長沙地鐵1號線盾構(gòu)掘進參數(shù)對地表沉降影響分析*

周 軻，譚紅霞，梁新權(quán)，屈暢姿，楊勝蛟

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105；2.長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 41000)

長沙地鐵1號線盾構(gòu)掘進參數(shù)對地表沉降影響分析*

周 軻1，譚紅霞1，梁新權(quán)2，屈暢姿1，楊勝蛟1

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105；2.長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 41000)

為了研究長沙地鐵施工中土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)對地表沉降的影響，本文基于長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站盾構(gòu)區(qū)間隧道工程實例，統(tǒng)計了土壓平衡式盾構(gòu)在該區(qū)間段的部分掘進參數(shù)，并初步分析了參數(shù)之間的關(guān)系，進而通過數(shù)值模擬的方法分別探討了地層種類、掘進壓力、盾尾注漿壓力等不同施工工況下的地表沉降響應(yīng).研究結(jié)果表明：測點沉降值隨著隧道范圍內(nèi)圓礫或卵石成份含量增多而增大，但增大趨勢總體上在減??；掘進壓力對地表沉降的影響小，但地表隆起值與掘進壓力成正相關(guān)，當掘進壓力超過0.3 MPa后，隆起的幅度急劇增大；盾尾注漿壓力提高1倍，地表沉降可減少10%以上，但過高壓力值反而會引起管片應(yīng)力急劇增大. 關(guān)鍵詞：長沙地鐵1號線；土壓平衡盾構(gòu)；掘進參數(shù)；地表沉降

當城市地鐵這個系統(tǒng)內(nèi)部或者外部環(huán)境發(fā)生急劇變化時，原有的平衡系統(tǒng)將被打破，隨即發(fā)生了各種事故.據(jù)統(tǒng)計[1-2]可知，地鐵施工時地面塌陷和沉降災(zāi)害占到發(fā)生事故比列的61%，而其中70%的事故均來自區(qū)間隧道施工，其中地面坍塌歸根結(jié)底也是由于施工對地層的擾動使其產(chǎn)生沉降位移，而沉降位移的最直觀反應(yīng)即為地表沉降.本文實際施工中，盾構(gòu)穿越開福寺附近區(qū)域時，不均勻沉降導(dǎo)致地表被擊穿，隨后使?jié)櫥軜?gòu)的泡沫劑溢出地表如圖1所示，周邊圍墻開裂如圖2所示.所以本文通過數(shù)值模擬的方法探討施工參數(shù)對地表沉降的影響，并提出了控制沉降的相應(yīng)施工措施.

圖1 泡沫溢出地表

圖2 開福寺圍墻開裂

1 工程背景

長沙地鐵1號線北辰三角洲站～開福寺站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，本研究段右線區(qū)間里程為：YDK14+400～YDK14+470；盾構(gòu)下穿開福寺附近區(qū)域時，主要地質(zhì)為(13-1-2)強風化板巖、(13-1-3)中風化板巖，上部覆土地質(zhì)為(1-2-1)雜填土、(1-2-2)素填土、(2-1)粉質(zhì)粘土、(2-9)卵石，各土層特性值參考地質(zhì)勘查報告.每當盾構(gòu)機在含有圓礫層或者含有卵石層的地層中掘進時，地表沉降一般較大，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)多次報警，迫使盾構(gòu)機臨時停止掘進.

2 盾構(gòu)掘進參數(shù)

統(tǒng)計YDK14+400～YDK14+470范圍內(nèi)的施工掘進參數(shù)：推力，扭矩，土艙壓力，同步注漿量，注漿壓力，試圖探求各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性.

圖3 推力、扭矩、土艙壓力

圖4 注漿量和注漿壓力

(1)①在YDK14+434～YDK14+436(強風化板巖地層)中為推力宜設(shè)置大一些；在YDK14+462～YDK14+470隧道內(nèi)地層全為單一板巖地層，且上部分層均勻，所以推力值趨于穩(wěn)定，約為12800 kn左右；本研究段推力偏度值為0.48>0，峰度值為1.16>0，且曲線為右偏態(tài)，分布呈尖峰狀態(tài)，表明量值更集中.②在YDK14+411～YDK14+416段隧道內(nèi)上2 m粉質(zhì)粘土，下4 m強風化板巖，扭矩呈現(xiàn)較高位值，說明在軟硬不均地層中應(yīng)適當提高刀盤扭矩；扭矩離散程度較大，扭矩偏度值為0.15>0，峰度值為-1.19<0，曲線為右偏態(tài)且量值比較分散，波動幅度大.③在YDK14+434附近土艙壓力變化最大，表明強風化板巖中土艙壓力變化大，進入中風化板巖后波動幅度變小但量值有所提高；軟硬不均地層中壓力在平均值附近波動，且其平均數(shù)、眾數(shù)、中位數(shù)基本一致，約1.2 bar，偏度值為0.31>0，峰度值為-0.6<0，曲線為右偏態(tài)，量值較推力分散，較刀盤扭矩集中.④推力與扭矩呈正相關(guān)，在單一的板巖中規(guī)律最明顯.土艙壓力在地層變化的交界處均急劇增大，一般處于高位值可確保掌子面的穩(wěn)定.

