盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響數(shù)值模擬研究★

唐光生 田雪萍

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.長安大學(xué)，陜西 西安 710061)

0 引言

地鐵隧道盾構(gòu)法施工由于對(duì)周圍巖土地層產(chǎn)生了擾動(dòng)，使得隧道四周巖土體應(yīng)力得到釋放，從而導(dǎo)致土體發(fā)生位移，引起地表沉降。目前，對(duì)于盾構(gòu)單線隧道施工情況下，地表沉降規(guī)律、沉降槽的形式和地表沉降預(yù)測方法[1-7]，國內(nèi)外許多研究者各自提出了相應(yīng)的研究成果。唐曉武等[8]通過研究實(shí)際工程中的粉砂土層，分析盾構(gòu)與土體之間相互作用引起的地表沉降特性，得出盾構(gòu)施工中拱起的產(chǎn)生與盾構(gòu)機(jī)殼的摩擦直接相關(guān)，而地表沉降與盾尾空隙相關(guān)。魏綱[9-11]指出土體損失率與土質(zhì)情況、施工質(zhì)量和隧道埋深直接相關(guān)，建立了盾構(gòu)法隧道統(tǒng)一土體移動(dòng)模型，并對(duì)盾構(gòu)法隧道地面沉降槽寬度系數(shù)的取值進(jìn)行了研究。姜忻良等[12]以框架結(jié)構(gòu)樓為對(duì)象，利用ANSYS建立三維數(shù)值模型，按照結(jié)構(gòu)—土體—隧道共同作用分析了盾構(gòu)施工對(duì)臨近建筑物的影響。朱偉等[13]利用FLAC3D對(duì)砂土隧道盾構(gòu)開挖中開挖面支護(hù)力與開挖面的穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，為盾構(gòu)隧道開挖面支護(hù)應(yīng)力的控制提供了參考；同樣，郭小云[14]首次對(duì)黃土地區(qū)盾構(gòu)施工地鐵隧道建設(shè)引起的土體位移運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了模擬，分析了盾構(gòu)施工引起的地層變形和地面沉降規(guī)律。韓煊[15]基于工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入分析了隧道盾構(gòu)施工引起的地層損失、地表位移和建筑物變形規(guī)律，并結(jié)合上述規(guī)律提出了相適應(yīng)的預(yù)測方法和模型。

以上是通過數(shù)值方法對(duì)盾構(gòu)隧道的施工過程引起的地表沉降的研究，但是對(duì)于利用ABAQUS模擬在盾構(gòu)隧道的施工過程中因土質(zhì)情況、土體相關(guān)參數(shù)、單線盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)尺以及上部結(jié)構(gòu)剛度的差異對(duì)地表沉降影響的數(shù)值模擬研究仍然較少，本文通過利用ABAQUS對(duì)以上幾種因素在相應(yīng)變化量下的分析研究，得出了不同變量下的地表豎向沉降規(guī)律。

1 有限元模型相關(guān)參數(shù)

考慮到模擬需要還原真實(shí)工況，本次模擬采用三維模型。運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬軟件模擬某地鐵一號(hào)線東部市場至拱星墩區(qū)間盾構(gòu)施工過程中引起的地表沉降變化規(guī)律，引入土體力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)剛度和開挖距離等因素，采用控制變量法進(jìn)行對(duì)比分析，研究各種因素在相應(yīng)變化量下地表沉降曲線形式與規(guī)律。

土體和建筑物均采用三維八節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體單元，管片采用八節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體、非協(xié)調(diào)模式的薄壁結(jié)構(gòu)。在分析盾構(gòu)注漿中，在盾構(gòu)掘進(jìn)過后，土體與盾尾空隙之間注漿填充一層均勻的彈性體，賦予其一定量值的彈性模量并簡稱為等代層。

盾構(gòu)模型參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)模型參數(shù)

2 盾構(gòu)隧道施工沉降影響數(shù)值模擬研究

2.1 模型及土體相關(guān)參數(shù)

模型尺寸取130 m×90 m×60 m，整體模型圖如圖1所示。盾構(gòu)隧道軸線埋深為h=20.3 m。土體相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 土體相關(guān)參數(shù)

2.2 不同土質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)隧道施工沉降影響數(shù)值模擬研究

不同種類土質(zhì)因其相關(guān)力學(xué)參數(shù)的不同所引起的地表沉降值也有所區(qū)別。以下運(yùn)用表1中通過現(xiàn)場測試所得到的5種不同特性土質(zhì)在隧道開挖過程中引起的地表沉降曲線進(jìn)行研究，分析地表沉降曲線規(guī)律。不同力學(xué)性質(zhì)的土體引起的地表豎向沉降值和沉降槽寬度系數(shù)如圖2，表3所示。

