盾構(gòu)掘進施工對地表沉降變形規(guī)律分析

張效智， 曹廣勇， 黃 鈴， 江 帆

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230601）

近年來，為了解決城市地面交通擁擠的問題，我國地下鐵路的建設(shè)得到了迅速發(fā)展。目前，一些中小城市如合肥、南昌、昆明等也開始大量建設(shè)地鐵。盾構(gòu)法施工因其機械程度高、適用能力強的特點，受到各施工部門的青睞，具有非常廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景［1－3］。但是，由于各地區(qū)的地質(zhì)條件、水文條件、周邊環(huán)境等因素不同，盾構(gòu)在掘進過程中對周圍土體的擾動和沉降差異明顯。一旦地表沉降超過一定范圍時，就會嚴重危害地下管線和臨近建筑物的安全，甚至可能造成土體坍塌、地上建筑物倒塌等更大的經(jīng)濟損失。因此，預測盾構(gòu)施工對地表沉降及圍巖變形規(guī)律，確保盾構(gòu)掘進過程的施工安全，是施工中非常重要的問題［4］。

目前國內(nèi)外有關(guān)學者關(guān)于盾構(gòu)施工對地表沉降的影響作了大量的研究［5－6］，而有關(guān)盾構(gòu)穿越膨脹土地層引起地表沉降及圍巖變形的研究不是很多。因此，本文采用有限差分軟件FLAC3D對合肥地鐵1號線繁華大道～高鐵南站區(qū)間隧道進行盾構(gòu)施工三維數(shù)值模擬，研究不同施工階段下地表沉降及圍巖變形規(guī)律，確定盾構(gòu)掘進引起的地表沉降范圍，為后期施工提供指導意見，并提出相應(yīng)的控制性建議，對確保盾構(gòu)施工安全具有重要參考意義。

1 工程概況

合肥地鐵1號線繁華大道～高鐵南站區(qū)間工程，下穿既有312國道高路基段以及規(guī)劃中的南廣場、飛龍路加油站，場地現(xiàn)況主要為林地，地貌屬南淝河河漫灘Ⅱ級階地。盾構(gòu)起訖里程K15＋120.270～K15＋753.960，長633.69m。區(qū)間設(shè)有一個聯(lián)絡(luò)通道，與泵房合建，里程為：K15＋343.571；設(shè)有2個平面曲線，最小曲線半徑350m。線路縱坡為“V”形坡，左、右線均設(shè)有4個豎曲線，最大坡度為22.4‰，最小坡度為2‰，區(qū)間隧道頂埋深8.8～22.1m。

區(qū)間隧道采用單洞式管片拼裝襯砌的圓形盾構(gòu)，外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m，襯砌管片寬度為1.5m，厚度0.3m，采用C50、P12混凝土。

2 水文地質(zhì)

依據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘察資料，擬建場地附近沒有斷裂經(jīng)過，無泥石流、崩塌、地裂縫等不良地質(zhì)作用；場地地下水類型為上層滯水，水位埋深1.5～2.3m，水位標高29.83～30.96m，含水層主要在雜填土①層；場地粘土②層、粘土③層、粘土④層均具有弱膨脹潛勢，其中盾構(gòu)隧道穿越的主要地層以粘土③層為主。各土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體分層及其物理參數(shù)

3 盾構(gòu)掘進施工過程數(shù)值模擬

3.1 計算模型建立

依據(jù)合肥地鐵1號線繁華大道～高鐵站區(qū)間盾構(gòu)施工方案建立三維模型，首先在模型中預設(shè)開挖土體單元、襯砌單元、盾構(gòu)鋼殼以及等代層單元［7］。以盾構(gòu)隧道掘進的中軸線為坐標原點，盾構(gòu)掘進方向水平向右為X方向，其掘進方向為Y軸，豎直向上為Z軸建立計算坐標系。根據(jù)圣維南原理計算模型需3D～5D（D為隧道直徑）才能消除邊界的影響［8］。為滿足計算精度的要求，建模范圍垂直隧道軸向自隧道邊緣水平向外各取4D；自隧道底部垂直向下取2D，盾構(gòu)埋深取平均約為15m；沿隧道長度方向取40m。最終建立了54m×40m×33m的三維模型，計算網(wǎng)格共有49634個單元，53860個節(jié)點。模型側(cè)面邊界限制水平位移，底部限制豎直位移，頂部即地表為自由邊界，不設(shè)置約束，計算模型如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道三維整體網(wǎng)格劃分模型圖

