯砌豎向變形幅度，適用于軟弱地層或裂隙發育地層；較大步長（如 2.5m ）則會顯著增加變形，需謹慎選擇。

5）在硬質地層中，可適當采用2.0m步長以平衡施工效率與變形控制。不同施工條件下，應結合現場監測數據，動態調整推進步長和支護參數，以確保施工安全與結構穩定性。

參考文獻

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