復(fù)合地層曲線盾構(gòu)隧道施工環(huán)境影響分析研究

孫世杰

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

1 研究背景

地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，伴隨施工進(jìn)度推移土體性質(zhì)不斷發(fā)生變化。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)隧道開挖誘發(fā)地層位移變形有不少的研究成果，目前，針對(duì)隧道開挖引發(fā)地表沉降變形問題，主要的研究方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法、模擬試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。

R.B.Peck[1]1969 年根據(jù)當(dāng)時(shí)隧道施工引發(fā)地面沉降的大量工程實(shí)測資料分析，首先提出地面沉陷槽的形狀與概率論中正態(tài)分布曲線相似，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算地面沉降值；Mair等[2]經(jīng)過大量研究，在分析地表沉降規(guī)律的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)Gaussian曲線適用于地表以下地層移動(dòng)變形規(guī)律，得到沉降曲線的沉降槽寬度計(jì)算公式；Loganathan等[3]提出隧道開挖引起的土體自由位移場的經(jīng)驗(yàn)公式，可以在一定程度上預(yù)測隧道施工引起的土層變形；Sagaseta[4]用鏡像源來消除無限介質(zhì)情況下產(chǎn)生的虛擬邊界條件，將土體削減等效為圓柱體，假定其沿軸線均勻分布，得到在不排水條件下三維地面變形計(jì)算公式；Veirruijt和Booker[5]利用Sagaseta提出的源匯法，認(rèn)為隧道變形主要是隧道表面土體的等量徑向位移和長期的隧道橢圓化變形，采用半彈性平面方法，得到土體垂直位移和水平位移的理論計(jì)算公式。

曾曉清[6]應(yīng)用時(shí)變力學(xué)彈塑性理論，采用半解析數(shù)值法對(duì)雙線盾構(gòu)隧道施工過程中的地層移動(dòng)和隧道受力進(jìn)行了三維時(shí)空動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬分析；張冬梅等[7]采用三維有限元方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)正面附加推力、切削土體減少、注漿層摩擦力的單獨(dú)及共同作用進(jìn)行了模擬，采用彈-黏塑性本構(gòu)模型對(duì)隧道的長期沉降進(jìn)行了有限元模擬；何祥凡[8]采用離散元數(shù)值模擬分析探究上軟下硬盾構(gòu)掘進(jìn)所引起的擾動(dòng)影響，優(yōu)化上軟下硬地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)；楊記芳[9]采用FLAC3D有限差分軟件在分析壁后注漿對(duì)隧道周圍土體的作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了壁后注漿等代層單元，采用空隙單元、三階段固結(jié)-膠結(jié)硬化單元和三級(jí)注漿應(yīng)力釋放，建立了符合盾構(gòu)施工過程的數(shù)值模擬方法；孟慶軍[10]采用數(shù)值模擬分析多種加固措施相聯(lián)合對(duì)地基變形的控制效果；陳小亮等[11]使用FLAC3D分析雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表變形橫向分布，研究表明雙圓盾構(gòu)施工引起的地表變形橫向分布主要集中在軸線兩側(cè)2倍盾構(gòu)寬度范圍內(nèi)；聶耐等[12]使用FLAC3D進(jìn)行盾構(gòu)穿越上軟下硬地層地表沉降影響因素分析；譚燕秋等[13]通過三維有限元軟件，研究了類矩形隧道全斷面掘削對(duì)周圍環(huán)境影響規(guī)律。

本文依據(jù)南京地鐵7號(hào)線萬壽村站—丁家莊站盾構(gòu)區(qū)間工程背景，建立復(fù)合地層曲線盾構(gòu)隧道三維數(shù)值仿真模型，計(jì)算分析隧道曲線半徑和地層分布對(duì)施工環(huán)境的影響規(guī)律，為以后類似的工程提供參考借鑒。

2 工程概況

南京地鐵7號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越立交工程中萬壽村站—丁家莊站區(qū)間線路多段穿越上軟下硬復(fù)合地層，開挖面上半部分主要為粉質(zhì)黏土，下半部分存在閃長巖、粉砂巖和泥巖等多種情況。盾構(gòu)機(jī)掌子面地層復(fù)雜，主要分為全斷面巖層、全斷面黏土和上軟下硬等情況，區(qū)間縱斷面如圖1所示。長距離復(fù)雜地層施工，渣土在改良不佳情況下易在刀盤面和土倉內(nèi)聚集成半固結(jié)和結(jié)狀的塊狀體，其在高溫情況下形成泥餅。長距離全斷面巖層施工，易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、螺旋機(jī)噴涌、管片上浮等問題。此外，由于巖體強(qiáng)度普遍較硬，易出現(xiàn)掘進(jìn)速度緩慢、渣土超挖地面沉降塌方、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制和刀具非正常磨損等問題。

