地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降特征與規(guī)律研究

葛瑞雪，于廣明

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033)

盾構(gòu)法施工過程中不可避免造成土層擾動(dòng)，引起施工區(qū)域地表產(chǎn)生不均勻沉降，既而影響周邊建、構(gòu)筑物的使用，嚴(yán)重時(shí)危及人民群眾的安全。

目前，已有很多學(xué)者通過數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)施工過程中引起的地表沉降變化規(guī)律。王敏強(qiáng)等[1]通過有限元軟件分析在某特殊地層中使用盾構(gòu)開挖引起地表沉降變形規(guī)律。馮慧君[2]基于FLAC3D軟件依托天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間實(shí)例建立隧道掘進(jìn)過程的有限元模型，得到前序次開挖隧道對(duì)后序次開挖隧道的拱頂沉降和地表沉降均存在疊加效應(yīng)影響。李鴻博[3]結(jié)合ANSYS和FLAC3D軟件研究了盾構(gòu)隧道開挖過程的時(shí)空效應(yīng)對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。閆國(guó)棟等[4]使用FLAC3D有限元軟件分析盾構(gòu)法下穿圍巖和埋深不同下對(duì)地表沉降和建筑變形的影響。滿孝林等[5]研究隧道開挖中使用盾構(gòu)法與非盾構(gòu)法引起地表沉降的變形影響，通過Midas軟件依托實(shí)際區(qū)域地層進(jìn)行建模對(duì)比分析，得出盾構(gòu)法施工引起的上方土層擾動(dòng)變形最小。賀美德等[6]運(yùn)用有限元分析盾構(gòu)施工引起周邊建筑物的結(jié)構(gòu)沉降和基礎(chǔ)傾斜情況，得出了盾構(gòu)施工到達(dá)建筑物前后對(duì)建筑物變形的影響規(guī)律。楊俊龍[7]利用三維有限元分析方法，在分析盾尾注漿壓力影響的基礎(chǔ)上，考察了隧道施工過程中產(chǎn)生的水平位移及地表沉降，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出實(shí)測(cè)水平測(cè)斜及地表沉降均在允許范圍之內(nèi),表明通過控制盾尾注漿力來控制水平位移及地表沉降的有效性。因此，研究盾構(gòu)施工中引起的地表沉降變化特征及規(guī)律具有重要的實(shí)際意義，只有合理預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工中的地表沉降，才能保證施工周圍環(huán)境的安全性。

依托某市軌道交通九號(hào)線某區(qū)間工程，采用Midas GTS有限元分析軟件進(jìn)行建模，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析在多個(gè)開挖步驟下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量，總結(jié)變形規(guī)律，為后期施工提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1 工程概況

該擬建區(qū)間里程YCK11+722.405～YCK12+436.941段為TBM施工段，經(jīng)地面地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭示，該段主要為素填土，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖。水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，下伏基巖裂隙較發(fā)育，地下水主要為松散層孔隙水及基巖裂隙水。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為單心圓斷面，隧道外徑為6.5m，擬采用管片襯砌。其材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2 模型建立

模型大小取30m(長(zhǎng))×24m(寬)×30m(高)，對(duì)地層中各層巖土材料按各向同性考慮，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，由于水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，因此在建立模型時(shí)不考慮地下水的影響。隧道圓周半徑2.9m，頂點(diǎn)至頂邊距離8.3m。整個(gè)盾構(gòu)施工過程分10步模擬，每步掘進(jìn)尺寸為兩個(gè)管片環(huán)寬2.4m，計(jì)算模型如圖1所示。目標(biāo)測(cè)點(diǎn)設(shè)定在模型頂面中心點(diǎn)位置處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)共5個(gè)，其具體布置如圖2所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

圖2 測(cè)點(diǎn)位置布置圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)過程中地表沉降位移云圖

本模型整個(gè)施工過程分為10個(gè)施工階段，選取每4.8m掘進(jìn)長(zhǎng)度為分析要點(diǎn)，選用其中5個(gè)施工段進(jìn)行沉降研究，圖3～圖7是5個(gè)施工段的位移云圖。

通過圖3～圖7可知，在施工中拱頂處產(chǎn)生最大沉降，且沿隧道中心線向兩側(cè)沉降逐漸減小，在隧道橫斷面處會(huì)形成沉降槽，隨著開挖的進(jìn)行，隧道底部逐漸出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。盾構(gòu)掘進(jìn)4.8m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降值為2.21mm，掘進(jìn)到9.6m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降值為2.62mm，掘進(jìn)到14.4m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降值為2.71mm，掘進(jìn)到19.2m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降值為2.83mm，掘進(jìn)到24m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降值為3.01mm。因此，在盾構(gòu)施工過程中，拱頂處的最大沉降值隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離的增加而增大。

圖3 第2步開挖(掘進(jìn)4.8m)

圖4 第4步開挖(掘進(jìn)9.6m)

圖5 第6步開挖(掘進(jìn)14.4m)

圖6 第8步開挖(掘進(jìn)19.2m)

圖7 第10步開挖(掘進(jìn)24m)

3.2 盾構(gòu)過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的地表沉降分析

根據(jù)圖2標(biāo)記的測(cè)點(diǎn)位置，在表1中記錄每個(gè)開挖步監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值，并制作沉降變化趨勢(shì)圖，如圖8。

表1 各開挖步下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形量(單位：mm)

圖8 測(cè)點(diǎn)沉降變化趨勢(shì)圖

在不考慮模型初始位移的情況下，每個(gè)施工階段中測(cè)點(diǎn)1～5處的位移變形均呈現(xiàn)出沉降的變化趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)3位于模型上頂面的中心點(diǎn)處，距前、后兩面均為12m；測(cè)點(diǎn)2、4距測(cè)點(diǎn)3為4.8m，距前、后兩面均為7.2m，測(cè)點(diǎn)1、5距前后兩面均為2.4m，初始掘進(jìn)階段中，測(cè)點(diǎn)的沉降量均較小，測(cè)點(diǎn)1的沉降速率最大，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的沉降變化最慢；當(dāng)隧道盾構(gòu)施工到一半時(shí)，剛開始的測(cè)點(diǎn)1沉降變化逐漸平穩(wěn)，沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向的測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5沉降變化速率逐漸增大；直到盾構(gòu)施工將要完成時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的相鄰施工階段的沉降差幾乎穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)均達(dá)到掘進(jìn)過程中的最終沉降狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)5的地表沉降量最大。

4 結(jié)論

依托某市軌道交通九號(hào)線某區(qū)間工程，采用Midas GTS軟件分析盾構(gòu)施工引起的地表沉降特征及目標(biāo)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位在各個(gè)施工階段的變形沉降過程，得到以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的豎向位移，在隧道拱頂處主要表現(xiàn)為沉降，在隧道拱底處表現(xiàn)為隆起。

(2)拱頂處的最大沉降值隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離的增加而增大。本實(shí)例模擬中，掘進(jìn)達(dá)到24m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大地表沉降為3.01mm。

(3)初始掘進(jìn)階段中，測(cè)點(diǎn)的沉降量均較小，測(cè)點(diǎn)1的沉降速率最大，隧道盾構(gòu)施工到一半時(shí)，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5沉降變化速率逐漸增大，直至施工結(jié)束，各測(cè)點(diǎn)沉降值達(dá)到穩(wěn)定。