地鐵隧道盾構(gòu)施工引發(fā)的地層位移影響研究

張國權(quán)

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化水平的快速提高，城市可利用空間急劇減少，城市交通阻塞嚴(yán)重。為了解決這一問題，城市軌道交通的建設(shè)刻不容緩[1]。地鐵隧道施工誘發(fā)的地層移動和地面沉陷及建筑物開裂、管線損壞在我國的地鐵建設(shè)中，是一個普遍存在的問題，已經(jīng)成為地鐵隧道建設(shè)者、設(shè)計、施工技術(shù)人員最為關(guān)心的環(huán)境問題和工程問題[2-5]。

本文運用三維有限元法對太原市地鐵盾構(gòu)法施工過程中引起的地層位移和地面沉降規(guī)律進行了建模分析，研究其對周圍土層及鄰近建筑物的影響。本文預(yù)測和控制盾構(gòu)近距離通過地下結(jié)構(gòu)物時所引起的地層變位，有利于盾構(gòu)機的順利掘進和確保既有建筑的正常使用。

1 工程概況

山西省太原市地鐵2 號線工程全長23.38 km，共設(shè)置23 座車站，全部為地下站?！爸需F隆5 號”盾構(gòu)機在太原地鐵2 號線14 標(biāo)段始發(fā)，執(zhí)行礦機站～小商品市場站區(qū)間右線掘進任務(wù)。本次任務(wù)艱巨，需要解決的問題很多，如：掘進區(qū)間的富水砂層容易發(fā)生洞門或地面坍塌風(fēng)險；工期緊張，施工效率低下；施工前需降低地下水位，以便保護地下水；鋼套筒不可循環(huán)利用；施工成本高等。

該段盾構(gòu)隧道埋深為12 m，管片襯砌外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m。施工中盾尾注漿壓力為0.14 MPa，掘削面頂進壓力為0.25 MPa。從上至下，根據(jù)土層的物性[6]參數(shù)不同將其分為3 層：上層厚度10 m，E=3.28 MPa，v=0.34，ρ=20.35 kN/m3；隧道所在層厚度17 m，E=19.85 MPa，v=0.31，ρ=20.08 kN/m3；下層厚度16 m，E=500 MPa，v=0.37，ρ=22.77 kN/m3。

2 模型建立

2.1 模型單元的選擇

采用ANSYS 有限元軟件建立三維有限元模型進行數(shù)值模擬分析。SOLID45 單元幾何形狀及坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1 所示。

2.2 材料參數(shù)的選擇

分析模型中共選用五種材料，其中土體有三種：地表淺層覆土、盾構(gòu)隧道所在土層和基巖，其材料參數(shù)如上文所述。另外兩種材料為管片襯砌和注漿層，其材料參數(shù)為：管片襯砌E=27.6 MPa，v=0.2，ρ=25 kN/m3； 注 漿 層E=1.0 MPa，v=0.5，ρ=21 kN/m3。

2.3 邊界條件的確定

依據(jù)隧道力學(xué)分析結(jié)果，垂直方向，模型上邊界取到地表，把大于三倍隧洞深的距離取為下邊界；橫向方向，把三到五倍的隧洞距離取為橫向邊界。

2.4 模型的建立過程

（1）建立平面模型后通過沿隧道軸線拉伸成立體模型，得到隧道及其所在地層的三維實體模型。

（2）施加邊界條件后求解自重應(yīng)力場，直到計算收斂。

（3）施加自重應(yīng)力場后進行開挖過程模擬。開挖過程分為13步進行模擬，第1步到第12步開挖，每步掘進3 m，第13 步開挖余下的24 m。分析可知，開挖后盾構(gòu)前面部分的位移量相對較少，隧道周圍的位移量相對較大。

3 計算結(jié)果分析

3.1 地層位移分析

本文模擬分析的位移仍然是相對于自重固結(jié)下的位移，由第1 步開挖引起的地層豎向位移起，分析第1、4、7 和10 步開挖引起的地層位移可知，地層位移隨著盾構(gòu)開挖過程逐漸向內(nèi)部發(fā)展，地表的均位移維持在1.0 cm 以下。開挖過程中，地層位移的最大值仍位于第1 步開挖面處，從第1 步到第10 步，拱頂最大下沉從8.0 cm 增長到8.24 cm，抑拱處最大位移從8.0 cm 增長到8.74 cm。

