盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層變形的影響

趙振偉，吳波，黃惟，葉永茂，陶家順，李展峰

（1．福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建福州，350118；2．福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州，350118；3．中鐵四局五公司，江西九江，332000）

盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層變形的影響

趙振偉1，2，吳波1，2，黃惟1，葉永茂3，陶家順3，李展峰3

（1．福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建福州，350118；2．福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州，350118；3．中鐵四局五公司，江西九江，332000）

以南寧地鐵一號(hào)線南湖段下穿隧道為工程背景，建立隧道開挖的三維有限元模型，通過數(shù)值分析，得到盾構(gòu)施工過程中地層變形的分布規(guī)律，討論盾構(gòu)施工過程中注漿壓力對(duì)地表沉降、水平位移及拱頂位移的影響，分析掌子面壓力對(duì)地表隆起的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，注漿壓力對(duì)地表變形會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，隨著注漿壓力的增大，地表沉降及水平位移明顯減小。當(dāng)掌子面壓力大于0．1 MPa時(shí)，會(huì)引起掌子面前方土體產(chǎn)生向上的位移，地表隆起量隨掌子面壓力的增加而增大。

盾構(gòu)掘進(jìn)；地面沉降；水平位移；三維有限元；數(shù)值模擬

隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，越來越多的地鐵盾構(gòu)隧道投入建設(shè)。盾構(gòu)穿越復(fù)雜地層時(shí)，由于施工環(huán)境以及施工技術(shù)不同會(huì)造成地層變形甚至病害的情況［1-2］。盾構(gòu)施工參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)改變開挖區(qū)域土體正常應(yīng)力釋放到穩(wěn)定的過程，造成地層多余變形和隧道不穩(wěn)定，甚至影響周圍環(huán)境［3］。在地質(zhì)條件一定的情況下，改變并優(yōu)化施工參數(shù)，減少對(duì)地層的擾動(dòng)，可以有效控制地層變形，從而保證盾構(gòu)隧道開挖的穩(wěn)定［4-5］。因此，如何預(yù)測(cè)盾構(gòu)穿越引起的地層位移，確保已有建筑物的正常使用和盾構(gòu)的順利進(jìn)行，是隧道設(shè)計(jì)與施工中的關(guān)鍵問題［6］。

本文以南寧地鐵1號(hào)線麻村-南湖盾構(gòu)區(qū)間下穿南湖隧道施工為工程依托，針對(duì)該地區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件，對(duì)影響地層變形的施工參數(shù)進(jìn)行了模擬分析，總結(jié)出地層變形隨施工參數(shù)的變化規(guī)律。在該復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境條件下，目前類似的工程經(jīng)驗(yàn)較少，特別是南寧地區(qū)，目前尚無(wú)地鐵隧道開挖的經(jīng)驗(yàn)，論文的分析結(jié)果可為該地區(qū)地鐵隧道開挖的施工設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

麻村-南湖區(qū)間隧道東西向布置，起止里程為ZSK19＋763．763～ZSK20＋918．916，全線為地下雙線隧道，隧道洞徑5．4 m，在南湖大橋北面約25 m處南湖站始發(fā)，其中穿越南湖段約250 m，湖底隧道埋深4．2～11 m。

南湖段地質(zhì)自上而下為淤泥層、粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂層、圓礫層，隧道主要穿越粉細(xì)砂層?？紤]到穿越南湖段隧道覆土稀薄軟弱，對(duì)地層采取了全斷面注漿和湖底拋填碎石的加固措施，隧道位置、加固區(qū)域和地質(zhì)條件見圖1。平面有效加固范圍約為25．5 m×146．0 m，豎向范圍為區(qū)間隧道頂1．5 m至隧道底部以下1．0～3．0 m范圍內(nèi)的土體。

圖1 隧道位置和地質(zhì)條件Fig．1 Tunnel location and geological conditions

2 有限元模型的建立

模型垂直隧道水平方向取60 m，沿隧道軸線水平方向取250 m，豎向取30 m，側(cè)邊采用法向約束，底部采用全約束。模擬時(shí)利用生死單元技術(shù)將開挖單元移除，把襯砌單元添加，通過場(chǎng)變量逐漸改變材料參數(shù)使單元硬化來模擬泥漿單元。

