盾構施工引起土體位移的數(shù)值模擬分析

嚴 峻， 席培勝， 齊天龍， 李 博

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟和城市建設的發(fā)展，地鐵在緩解城市交通上起到了中流砥柱的作用。現(xiàn)今在地鐵建設中運用較為廣泛的是盾構施工法。盾構法本身具有自動化程度高、施工快速、對周圍環(huán)境影響小、施工安全等優(yōu)點。雖然盾構法施工技術隨著盾構性能的改進有很大的發(fā)展，但仍然會不可避免地引起周圍土體的位移，土體位移在地表上主要表現(xiàn)為引起地表不均勻沉降［1］，所以運用相關軟件模擬施工過程，分析對周圍土體的影響，了解土體位移的狀況，掌握位移變化的趨勢，及時做好支護，從而減少地面沉降是非常有必要的。本文主要是對周圍土體豎向位移的模擬計算來反映盾構施工對土體位移的影響。

目前，盾構施工引起周圍土體的位移的問題已引起了國內外學者的極大興趣。凌賢長等基于擬建的哈爾濱松花江隧道，采用有限元數(shù)值模擬分析技術，研究了因盾構法掘進施工而引起的隧道周圍土體位移的變化規(guī)律［2］。趙華松等以上海軌道交通明珠線二期工程某區(qū)間隧道為研究背景，建立了盾構法隧道施工的三維有限元分析模型，分析了隧道周圍土體移動規(guī)律和體表沉降規(guī)律［3］。天津城市建設學院的張宇基于天津地鐵3號線某區(qū)間隧道開挖引起地面沉降的實測資料，并結合理論計算與有限元數(shù)值模擬，利用有限元軟件ABAQUS，分析了下穿隧道盾構施工對地表沉降及其上既有隧道變形的影響［4］。

1 工程背景及模型參數(shù)

以合肥地鐵一號線繁華大道站～高鐵南站區(qū)間段為工程背景，圓形盾構外徑為6．0m，襯砌厚度為0．3m，內徑為5．4m，埋深為12m。根據(jù)隧道開挖的影響范圍參考已有的計算經(jīng)驗，取左右邊界為隧道外徑的3倍，即18m，隧道底部取隧道外徑的1．5倍，即9m，最后整個計算模型寬42m，高27m，縱向深度取30m。具體平面布置見圖1。

圖1 圓形隧道斷面布置圖

本工程在合肥地區(qū)是屬于膨脹土地區(qū)，故土體采用 Mohr－Coulomb模型，土層分為4層。具體見表1。

表1 土體數(shù)值模擬計算參數(shù)

隧道襯砌結構用的管片采用C50混凝土，將襯砌結構管片單元設置為孔模型（Null），支護時，將盾構管片設置為各向同性彈性模型（Elastic），具體參數(shù)見表2。

表2 盾構管片混凝土材料計算參數(shù)

2 模型的建立及模擬步驟

2．1 模型的建立

FLAC3D模型尺寸選為42（X方向）×30m（Y方向）×27m（Z方向），共劃分了22680個單元，24428個節(jié)點，首先建立整體計算模型，其次再建立開挖后的模型，如圖2、3。

圖2 整體計算模型

圖3 開挖后的計算模型

2．2 模擬的步驟

本文只對單孔圓形隧道進行模擬，模擬盾構施工過程對豎向位移的影響。

具體模擬步驟如下:

①首先建立三維模型，隨后計算土體自重應力下的豎向位移；

②得到土體的初始應力場后，土體位移值賦零，為后面開挖做好準備；

③采用零模型（model null）進行分步開挖，每6m為一個開挖步，共五個開挖步，先計算整體開挖未支護情況下的豎向位移，然后分步計算開挖支護情況下的豎向位移，計算步距均為3000步。這里做簡化處理，即假定盾構隧道開挖后隨即進行支護。

④循環(huán)第（3）步，直至開挖完成，模擬過程結束［5］。

2．3 自重應力場下的豎向位移

首先模擬了土體在自重應力場下的土體的豎向位移。

圖4 自重應力場下的豎向位移

3 整體開挖未支護的豎向位移

由于假設了盾構隧道開挖后隨即進行支護。所以這里不需要將開挖未支護的每一步計算出，只需要計算整體開挖未支護的豎向位移。通過計算得出了盾構在整體開挖未支護時的豎向位移。如圖5。

圖5 整體開挖未支護的豎向位移

從圖5中可以看出:最大豎向位移為－20．652cm，發(fā)生在拱頂位置。

4 開挖支護后的豎向位移

由于本工程地質條件復雜，所以本工程襯砌支護方式主要采用噴射混凝土來支護。在數(shù)值模擬中通過用殼結構單元來實現(xiàn)。

通過數(shù)值模擬計算得出了盾構在開挖第一、二、三、四、五步時的開挖支護后的豎向位移。如圖6至10。

圖6 第一步開挖支護后的豎向位移

圖7 第二步開挖支護后的豎向位移

圖8 第三步開挖支護后的豎向位移

圖10 第五步開挖支護后的豎向位移

為了更好地分析盾構施工對地表隆沉位移的影響，將盾構施工分為五步，然后在地表位置上取點監(jiān)測進行分析得到如圖11。

圖11 盾構施工對地表隆沉的豎向位移

5 結 論

將計算出來的豎向位移，找出最大豎向位移進行比較，結合圖11得出周圍土體豎向位移影響的得出如下結論:

（1）整體開挖未支護的最大豎向位移為20．65cm方向向下，表示下沉。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于盾構掘進引起開挖面土體位移，以及受擾動土的固結沉降。整體開挖支護后的最大豎向位移為2．592cm方向向上，表示隆起。得出這一結果的主要原因是由于假定了開挖后立即支護，沒有等開挖后土體沉降完成后再進行支護，所以有了計算結果地表隆起的現(xiàn)象。

（2）通過計算得出整體開挖后未支護的豎向位移達到了20．65cm。對施工以及施工安全均造成很大影響，開挖支護后的最大豎向位移為2．592cm，說明支護效果明顯。

（3）綜合圖11，可知盾構施工對地表豎向位移的影響最主要的表現(xiàn)為對地表的隆起且隆起的最大豎向位移一般多發(fā)生在拱頂上方地表位置。所以要特別注意對這些位置的隆起的防護。

1 李圍．隧道及地下工程FLAC解析方法［M］．北京:中國水利水電出版社，2009（1）:239．

2 凌賢長，王麗霞，吳立新．盾構施工觸發(fā)隧道周圍土體位移變化規(guī)律的數(shù)值模擬分析［J］．中國公路學報，2003（2）:79－81．

3 趙華松，周文波，劉濤，等．雙線平行盾構施工引起的土體位移分析及其軟件開發(fā)［J］．上海大學學報，2005（4）:418－422．

4 張宇．軟土地區(qū)近距離下穿隧道盾構施工對地表沉降及既有隧道變形影響分析［D］．天津:天津城市建設學院，2010．

5 范德偉，宋曉光．盾構開挖對地下管線影響的數(shù)值分析［J］．燕山大學學報，2009（3）:247－253．