(2)在單一板巖中,注漿量與注漿壓力變化呈正相關(guān)且量值較為穩(wěn)定；在含卵石的地層中掘進時，由于孔隙率和空隙率大，在2.2 bar這種低注漿壓力下，注漿量仍可高達6.8 m3；在YDK14+411～YDK14+422粉質(zhì)粘土地層中，由于土質(zhì)的致密性和高含水率可抵抗?jié){液的滲透和擴散，且土層受擾動后沒卵石靈敏，所以注漿量最少僅為5.9 m3.

綜上，各施工參數(shù)受地層條件影響最大；推力值范圍：8500～17000 kN，注漿壓力值范圍：2～4 bar(其中1 bar=0.1 MPa)；為后續(xù)模擬時提供參數(shù)選取依據(jù).

3 盾構(gòu)掘進過程模擬

3.1 基本假定

由于右線隧道施工時，左線隧道并未施工且其掌子面與右線掘進面距離300 m以上，所以本文重點研究右線隧道掘進施工影響.進行數(shù)值模擬時做如下假定：(1)盾構(gòu)開挖過程中忽略土體變形的時間效應(yīng)；(2)土體(DP材料)[3]結(jié)構(gòu)相對疏松且地鐵隧道埋深較淺，可以忽略構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力場；(3)將土體簡化成均質(zhì)水平層狀分布的土層，并將土體視為理想的彈塑性材料；(4)盾構(gòu)管片(C50)為各向同性的線彈性材料，沿開挖方向均勻且連續(xù)，并忽略接頭的影響；(5)盾構(gòu)在開挖過程中的施加頂進壓力來模擬開挖面的土體移動，掘進壓力為均布荷載，沿開挖面均勻布置；(6)在土體和管片之間施加一定厚度的實體單元來模擬注漿作用.

3.2 有限元ANSYS建模及參數(shù)介紹

巖體、注漿層、管片均采用實體SOLID65單元來模擬，模型共10920個單元，12264個節(jié)點.管片內(nèi)徑為5400 mm，管片厚度為300 mm.x方向為60 m,y方向計算尺寸為40 m,z方向計算尺寸為60 m.計算模型的位移邊界條件：計算模型的上邊界無位移約束，下邊界施加y方向位移約束，左右兩側(cè)邊界x=-30 m與x= -30 m施加x方向位移約束，而前后邊界z=0 m與z= -60 m施加z方向位移約束.土體采用摩爾庫倫模型，各參數(shù)參考長沙地鐵1號線相關(guān)施工資料.有限元模型如圖5所示.

圖5 有限元計算模型

3.3 實測與模擬對比

圖6 測點YDK634沉降曲線圖

①地表輕微隆起階段：測點YDK634實測值0.32 mm，模擬值0.048 mm；測點YDK643實測值0.6 mm，模擬值0.13 mm；②當盾構(gòu)機離測點距離較遠時，測點沉降小且表現(xiàn)較為平穩(wěn)，之后隨著盾構(gòu)機向前推進，測點進入盾構(gòu)掘進影響范圍，地表沉降急劇增大，最后趨于平穩(wěn).③沉降急劇增大階段：測點YDK634實測沉降增大值約為8 mm，模擬值約為4 mm；測點YDK643實測增大值0.87 mm，模擬值6.6 mm.④通過監(jiān)測的結(jié)果與模擬值對比，發(fā)現(xiàn)曲線形狀與走勢較為吻合，模擬結(jié)果合理；由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，且易受天氣的影響、以及測量時的一些誤差以及軟件本身的局限性，使得沉降量值稍有差異.

圖7 測點YDK643沉降曲線圖

4 不同工況下的地表沉降響應(yīng)

隧道地表沉降曲線[4]類似呈正態(tài)分布曲線，一般中心點的沉降最大，所以本文均只選取中心軸線對應(yīng)的地表節(jié)點進行沉降分析.