各土層力學(xué)、物理參數(shù)按《南寧市軌道交通一號(hào)一期工程麻村站-南湖站區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察》參數(shù)建議表取值。本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型。具體土層及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)表Tab．1 Physico-mechanical parameters（indexes）of soil layer and supporting structure

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2給出的注漿壓力為0．03 MPa時(shí)橫斷面的位移云圖。隧道開挖后，當(dāng)注漿壓力較小時(shí)，由于地應(yīng)力釋放，隧道周圍土體受到的支撐作用減弱，因此上方土體會(huì)產(chǎn)生一定的下沉，而下方土體會(huì)有一定的回彈，從而產(chǎn)生向上的位移。而隧道上下方兩側(cè)的土體會(huì)產(chǎn)生向隧道中間方向的位移。從位移圖中可以看出，最大沉降發(fā)生在隧道拱頂，達(dá)到3．78 cm，而最大水平位移則發(fā)生在地表，最大水平位移達(dá)到1．29 cm。

圖2 橫斷面位移云圖Fig．2 Cloud diagram of cross section disp lacement

圖3給出了不同注漿壓力下地表沉降橫向分布情況，從圖3中可以看出，地表的最大沉降發(fā)生在隧道正上方，隨著與隧道水平距離的增加，地表的沉降明顯減小，當(dāng)與隧道水平距離超過20 m時(shí)，地表的沉降不明顯。隨著注漿壓力的增大，地表的沉降減小，當(dāng)注漿壓力為0．03 MPa時(shí)，最大沉降達(dá)到16．5 mm，當(dāng)注漿壓力增加到0．07 MPa時(shí)，地表的最大沉降為9 mm。

圖3 地表沉降橫向分布Fig．3 Vertical displacement curves of ground surface above tunnel in transverse section

圖4給出了不同注漿壓力下地表水平位移的橫向分布規(guī)律?？梢钥闯觯乇淼乃轿灰圃谒淼赖膬蓚?cè)成反對(duì)稱分布，最大水平位移發(fā)生在距離隧道中心大約5 m處。這是由于隧道開挖引起地應(yīng)力釋放，使得隧道上方左右兩側(cè)土體產(chǎn)生向兩隧道中心方向的位移。隨著與隧道水平距離的增加，地表的水平明顯減小。注漿壓力對(duì)水平位移產(chǎn)生較大影響，當(dāng)注漿壓力從0．03 MPa增加到0．07 MPa時(shí)，地表的最大水平位移從10 mm減小到4 mm。

圖5給出的是地表沉降、地表水平位移和拱頂沉降隨注漿壓力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，地表沉降、地表水平位移以及拱頂沉降隨著注漿壓力的增大而線性減小，當(dāng)注漿壓力從0．1 MPa減小到0．01 MPa時(shí)，地表沉降從5 mm增大到20 mm。因此，增加注漿壓力可有效地減小地層的變形，在施工過程中應(yīng)盡量提高注漿壓力，使其接近地層的初始地應(yīng)力。

圖6給出的是掌子面后方土體的沉降縱向分布，在掌子面附近土體沉降較小，當(dāng)注漿壓力為0．03 MPa時(shí)，掌子面處的沉降為7 mm，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0．07 MPa時(shí)，掌子面處的沉降減小到2．6 mm。隨著與掌子面距離的增加，土體的沉降迅速增大，在距離掌子面達(dá)到10 m后，土體的沉降趨于穩(wěn)定。

圖4 地表水平位移橫向分布Fig．4 Horizontal disp lacem ent curves of ground surface above tunnel in transverse section

圖5 地層位移與注漿壓力關(guān)系曲線Fig．5 Displacement of ground stratum under different grouting pressures

圖6 地表沉降縱向分布Fig．6 Ground settlements above tunnel axis under different grouting pressures

不同掌子面壓力下前方土體沿隧道軸線方向的隆起情況如圖7所示，從圖中可以看出，由于土體在掌子面處受到擠壓作用，因此掌子面前方一定范圍內(nèi)的土體會(huì)產(chǎn)生向上的位移，并隨著掌子面壓力的增加而增大。地表的最大隆起量發(fā)生在距掌子面大約10 m處，當(dāng)掌子面平均壓力為0．1 MPa時(shí)，最大隆起量為4 mm，隨著掌子面壓力的減小，地表隆起量減小，當(dāng)掌子面平均壓力為0．1 MPa時(shí)，地表幾乎不發(fā)生隆起現(xiàn)象。