圖1 萬壽村站—丁家莊站區(qū)間縱斷面圖

7號(hào)線萬壽村站—丁家莊站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，右線起訖里程為CK28 + 239.538～CK30 + 047.450，總長1 807.912 m；左線起訖里程為CK28 + 239.538～CK30 + 047.450，左線總長為1 823.235 m（含長鏈15.323 m），區(qū)間左右線總長為3 631.147 m。區(qū)間共設(shè)置5段平面曲線，曲線半徑最小為450 m，線間距約為12.0～16.0 m。曲線盾構(gòu)對(duì)施工控制要求更高，對(duì)隧道自身而言，易出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)、管片裂縫、管片卡殼和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制等問題，對(duì)隧道周邊環(huán)境而言，易出現(xiàn)地表塌陷和周邊建筑差異沉降等。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本文數(shù)值模擬采用ANSYS進(jìn)行前期模型建立，后導(dǎo)入FLAC3D計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果。根據(jù)盾構(gòu)開挖對(duì)周圍土體的影響范圍為3D～5D[14]（D為隧道開挖直徑），模型尺寸取87 m×32.1 m×9.6 m（橫向×豎向×縱向），隧道間距15 m，埋深15.1 m。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型（單位：m）

隧道管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片采用錯(cuò)縫拼裝。管片環(huán)外側(cè)為注漿層，注漿層外側(cè)為超挖層，利用超挖層模擬曲線隧道施工過程中引起的超挖量。

采用實(shí)體單元建立模型，共劃分143 328個(gè)單元，155 635個(gè)節(jié)點(diǎn)，土體、巖體選擇摩爾-庫倫本構(gòu)模型，管片環(huán)、注漿層和空隙層選擇彈性模型，隧道開挖土體單元用null實(shí)體單元模擬，各組單元的接觸關(guān)系用interface結(jié)構(gòu)單元模擬。

模型底部施加z向位移約束，兩側(cè)邊界分別施加相應(yīng)的x向位移約束與y向位移約束，頂部為自由邊界。

3.2 曲線盾構(gòu)隧道施工模擬

地層損失是隧道施工時(shí)地表沉降的主因，正確的模擬地層損失可以準(zhǔn)確地表現(xiàn)隧道施工對(duì)環(huán)境的影響。曲線隧道的地層損失量比直線隧道更大，且不同的曲線半徑對(duì)應(yīng)地層損失量也不同。本文通過改變模型中的地層損失量表征不同曲線半徑對(duì)隧道地表沉降的影響，在管片注漿層外側(cè)建立空隙層模擬隧道超挖部分，曲線隧道曲線半徑分別為300 m和450 m時(shí)，空隙層厚度分別為30 mm和20 mm。以空隙層外邊界為管片初始邊界開始計(jì)算，計(jì)算收斂后將管片邊界收縮至6.2 m，再次計(jì)算得曲線盾構(gòu)隧道施工的模擬結(jié)果。隧道各單元分布圖如圖3所示。

圖3 隧道單元分布圖

3.3 數(shù)值模型可靠性驗(yàn)證

本文以工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)值模型合理性的依據(jù)。選取77號(hào)監(jiān)測斷面作為計(jì)算斷面，以77號(hào)斷面地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)作為隧道單線開挖模型的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。首先計(jì)算77號(hào)斷面地表沉降，該斷面地層分布如圖4所示。77號(hào)斷面地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 77號(hào)斷面地層分布圖（單位：mm）

數(shù)值模擬計(jì)算隧道開挖后地層的豎向位移云圖如圖5所示。監(jiān)測斷面的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖5 77號(hào)斷面地層豎向位移云圖（單位：m）