4.1 盾構(gòu)穿越不同地層影響

當盾構(gòu)穿越不同地層時，地表測點的沉降響應(yīng)各不相同.取與實際掘進基本相符的幾種地層種類進行模擬分析，以求進一步探討隧道范圍內(nèi)地質(zhì)原因?qū)Φ乇沓两档挠绊懀唧w地層種類見表1.

表1 隧道范圍內(nèi)土層種類分布

(1)選取隧道中心軸線對應(yīng)的部分地表節(jié)點進行沉降分析：

1)穿越強風化板巖時，沉降較小，基本可控制在0.5 mm以內(nèi)，分別為-0.2 mm(850號)、-0.34 mm(4938號)；當有4.4 m中風化板巖侵入時，對地表沉降基本無影響，測點沉降曲線基本一致；2)當強風化板巖地層中侵入2 m圓礫后，此時變成了上軟下硬型地層，由于盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，且土體受力容易不均衡，掘進對土體擾動大，沉降值有所提高.850號節(jié)點沉降急劇增大6倍，從- 0.2 mm增大到-1.4 mm，4938號節(jié)點沉降增大了12倍；3)盾構(gòu)剛掘進時，在圓礫層中掘進比在卵石層中掘進引起的沉降值大18%，但在卵石層中隆起值明顯，隨著盾構(gòu)的掘進，兩種地層下施工時沉降將趨于一致.

(2)圓礫或卵石成份的含量對地表沉降分析：

圖8 850號節(jié)點(Z= -3 m)沉降

圖9 4938號節(jié)點(Z= -24 m)沉降

圖10 沉降量與地層種類關(guān)系

由圖10可知，穿越圓礫或者卵石層時沉降變化較為一致，沉降值隨著隧道內(nèi)圓礫或卵石成份的含量增多而增大，但增大的趨勢總體上在減小，由其在3 m至4 m段沉降速率突然增大，之后隨著含量的增加，增大趨勢急劇減小.當含量從4 m增大至6.4 m時，2018號(z= -9 m)節(jié)點相對沉降速率低至：0.01 mm/m，基本無變化，而4938號節(jié)點沉降速率為0.26 mm/m.由于土體自身流塑性等特點，變形十分復(fù)雜，當有軟弱不均勻地層侵入時沉降會立即加大.

所以實際施工時需要研究不同地層下的沉降規(guī)律，改良圓礫(卵石)層屬性[5]可有效控制地層變形.

4.2 掘進壓力影響

分別施加3種不同的掘進壓力：工況一0.1 MPa、工況二0.3 MPa(實際統(tǒng)計值)、工況三0.9 MPa，依次換算推力值如文獻[6]、文獻[7]為：3100 kN、9400 kN、28000 kN，測點沉降曲線圖如圖11～圖12所示.

圖11 2018號節(jié)點(Z= -9 m)沉降

圖12 3186號節(jié)點(Z= -15 m)沉降

①增大或者減少掘進壓力對地表沉降的影響微乎其微，并未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，如圖11就出現(xiàn)了掘進壓力越小沉降反而越小的現(xiàn)象；②當掘進壓力增大至0.9 MPa時，2018號節(jié)點最大隆起值為1.3 mm，3186號節(jié)點最大隆起值急劇增大至2.1 mm，掘進壓力的增大導(dǎo)致施工對地表的影響范圍增大，且隨著盾構(gòu)機的不斷前進，后方測點受施工擾動時間長，累積沉降值大于前方測點.③隆起值與推力成正相關(guān)，當掘進壓力超過0.3 MPa后，隆起的幅度急劇增大.

4.3 盾尾注漿壓力影響

合理的注漿壓力可以控制支護結(jié)構(gòu)的變形,并使其變形達到最小，進而對地表沉降的影響也小，所以需要了解注漿壓力對地表沉降的影響[8].分別施加3種不同的盾尾注漿壓力：工況一0.1 MPa、工況二0.3 MPa(實際統(tǒng)計均值)、工況三0.6 MPa.

(1)選取隧道中心軸線對應(yīng)的部分地表節(jié)點進行沉降分析：

由圖13～圖14可知，工況二比工況一注漿壓力提高了2倍，使得850號節(jié)點沉降最大幅度可減少31%，4938號節(jié)點沉降減少幅度小，約為11%.工況三比工況二注漿壓力提高了1倍，地表沉降減少15%左右；而4938號節(jié)點各工況之間數(shù)據(jù)接近，表明注漿壓力的提高對減少地表沉降的作用減弱.