表3 沉降槽寬度系數(shù) m

從圖2得出，不同土質(zhì)情況下盾構(gòu)施工引起的地表豎向沉降曲線有所不同，但都近似符合Peck所提出的正態(tài)曲線分布。這是由于土體相關(guān)力學(xué)參數(shù)(粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比)的不同導(dǎo)致的，具體可以理解為當(dāng)土體較軟(土體相關(guān)參數(shù)較小)時(shí)，盾構(gòu)開挖后因土體受到擾動(dòng)，應(yīng)力得以釋放而向著隧道中心移動(dòng)，無支撐作用的較軟土體向著初襯聚集，并填滿盾尾空隙，到達(dá)初襯后在襯砌支撐下土體沉降將會(huì)減小，但沉降范圍有所增加；相反，當(dāng)土質(zhì)較硬時(shí)，隧道四周土體雖會(huì)向襯砌移動(dòng)，但盾尾空隙不會(huì)被迅速填滿，土體會(huì)在自重作用下向下產(chǎn)生變形向著隧道底部位移，導(dǎo)致較大沉降發(fā)生[16]。另外，從圖2中還可以觀察到，沉降曲線左右兩翼處有隆起產(chǎn)生，這是因?yàn)樵诙軜?gòu)施工中相對(duì)于土體，隧道襯砌管片和盾尾空隙填充物(等代層)的彈性模量等物理參數(shù)太大，盾構(gòu)機(jī)穿過后得到應(yīng)力釋放的巖土體將其自身的壓力作用在襯砌管片上，致使管片產(chǎn)生豎向擠壓的同時(shí)也引起了側(cè)向(水平向)的變形，管片的側(cè)向變形力會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓，使得左右兩側(cè)土體向背離隧道中心方向產(chǎn)生移動(dòng)，進(jìn)而引起土體在一定范圍發(fā)生隆起。

從表3可以看出不同土質(zhì)的沉降槽寬度系數(shù)存在著一定差異，它主要取決于土體的相關(guān)參數(shù)，正如以上分析中提到的，土質(zhì)較軟的地層在盾構(gòu)施工中一般不易引起較大的地表沉降，但沉降范圍較廣；相反，土質(zhì)較硬的地層發(fā)生的地表沉降較大，地層沉降范圍較小。

2.3 土體相關(guān)參數(shù)變化對(duì)盾構(gòu)隧道施工沉降影響數(shù)值模擬研究

對(duì)不同土質(zhì)下盾構(gòu)開挖引起的沉降影響分析，其本質(zhì)是各類土體相關(guān)參數(shù)的不同導(dǎo)致土體沉降曲線有所差異，以下對(duì)土體的相關(guān)力學(xué)參數(shù)做進(jìn)一步模擬分析。不同彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比引起的地表豎向沉降值分別如圖3～圖6所示。

從圖3～圖6可以得到，地表豎向沉降值隨著土體相關(guān)力學(xué)參數(shù)的增大而減小，同時(shí)，沉降影響范圍有所增大。土體自身不同的力學(xué)參數(shù)所引起的地表沉降曲線在形態(tài)上基本相同，其中彈性模量和泊松比的變化所導(dǎo)致的沉降值變化較大，并且變化趨勢也越來越快，反映出這兩個(gè)參數(shù)對(duì)土體沉降影響較大。例如，由圖3可知土體最大和最小彈性模量(70 MPa和10 MPa)所引起的地表豎向沉降值相差3.7×10-2m；由圖6土體最大和最小泊松比(0.4和0.1)所引起的地表豎向沉降值相差7.91×10-2m。

而土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力對(duì)地表豎向沉降影響并不明顯，這是由于內(nèi)摩擦角相對(duì)較大的土體在盾構(gòu)隧道開挖時(shí)容易形成拱效應(yīng)，使得盾構(gòu)開挖過后受到擾動(dòng)的土體應(yīng)力釋放范圍較??；而對(duì)于黃土等較硬土質(zhì)來講，其沉降寬度大、深度較淺，開挖過后沉降影響范圍較大。

2.4 單線盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)尺對(duì)盾構(gòu)隧道施工沉降影響

土體發(fā)生沉降的實(shí)質(zhì)是地層的損失和土體受擾動(dòng)后應(yīng)力釋放進(jìn)而在自重作用下向襯砌和隧道底部移動(dòng)的過程。在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行土體挖掘前進(jìn)的同時(shí)，會(huì)對(duì)隧道四周地層進(jìn)行不同程度的擾動(dòng)，所造成的土體應(yīng)力釋放程度和釋放空間范圍也有所不同，這往往取決于推進(jìn)距離的大小，因此，不同的盾構(gòu)推進(jìn)距離所引起的地表沉降也必然有一定的區(qū)別。本次模擬采用五種不同的推進(jìn)距離(推進(jìn)進(jìn)尺分別為6 m，9 m，15 m，18 m和22.5 m)來分析其對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。不同推進(jìn)進(jìn)尺引起的地表豎向沉降值如圖7所示。不同推進(jìn)進(jìn)尺引起的地表最大豎向沉降值如圖8所示。