3.2 本構(gòu)模型與參數(shù)選取

模型地層土體各參數(shù)按表1進行取值，采用摩爾－庫侖材料模擬計算［9］。襯砌管片用實體彈性單元進行模擬，用等代層替換盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填及注漿情況，厚度根據(jù)土層性質(zhì)取折減系數(shù)［10］為0.8計算為240mm.，其他相關(guān)參數(shù)見表2。掌子面前方土艙壓力采用梯形荷載和等效荷載兩種形式進行計算，最終的土艙壓力是按等效荷載條件下隧道中心線處水平應(yīng)力實際值的1.08倍模擬計算。

表2 盾構(gòu)襯砌和等代層計算參數(shù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用的管片為C50混凝土，支護時將管片設(shè)置為各向同性彈性模型。盾構(gòu)掘進過程采用空模型進行模擬，并結(jié)合盾構(gòu)機的施工推進速度，按每環(huán)1.5米進行模擬開挖。

4 計算結(jié)果分析

4.1 盾構(gòu)掘進施工位移云圖

盾構(gòu)掘進施工引起地表沉降變形的大小主要受地層和地下水條件、隧道直徑、埋深和施工條件的影響。根據(jù)隧道直徑的尺寸，分別模擬盾構(gòu)掘進6m、掘進12m、掘進18m及掘進24m四種工況對地表沉降的影響。從實踐經(jīng)驗了解到，隧道拱頂上方地表縱向沉降、地表橫向沉降以及圍巖沉降是盾構(gòu)施工中最為關(guān)心的控制指標［11］。圖2為盾構(gòu)掘進不同距離時地表豎向位移分布云圖，隨著盾構(gòu)向前掘進距離的增加，引起地表縱向沉降最大值逐漸提高，其影響范圍也在不斷擴大。如掘進6m時，地表最大沉降值為11.28mm；而掘進12m時，地表最大沉降值為14.64mm；掘進18m時，地表最大沉降值為16.89mm；掘進24m時，地表最大沉降值為18.72mm。

圖2 盾構(gòu)掘進不同距離時地表豎向位移分布云圖

為了總結(jié)盾構(gòu)掘進對地表沉降的影響規(guī)律，提取不同掘進距離時隧道中心線上方縱向及Y＝9m斷面橫向地表沉降數(shù)據(jù)進行分析，分別按不同掘進距離繪制地表豎向沉降曲線曲線如圖3所示和地表橫向沉降槽曲線如圖4所示。

圖3 盾構(gòu)掘進不同距離時地表豎向沉降曲線

4.2 盾構(gòu)掘進引起地表縱向沉降規(guī)律

通過分析圖3盾構(gòu)掘進不同距離時地表豎向沉降曲線圖可知，地表縱向沉降變形規(guī)律為：隨著盾構(gòu)開挖面的前進，地表縱向沉降值不斷增加，縱向影響范圍也在加大。當距離開挖面前方較遠處，地表縱向沉降位移較小，當開挖面通過該截面后，地表土體下沉較快，并且達到最大。

值得注意的是，盾構(gòu)掘進6m時即盾構(gòu)處于始發(fā)階段，地表最大縱向位移出現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)位置而不是開挖面的地表處，因此，施工時要注意盾構(gòu)始發(fā)端頭土體的加固。同時，由于盾構(gòu)施工區(qū)間地層土體的弱膨脹特性，使得盾構(gòu)掘進對其開挖面前方地層近20m（約為3倍洞徑）范圍仍有影響。

4.3 盾構(gòu)掘進引起地表橫向沉降規(guī)律

通過分析圖4盾構(gòu)掘進過程中地表橫向沉降槽曲線可知，其變化規(guī)律和peck沉降槽的變化規(guī)律大體上是一致的，這說明本數(shù)值模型的建立、邊界條件和地層參數(shù)的選取，以及模擬隧道盾構(gòu)施工預測地表沉降是可行的。