圖7 掌子面后方土體的豎向位移Fig 7 Vertical displacement of soil behind tunnel surface under different face pressures

在施工中選取具有典型代表意義的兩個(gè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8所示。由圖8可以看出，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比計(jì)算得到結(jié)果還存在一定誤差，尤其是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一，但是沉降規(guī)律基本吻合，尤其是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)二。說明在工程條件相似的情況下，采用數(shù)值分析的方法對(duì)于盾構(gòu)施工進(jìn)行參數(shù)選取和優(yōu)化，從而減小地層沉降是可行的。

圖8 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析Fig．8 Comparative analysis of calculated value and monitoring value

4 結(jié)論

1）雙隧道掘進(jìn)過程中，地表的最大水平位移發(fā)生在距離隧道中心大約5．5 m處，地表的最大豎向位移發(fā)生在隧道中心正上方，整體土層的最大沉降發(fā)生在隧道拱頂；

2）隧道掘進(jìn)過程中注漿壓力對(duì)地表及拱頂?shù)某两灯鸬疥P(guān)鍵作用，隨著注漿壓力的增加，地表的豎向和水平位移線性減?。?/p>

3）當(dāng)掌子面壓力大約0．1 MPa時(shí)，掌子面前方土體會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，最大量隨著掌子面壓力的增大而明顯增加。

4）通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算值比較分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算的變形規(guī)律相同，在實(shí)際工程中可以采取數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于類似工程具有一定參考意義。

［1］肖立，張慶賀．鐵路軌道下盾構(gòu)施工所致地面沉降的數(shù)值模擬［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（9）：1286-1291．

［2］張國(guó)營(yíng)，傅國(guó)利．盾構(gòu)法施工過程的有限元模擬［J］．巖土工程技術(shù)，2007，21（6）：275-278．

［3］張恒，陳壽根，鄧稀肥．盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響分析［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47（5）：48-53．

［4］吳波，高波．地鐵區(qū)間隧道施工對(duì)近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（S2）：2451-2456．

［5］劉洪洲，孫鈞．軟土隧道盾構(gòu)推進(jìn)中地面沉降影響因素的數(shù)值法研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38（6）：24-28．

［6］張海波，殷宗澤，朱俊高．地鐵隧道盾構(gòu)法施工過程中地層三維有限元模擬［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（5）：755-758．

（責(zé)任編輯：陳雯）

The effect of parameters of shield tunnel construction on soil deformation

Zhao Zhenwei1，2，Wu Bo1，2，HuangWei1，Ye Yongmao3，Tao Jiashun3，Li Zhanfeng3
（1．College of Civil Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China；2．Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informationization in Civil Engineering，F(xiàn)uzhou 350118，China；3．The Fifth Engineering Co．，Ltd．of CTCEGroup，Jiujiang 332000，China）

A 3D finite element model of tunnel excavation was established based on the tunnel construction of Nanning subway line 1 through Nan Lake in Guangxi province．The distribution law of stratum deformation in shield tunnel construction was simulated with finite element analysis（FEA）method．The influences of grouting pressure on surface settlement and the pressure of tunnel face in shield tunnel construction were discussed，including the ground surface settlement，the horizontal displacement，arch top displacement（deformation of arch and the upward movement of ground surface）．The results show that the grouting pressure has significant impact on ground surface deformation．The ground surface settlement and the horizontal displacement decrease obviously with the increase of the grouting pressure．When the pressure of the tunnel face is greater than 0．1 MPa，upward soil displacement is produced in the front of the tunnel face and the apophysis grows with the increase of the pressure．

shield tunnel excavation；ground surface settlement；horizontal displacement；3D finite element；numerical simulation

U455．43

A

1672-4348（2015）03-0205-04

10．3969／j．issn．1672-4348．2015．03．001

2015-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478118）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01170，2013J05001）

趙振偉（1979-），男，河北唐山人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閹r土工程力學(xué)。