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)繪制圖6，由圖6可得，因施工現(xiàn)場地層厚度橫向分布不均，在距離隧道軸線3 m處，出現(xiàn)地表沉降最大值，為22.23 mm，沉降槽特征明顯；模擬地表沉降最大值位于隧道軸線正上方，為22.18 mm。所有監(jiān)測點(diǎn)的沉降平均誤差為2.72 mm，誤差占最大沉降的12%。計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算模型可以合理表征隧道開挖后地表沉降趨勢(shì)，沉降值與實(shí)測值相近，可以運(yùn)用此模型進(jìn)行下文規(guī)律探究的計(jì)算。

圖6 77號(hào)斷面地表沉降實(shí)測值與模擬值對(duì)比圖

表1 77號(hào)斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)表 mm

表2 77號(hào)斷面的模擬計(jì)算結(jié)果 mm

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 地層分布對(duì)地表沉降的影響

計(jì)算盾構(gòu)機(jī)位于不同地層中掘進(jìn)時(shí)引起的地表沉降，共包含單一粉質(zhì)黏土地層（工況1）、單一粉質(zhì)黏土地層（工況2，粉質(zhì)黏土占比70%）、復(fù)合地層（工況3，粉質(zhì)黏土占比30%）、單一閃長巖層（工況4）4個(gè)地層工況，如圖7所示。

圖7 不同計(jì)算斷面的地層分布工況

各工況下盾構(gòu)隧道施工引起的豎向位移計(jì)算云圖如圖8所示，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制圖9、圖10。圖9給出了不同地層分布的地表沉降對(duì)比曲線，圖10給出了地表沉降最大值與土體占比關(guān)系曲線。

圖8 不同計(jì)算斷面豎向位移云圖（單位：m）

圖10 地表沉降最大值與土體占比關(guān)系曲線

由圖9可得，盾構(gòu)機(jī)于不同的地層中掘進(jìn)時(shí)，橫向地表沉降最大值均出現(xiàn)在隧道軸線正上方，距離隧道越遠(yuǎn)，地表沉降越小。因巖體的模量與強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土體，隧道開挖面中巖體占比越大，地表沉降越小，開挖面為均一巖體時(shí)地表沉降最小，隧道軸線上方的地表沉降量為6.35 mm，開挖面為均一土體時(shí)地表沉降最大，隧道軸線上方的地表沉降量為27.32 mm。

圖9 不同地層分布的地表沉降對(duì)比曲線

由圖10可知，復(fù)合地層隧道開挖引起的地表沉降最大值與土體占比幾乎呈線性關(guān)系，土體占比升高10%，地表沉降增大2.1 mm。

4.2 曲線半徑對(duì)地表沉降的影響

圖11給出了直線隧道以及曲線半徑分別為300 m、450 m三種工況的盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降豎向位移云圖。根據(jù)圖11繪制圖12。

圖11 不同曲線半徑的仿真模型豎向位移云圖（單位：m）

由圖12可得，隧道曲線半徑對(duì)地表沉降影響顯著，曲線半徑越小，則地表沉降量越大；當(dāng)盾構(gòu)隧道曲線半徑為300 m時(shí)，隧道軸線處地表沉降量達(dá)28.63 mm，相較直線隧道沉降量增大6.45 mm；當(dāng)盾構(gòu)隧道曲線半徑為450 m時(shí)，隧道軸線處地表沉降量達(dá)24.64 mm，相較直線隧道沉降量增大2.56 mm。10 mm超挖量會(huì)引起約2.08 mm地表沉降增量。

圖12 不同曲線半徑隧道開挖后地表沉降分布曲線

5 結(jié)論

（1）地層分布對(duì)地表沉降具有顯著影響，在均一巖體地層中掘進(jìn)時(shí)，地表沉降最小，隧道上方地表最大沉降量為6.35 mm；在均一軟弱土體地層中掘進(jìn)時(shí)，地表沉降最大，隧道上方地表最大沉降量為27.32 mm；在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，地表沉降最大值與土體占比幾乎呈線性關(guān)系，隧道開挖面土體占比提升10%，地表沉降增大約2.1 mm；

（2）曲線隧道的曲線半徑對(duì)地表沉降具有顯著影響，當(dāng)盾構(gòu)隧道曲線半徑分別為300 m和450 m時(shí)，隧道上方地表沉降最大值分別為28.63 mm和24.64 mm，比直線隧道沉降量分別增大6.45 mm和2.56 mm；隧道半徑越小，單側(cè)超挖量越大，地表沉降量也越大；10 mm超挖量會(huì)引起約2.08 mm地表沉降增量。