隨著盾構(gòu)的掘進，Y＝9m斷面處的沉降值也在不斷增大，沉降變化最大的地方位于隧道中心線的地表處；離隧道中心線的距離越大，其沉降值也在逐漸減少。地表橫向沉降主要分布在離隧道中心線10m（約1.5D）范圍之內(nèi)，即盾構(gòu)掘進引起的地表橫向沉降影響范圍約為洞徑的3倍。

4.4 盾構(gòu)掘進引起圍巖位移

為了更好說明盾構(gòu)掘進施工對地表沉降的影響，下面從地層圍巖角度分析，按不同掘進距離分別取一代表沿隧道軸線剖開，提取圍巖豎向位移分布云圖如圖5所示。

由圖5分析可知，盾構(gòu)襯砌支護后，開挖面后方的圍巖在隧道頂部出現(xiàn)一個的沉降區(qū)域，最大沉降位置位于圍巖的拱頂處，遠離拱頂?shù)木嚯x越大，其相應(yīng)土層發(fā)生的沉降量越??；在隧道底部出現(xiàn)一個卸載隆起區(qū)域，最大隆起位置位于圍巖的拱底處，遠離拱底距離越大時，其相應(yīng)的土層隆起量也越小。沉降和隆起區(qū)域隨著盾構(gòu)的推進而不斷擴大，最大值也隨著開挖面的前進而不斷增加，如掘進6m時，圍巖拱頂最大沉降值為3.02cm，拱底最大隆起值為3.71cm；而掘進18m時，拱頂最大沉降值為3.43cm，拱底最大隆起值為3.43cm。這些均與前面所述對地表沉降變形影響規(guī)律相同。

圖4 Y＝9m斷面處盾構(gòu)掘進過程中地表橫向沉降槽曲線

此外，由于開挖面有開挖掌子力的支護應(yīng)力和土體的應(yīng)力相互支撐，其圍巖的沉降量變化不是很大，即離工作面較近的地方沉降量較小，相反，開挖襯砌后遠離工作面的地方，其拱底圍巖的沉降量變化比較大。

圖5 盾構(gòu)掘進不同距離時圍巖豎向位移分布云圖

5 結(jié)論與建議

本文主要對合肥地鐵1號線繁華大道～高鐵南站區(qū)間隧道盾構(gòu)施工進行了數(shù)值模擬，分析不同施工階段下地表沉降及圍巖變形規(guī)律，并確定此工程盾構(gòu)掘進引起的地表沉降范圍，結(jié)合施工經(jīng)驗得出結(jié)論與建議如下：

（1）地表縱向沉降變形范圍隨著盾構(gòu)掘。進的推進而不斷擴大，其最大沉降值也隨之增加。由于盾構(gòu)區(qū)間地層土體的弱膨脹特性，使得開挖面前方沉降有效影響范圍約為洞徑的3倍。此外，防止盾構(gòu)始發(fā)位置地表沉降過大，要注意始發(fā)端頭土體的加固。施工中隨掘進長度的增加，應(yīng)加強開挖面前方3倍洞徑內(nèi)地表最大沉降監(jiān)控。

（2）地表橫向沉降在開挖面前后都具有對稱性，隧道拱頂?shù)乇沓两底畲螅騼蓚?cè)沉降分別逐漸減少，并且橫向沉降影響范圍約為洞徑的3倍。對土體擾動引起的地表橫向沉降變化規(guī)律和Peck沉降曲線的變化大體相同，采用Peck沉降曲線能較好地預測橫向沉降影響范圍。因此，施工時注意加強盾構(gòu)掘進橫向3倍洞徑范圍內(nèi)的地表沉降監(jiān)控。

（3）盾構(gòu)襯砌支護后，襯砌環(huán)拱頂及其上部圍巖發(fā)生沉降，下部圍巖發(fā)生隆起現(xiàn)象。隨著盾構(gòu)的掘進，圍巖沉降和隆起區(qū)域不斷擴大，拱頂沉降和拱底隆起的最大值也隨之不斷加大。因此，施工中應(yīng)注意及時注漿，控制相應(yīng)的注漿量，保證襯砌與土層之間的密實性，從而減少圍巖土體變形，并加強襯砌環(huán)拱頂及拱底土體沉降監(jiān)控。

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