圖13 850號節(jié)點(Z= -3 m)沉降

圖14 4938號節(jié)點(Z= -24 m)沉降

(2)部分施工階段管片應(yīng)力圖如圖15～圖17所示.

由圖15～圖17可知，工況三中由于注漿壓力過大，注漿體與管片相互作用，導(dǎo)致管片等效應(yīng)力急劇增大35%，量值達到1.09 MPa，過大的應(yīng)力容易造成管片拼接處開裂，進而引起隧道結(jié)構(gòu)漏水，所以減少地表沉降和管片受力應(yīng)綜合考慮.

圖15 工況一管片應(yīng)力/Pa

圖16 工況二管片應(yīng)力/Pa

圖17 工況三管片應(yīng)力/Pa

綜上可得：剛開挖時距離850號節(jié)點為3 m，一開挖立即產(chǎn)生沉降響應(yīng)，開挖至27 m(時間步為19)時，沉降基本穩(wěn)定；距離4938號節(jié)點為24 m，當開挖至15 m時(時間步為11)地表才開始較大沉降，越遠的測點越延遲響應(yīng)；沉降影響范圍為刀盤前方10 m、盾尾后方約25 m左右，該規(guī)律與實測地表沉降規(guī)律較為一致.

5 結(jié)論

基于實際掘進參數(shù)分析以及對盾構(gòu)掘進過程的有限元模擬，進一步研究地鐵盾構(gòu)參數(shù)與地表沉降的關(guān)系，可得出以下結(jié)論：

(1)板巖地層中侵入2 m圓礫后，沉降急劇增大6～12倍；最初開挖時，在圓礫層中引起的沉降值比在卵石層中大18%，但隨著盾構(gòu)掘進，兩種地層下施工時沉降將趨于一致；測點沉降值隨著隧道范圍內(nèi)圓礫或卵石成份含量增多而增大，但增大趨勢總體上在減?。槐匾獣r可針對該土層進行袖閥管注漿加固改良.

(2)增大或者減少掘進壓力對地表沉降的影響微乎其微，并未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；隆起值與掘進壓力成正相關(guān)，當掘進壓力超過0.3 MPa后，隆起的幅度急劇增大.

(3)在類似地層中掘進時，盾尾注漿壓力選取為0.3 MPa左右較為合理且與實際值吻合；注漿壓力提高1倍，地表沉降可減少10%以上；可適當提高注漿壓力的方法來保護某個區(qū)域，但過高壓力值反而會引起盾構(gòu)管片應(yīng)力急劇增大；盾構(gòu)施工縱向沉降影響范圍為刀盤前方10 m、盾尾后方約25 m左右.

[1] 蔚 朋. 地鐵施工災(zāi)害事故致因因素之間的非線性映射關(guān)系研究[D].天津理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2014.

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Influence of Shield Driving Parameters of Changsha No.1 Metro Line on Surface Subsidence

ZHOU Ke1,TAN Hong-xia1,LIANG Xin-quan2,QU Chang-zi1,YANG Sheng-jiao1

(1.School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2.Changsha Metro Group Co., Ltd., Changsha 41000, China)

To investigate the influence of shield tunneling parameters on surface deformation, and based on Changsha No.1 Metro Line North Star Delta Station-Kaifu Temple station shield tunnel engineering, the statistical driving parameters of earth pressure balance shield in dome interval segment are given. Furthermore, the relationship between different driving parameters is also analyzed. In addition, the numerical simulation method is used to disusses the influence of several parameters on surfface settlement, namely formation types, driving pressure, and tail shield grouting pressure. The results show that the settlement of measuring point increases with the increase of the content of gravel and scree in tunnel, but there has been a downward trend; driving pressure has a slight influence on surface settlement; nevertheless, surface uplift value has positive correlation withthe driving pressure. Horeover, uplift amplitude increases sharply when the driving pressure is greater than 0.3 MPa; tail shield grouting pressure has doubled and surface settlment reduces more than 10%, but the high pressure would bring an increasing segment stress.

Changsha No.1 Metro Line; earth pressure balance shield; driving parameters; surface subsidence

2016-04-23

湖南省教育廳資助科研項目(13C934).

周 軻(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：巖土體變形研究.

譚紅霞(1969-)，女，博士，副教授，研究方向：大跨度橋梁理論.

U455.43

A

1671-119X(2016)04-0074-06