由圖7，圖8可以得出，隧道盾構(gòu)最大和最小推進(jìn)進(jìn)尺所引起的地表最大豎向沉降值分別為1.68×10-2m和1.52×10-2m，兩者之間豎向沉降值差為1.6×10-3m。進(jìn)而分析得出，在盾構(gòu)隧道深度、直徑和隧道四周土質(zhì)條件等一定的情況下，盾構(gòu)推進(jìn)距離的變化對(duì)于地表豎向沉降值的影響不大，但兩者之間存在著一定的正相關(guān)性，即地表最大豎向沉降值隨著開挖距離的增大呈線性增長趨勢。這是由于盾構(gòu)推進(jìn)距離較大時(shí)，對(duì)周圍土體的擾動(dòng)也越多，受擾后的土體由于應(yīng)力得到充分釋放而向著隧道中心移動(dòng)的距離也相對(duì)較大，最終造成地表沉降值較大；相反，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)距離較小時(shí)，對(duì)四周土體的擾動(dòng)也較少，受擾土體的應(yīng)力并沒有得到完全釋放而使得其向隧道中心移動(dòng)的距離相對(duì)較小，造成地表沉降值也較小。

2.5 上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)盾構(gòu)隧道施工沉降影響研究

建筑物結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)地層土體起到控制制約作用，限制土體發(fā)生位移，造成地層移動(dòng)與天然狀態(tài)相比有所不同[20]。本次模擬中土體上部設(shè)計(jì)帶有結(jié)構(gòu)剛度的建筑物，并通過改變土體上部建筑物結(jié)構(gòu)的彈性模量進(jìn)行計(jì)算分析，取0 MPa，10 MPa，102MPa，103MPa和104MPa五種情況?？紤]到土體沉降影響范圍，建筑物長度方向尺寸取60 m，并以雜填土為例進(jìn)行分析。不同結(jié)構(gòu)剛度地表豎向沉降值如圖9所示。

從圖9得出，在盾構(gòu)隧道上方存在一定剛度的建筑物結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生較大影響，可以明顯看到，在建筑物長度方向上地表豎向沉降有兩種不同的變化規(guī)律，即以隧道中心軸線為起始端，左右兩側(cè)約15 m(沉降槽寬度系數(shù))范圍內(nèi)地表豎向沉降值隨著土體上部結(jié)構(gòu)剛度的增大而減??；而在隧道中心兩側(cè)15 m～30 m范圍內(nèi)地表豎向沉降值隨著土體上部結(jié)構(gòu)剛度的增大而增加。這是由于上部建筑物結(jié)構(gòu)通過地基基礎(chǔ)來協(xié)調(diào)與土體的變形之間的關(guān)系，土體上方存在建筑物時(shí)，盡管地表沉降數(shù)值有所差異，但沉降曲線形態(tài)與上方不存在建筑物結(jié)構(gòu)時(shí)相類似，其原因在于建筑物地基基礎(chǔ)的變形與土體沉降相互協(xié)調(diào)，沉降槽變化相對(duì)均勻。在隧道開挖過后，地層土體的損失雖然導(dǎo)致了土體向著隧道開挖的方向緩慢地移動(dòng)，但是在高層建筑物的基礎(chǔ)與地層土體的相互作用下，土體移動(dòng)的趨勢平緩。

同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在沉降曲線兩側(cè)有隆起現(xiàn)象，隆起剛好發(fā)生在隧道中心兩側(cè)30 m處，即土體上部建筑物長度方向的邊緣，其原因在于建筑物基礎(chǔ)的剛度相對(duì)于土體而言過大，建筑基礎(chǔ)不易發(fā)生較大變形，在盾構(gòu)開挖過后土體向著襯砌管片發(fā)生位移，而使建筑物基礎(chǔ)中部失去支撐作用而產(chǎn)生彎矩，進(jìn)而建筑物為了與土體位移相協(xié)調(diào)而向下擠壓土體并發(fā)生變形，使得左右兩側(cè)土體受到側(cè)向擠壓而發(fā)生形變，造成基礎(chǔ)邊緣土體產(chǎn)生向上的隆起。

可以得出，盾構(gòu)隧道上方存在建筑物時(shí)，建筑物的整體結(jié)構(gòu)剛度會(huì)對(duì)地表沉降起到控制和制約的作用，所表現(xiàn)出的沉降曲線形狀較寬較淺，這也側(cè)向說明在建筑物剛度的影響下地表沉降值在隧道中心兩側(cè)建筑物長度方向范圍明顯減小。

3 結(jié)語

1)盾構(gòu)施工在不同土質(zhì)條件下引起的地表豎向沉降值、沉降槽寬度系數(shù)以及沉降影響范圍都有較大差異。地表豎向沉降值隨著土體相關(guān)力學(xué)參數(shù)的增大而減小。

2)盾構(gòu)開挖過程中，不同的推進(jìn)距離引起的地表豎向沉降值有一定差異，隨著盾構(gòu)推進(jìn)距離的增加地表豎向沉降值在增大，并且呈一定的線性關(guān)系。

3)在盾構(gòu)隧道上方存在一定結(jié)構(gòu)剛度的建筑物時(shí)，地表豎向沉降值與天然地面相比大小有所不同，但沉降曲線形式相類似。在上部建筑物結(jié)構(gòu)剛度的影響下，建筑物基礎(chǔ)與土體變形相互協(xié)調(diào)，起到相互制約的作用，最終在隧道中心兩側(cè)較大范圍內(nèi)產(chǎn)生較小沉降。