圖2 為第13 步開挖，即隧道貫通后引起的地層位移。隧道貫通后，地層位移的最大值分別為第1 步開挖面抑拱處8.78 cm 和最后一步貫通面抑拱處的15.37 cm。

圖2 隧道貫通后引起的地層位移/m

3.2 地表沉降分析

盾構(gòu)機開挖過程中會引起地表的沉降，待計算平衡后，繪制第1～10 步開挖引起的地表沉降分布。

由第1 到10 步開挖引起的地表沉降可知，開挖過程中，在盾構(gòu)機的頂進作用下，地表發(fā)生了前隆后沉的現(xiàn)象。隨著盾構(gòu)機的推進，開挖面后方的沉降槽越來越寬，最大沉降量也越來越大，隆起區(qū)域也逐步向前推進。第1 步到第10 步地表最大沉降量從1.28 cm 增長為1.75 cm。

圖3 隧道貫通后引起的地表沉降/m

圖3 為第13 步開挖，即隧道貫通后引起的地表沉降。隧道貫通后，地表沉降的最大值為7.82 cm。

分析可知，地表沉降的原因主要是由盾構(gòu)后部的空隙造成的，盾構(gòu)到達前，地表沉降量相對很小。當(dāng)盾構(gòu)離開挖面越來越遠(yuǎn)時，沉降量將趨于穩(wěn)定。

3.3 管片襯砌受力分析

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)是一個由若干管片、管片間的連接螺栓和填充材料（彈性密封墊）組成的組合結(jié)構(gòu)，管片襯砌的應(yīng)力與變形仍是隧道設(shè)計中十分重要的問題。

由第1 步開挖后管片襯砌的Mises 應(yīng)力，可知管片應(yīng)力最大值為管片上部0.11 MPa，最小值為管片左部的0.07 MPa。管片主要受力仍為開挖后周圍土體擠壓所產(chǎn)生的應(yīng)力。

分析第10 步開挖引起的地表沉降分布可知，隨著盾構(gòu)的不斷推進，管片襯砌應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力值位于第1 步開挖后安裝的管片的上部和下部，從第1 步增大到第10 步的1.10 MPa。最小值均為剛開挖后的管片，從第1 步的0.07 MPa 增大到第10 步的0.08 MPa。

如圖4 所示，隧道貫通后，管片最大應(yīng)力達到1.12 MPa，是第1 步開挖后的10 倍，較第10 步開挖僅增長0.02 MPa，漸趨于穩(wěn)定。

圖4 隧道貫通后后管片襯砌的Mises 應(yīng)力/Pa

4 結(jié) 語

通過三維有限元軟件建立模型，分析了地鐵隧道盾構(gòu)施工過程中導(dǎo)致的地層位移、地表沉降和襯砌應(yīng)力，為地鐵工程施工引起的工程環(huán)境問題的處理提供依據(jù)。通過對隧道盾構(gòu)開挖過程的模擬，對地鐵隧道施工對周圍土體環(huán)境的影響取得了一定的 研究結(jié)果，但仍有很多問題值得進一步深入研究。由于之前主要進行上部結(jié)構(gòu)抗震減震方面的研究，對土體本構(gòu)及土的特性了解較少，采用土體塑性本構(gòu)模型時ANSYS 模擬計算一直不收斂，故在本次模擬中土體本構(gòu)模型為彈性模型，接下來將嘗試采用D-P 模型和鄧肯-張模型進行彈塑性分析。

本文分析僅針對開挖過程進行了定性分析，覆土厚度、土體模量、隧道外徑、盾尾空隙填充率等因素對地基沉降產(chǎn)生的影響仍有待進一步研究。盾構(gòu)開挖過程中，開挖正前方區(qū)域內(nèi)刀盤的擠壓攪削會對土體產(chǎn)生強烈擾動，土體的力學(xué)參數(shù)也將發(fā)生很大變化，其對地層移動機理的影響是一個非常復(fù)雜的變化過程，有待深入研究。