飽和砂土中盾構(gòu)掘進引起地表變形的數(shù)值分析

高良

摘 要：本文以鄭州地鐵某區(qū)間盾構(gòu)工程為例，在考慮盾構(gòu)在成層地層開挖過程中地下水滲流對開挖面穩(wěn)定影響下，采用ABAQUS軟件對交通荷載作用下該盾構(gòu)區(qū)間的地面變形規(guī)律進行模擬，并將模擬結(jié)果與該區(qū)間內(nèi)左DK34+896斷面和左DK34+886斷面的實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行對比。對比結(jié)果顯示，數(shù)值分析與實測結(jié)果的沉降發(fā)展規(guī)律基本一致。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu);數(shù)值模擬;實測數(shù)據(jù);地面變形;對比分析

中圖分類號：U231文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0103-03

Abstract： In this paper， taking a shield project of Zhengzhou Metro as an example， considering the influence of groundwater seepage on the stability of the excavation face in the process of shield excavation in layered stratum， the ground deformation law of the shield section under traffic load was simulated by using ABAQUS software， and the simulation results were compared with the measured data analysis results of left DK34 + 896 section and left DK34 + 886 section in the section. The comparison results show that the settlement development law of the numerical analysis is basically consistent with the measured results.

Keywords： metro shield;numerical simulation;measured data;ground deformation;comparative analysis

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，地鐵因其高效、便利、節(jié)省空間的特點被廣泛修建于各大城市中。但同時，地鐵修建時遇到的種種問題也逐漸突顯出來。盾構(gòu)法被廣泛應(yīng)用于地鐵修建中，但由于地鐵隧道埋深較淺，在盾構(gòu)掘進過程中難免會對地面產(chǎn)生影響，從而影響地鐵附近其他建筑，所以準確地預(yù)測和評估地鐵隧道施工過程中引起的地面沉降是非常重要的[1-3]。

本文通過采用ABAQUS軟件對盾構(gòu)施工進行數(shù)值模擬，預(yù)測施工過程中的地面沉降情況，得出相應(yīng)結(jié)果，為今后施工設(shè)計提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

鄭州市地鐵某區(qū)間左線長1 885.361 m，右線長1 887.199 m，線間距平均為16.0 m，區(qū)間線路的縱坡設(shè)計為“V”形坡，最大坡度為26.8‰，最小坡度為3.0‰。區(qū)間隧道的最大埋深為20.8 m，最小埋深為11.1 m。該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，共投入2臺盾構(gòu)機。該區(qū)間平面位置如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型選擇

ABAQUS共設(shè)有12種巖土本構(gòu)模型，可以對不同的巖土材料進行模擬[4]，具體包括1個空模型;3個彈性模型，分別為各向同性模型、橫觀各向同性模型、正交各向同性彈性模型;8個塑性模型，分別為應(yīng)變硬化/軟化模型、雙線性應(yīng)變硬化/軟化遍布節(jié)理模型、摩爾-庫侖模型、德魯克-普拉格模型、雙屈服模型、霍克-布朗模型、修正劍橋模型、遍布節(jié)理模型。

本文模擬的地鐵盾構(gòu)區(qū)間位于鄭州市東區(qū)，土體以砂土和粉質(zhì)黏土為主，以摩爾-庫侖模型表征土體的本構(gòu)方程，主要研究地鐵盾構(gòu)掘進過程中地表的沉降和變形。

2.2 參數(shù)的選取

盾構(gòu)隧道穿越飽和砂質(zhì)土層主要為砂土和粉質(zhì)黏土，相關(guān)物理力學參數(shù)見表1。各層土、盾構(gòu)管片、同步注漿加固圈、盾構(gòu)機的主要物理力學參數(shù)見表2。

盾構(gòu)機參數(shù)參考海瑞克土壓平衡盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，重量取386.0 t。盾構(gòu)管片為C50混凝土，按規(guī)范取相關(guān)參數(shù)。由于管片接頭對混凝土材料有一定的影響，將管片剛度取折減系數(shù)0.75進行弱化處理。盾構(gòu)管片壁后同步注漿體，參照相關(guān)經(jīng)驗取值。

2.3 模型建立

計算模型的取值如下：沿盾構(gòu)隧道掘進方向取36.0 m（每環(huán)管片1.2 m，共取30環(huán)管片），橫向取80.0 m。根據(jù)所研究的該地鐵盾構(gòu)區(qū)間埋深情況，選取覆土厚度9.0 m的最不利工況隧道底以下的地層取22.0 m，盾構(gòu)隧道的外圈直徑6.0 m，垂直方向取37.0 m。在建立模型時，坐標軸設(shè)置如下：橫平面內(nèi)的水平方向為X軸，隧道掘進方向為Y軸，垂直向上方向為Z軸，為橫軸（水平方向）。計算模型共劃分24 900個單元體，26 980個節(jié)點。

在建模過程中，為了保證計算的準確性，混凝土管片結(jié)構(gòu)選用等參8結(jié)點的空間板殼單元，而盾構(gòu)隧道的圍巖體選用等參20結(jié)點的三維實體單元，建立的三維模型如圖2至圖4所示，分別為整體模型、盾構(gòu)管片、注漿圈。

2.4 地表沉降分析

選取左線DK34+886斷面作為分析對象，得到的沉降云圖如圖5所示。

根據(jù)圖5，進一步可得該斷面在不同施工階段下的縱向沉降槽和橫向沉降槽，如圖6和圖7所示。

從圖6可以看出，縱向沉降槽的數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)與左DK34+886和左DK34+896的實測結(jié)果的沉降發(fā)展規(guī)律基本一致：盾構(gòu)掘進面到達前10 m左右時開始出現(xiàn)緩慢的地表沉降，而隨著掘進的繼續(xù)施工，地表沉降數(shù)值逐漸增大，最大沉降值達到6.2 mm。

從圖7可以看出，橫向沉降槽的數(shù)值模擬最大沉降值出現(xiàn)在隧道軸線初，為15.2 mm，介于左DK34+886和左DK34+896實測值之間，與實測結(jié)構(gòu)的平均值比較接近，沉降值中間大，向兩側(cè)逐漸變小。砂土的滲透系數(shù)大，孔隙水壓力消散速率較快，是造成地鐵盾構(gòu)掘進引起飽和砂土地區(qū)沉降值較大的主要原因。

3 結(jié)論

通過ABAQUS數(shù)值模擬的計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果對比得出以下結(jié)論。

①總體來說，數(shù)值模擬的結(jié)果與實測結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

②盾構(gòu)掘進面到達前10 m左右時開始出現(xiàn)緩慢的地表沉降，而隨著掘進的繼續(xù)施工，地表沉降數(shù)值逐漸增大。

③砂土的滲透系數(shù)大，孔隙水壓力消散速率較快，是造成地鐵盾構(gòu)掘進引起飽和砂土地區(qū)沉降值較大的主要原因。

參考文獻：

[1]吳波，高波.復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[J].中國鐵道科學，2006（6）：129-131.

[2]陶龍光，劉波，丁城剛，等.盾構(gòu)過地鐵站施工對地表沉降影響的數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)大學學報，2003（3）：236-240.

[3]張杰，駱建華，吳波.地鐵區(qū)間三連拱隧道施工地表沉降的數(shù)值模擬及模型試驗研究[J].隧道建設(shè)，2005（2）：3-6.

[4] LEE K M ， ROWE R K . Finite element modelling of the three-dimensional ground deformations due to tunnelling in soft cohesive soils： Part 2 — results[J]. Computers and Geotechnics，1990（2）：111-138.