盾構隧道掘進對地表沉降的影響及控制措施研究

文章以某城市地鐵盾構隧道工程為例，采用PLAXIS有限元軟件建立隧道模型，對隧道掘進過程中地表沉降變化規(guī)律進行分析，并結合實際工程現(xiàn)場監(jiān)測結果，對地表沉降實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行了對比，探討了地表沉降控制措施，得到以下結果：（1）地表監(jiān)測處的沉降隨著隧道掘進距離的減小而逐漸增大;當隧道掘進達到監(jiān)測處后地表沉降值仍有所增大，但逐步趨向穩(wěn)定狀態(tài);（2）各斷面的地表沉降實測值與計算值較為吻合，即數(shù)值模擬結果可靠合理;（3）采取對盾構土壓平衡、盾構機掘進方位及速度、管片拼裝和同步注漿的控制方法可以有效減少盾構隧道引起的地表沉降。

盾構隧道;地表沉降;數(shù)值模擬;沉降控制措施

文獻標識碼：U455.43-A-34-114-3

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，許多城市逐漸開始興建地鐵，而隧道在盾構掘進過程中會致使地表發(fā)生沉降等危害，給鄰近地表構筑物的安全帶來嚴重影響，因此如何合理地控制地表沉降成為了越來越多學者關注的熱點課題[1-4]。

近年來，國內(nèi)學者在解決盾構隧道誘發(fā)地表沉降的問題上進行了一些研究，如石杰紅等[5]以某城市地鐵盾構隧道工程為案例，針對四種不同開挖方案誘發(fā)的地表沉降進行了對比分析，給工程后期地鐵隧道開挖提供重要指導;洪杰[6]以某地鐵區(qū)間隧道工程為背景，借助Abaqus有限元軟件建立數(shù)值模型，探討了隧道開挖過程中施工參數(shù)對地表沉降的影響規(guī)律，并提出有關沉降控制的針對性建議;馮國冠[7]通過采用有限元軟件，模擬了某盾構隧道的整個開挖過程，研究了不同影響因素下隧道的地表沉降變化規(guī)律;董廣輝[8]研究得出隧道在采用盾構開挖時，由于刀盤、盾體、管片之間存在一些間隙，如無法及時同步進行注漿處理，則會致使地表發(fā)生沉降問題。本文以某城市地鐵盾構隧道工程為例，采用PLAXIS有限元軟件建立隧道模型，對隧道掘進過程中地表沉降變化規(guī)律進行分析，并結合實際工程現(xiàn)場監(jiān)測結果，對地表沉降實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行了對比，探討了地表沉降控制措施，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程背景

以某城市地鐵隧道工程為背景，該隧道直徑為6 m，襯砌厚度為0.3 m，隧道中心處埋深約為14～24 m，采用大型盾構機進行施工。根據(jù)地質勘察，隧道區(qū)間范圍內(nèi)主要包含素填土、黏土以及中風化泥灰?guī)r等土質。為研究隧道掘進過程中地表沉降的變化規(guī)律，本文借助PLAXIS有限元軟件，選取兩個典型斷面A、B進行了模擬計算分析。各斷面的地質情況如圖1所示。

2 現(xiàn)場沉降監(jiān)測點布置及模型建立

2.1 監(jiān)測點布置

在隧道斷面A、B的地表均布置7個橫向沉降監(jiān)測點，其中每個監(jiān)測點間距均為3 m，最中間的沉降監(jiān)測點設置于隧道軸線正上方。具體布置情況如圖2所示。

2.2 有限元模型的建立

以斷面A為例，采用PLAXIS有限元軟件建立盾構隧道開挖數(shù)值模型，考慮到該隧道屬于淺埋隧道，因此在模型建立過程中將模型的上表面視為地表。模型中除頂部外均設置位移邊界約束，其中混凝土和土體分別采用線彈性、摩爾-庫倫本構模型。由于隧道結構對稱，本文僅建立半側模型（如圖3所示）。另外，模型中土體及材料參數(shù)選取如表1所示。

3 數(shù)值模擬對比分析

3.1 隧道掘進沉降計算分析

通過對隧道掘進過程中斷面A的豎向位移進行有限元模擬計算，得到隧道掘進距測點水平處10 m、5 m及0 m時的沉降分布規(guī)律。

當隧道掘進至距監(jiān)測點10 m時，因受圍巖應力釋放作用，使得隧道底側管片壁后注漿處出現(xiàn)了比較大的隆起情況，其最大隆起值達到了3 mm左右，而監(jiān)測處僅出現(xiàn)較小沉降。隧道管片完成注漿后，盾構機繼續(xù)向前掘進，當隧道掘進至距測點5 m時，監(jiān)測點出現(xiàn)了較大的沉降，其最大地表沉降值達到10.1 mm。當隧道掘進至測點時，最大地表沉降值達到了10.8 mm。隨著隧道掘進至監(jiān)測點的距離越短，各測點的地表沉降值逐漸增大，當盾構機在到達監(jiān)測斷面后繼續(xù)向前掘進時，各測點的地表沉降值仍有所增大，但逐步趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結果對比分析

為了保證有限元模擬計算結果的準確性，將斷面A、B各監(jiān)測點的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計算數(shù)據(jù)進行對比分析，結果如下頁圖4所示。

由圖4可知，斷面A的實測沉降值均小于模擬計算值，其中實測出最大沉降值為-12.71 mm，模擬計算出最大沉降值為-13.05 mm，兩者誤差2.7%左右;斷面B的實測最大沉降值為-12.9 mm，而計算出的最大沉降值為-13.39 mm，兩者誤差3.8%左右。兩個斷面的實測值與有限元計算值較為吻合，即可表明有限元模擬計算結果合理可靠。

4 地表沉降控制措施研究

城市盾構隧道施工過程中，由于城市地表建筑物及地表荷載較大，規(guī)范對沉降控制要求很高，一般地表沉降值大于規(guī)范值，就應該采取合理的沉降控制措施，下面給出盾構隧道施工過程中的沉降控制方法。

4.1 對盾構土壓平衡進行控制

盾構隧道開挖過程中，由于土體損失從而使得艙內(nèi)外土壓力不平衡，因此可以通過在盾構機刀盤后側的密封艙提前放置填充物來平衡由于隧道開挖引起的艙內(nèi)外土壓力不平衡問題，最終減小地表沉降。

4.2 對盾構機掘進方位及速度進行控制

城市地鐵往往要穿越數(shù)十公里，盾構機在推進的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)偏離軸線等現(xiàn)象，故需要經(jīng)常對盾構機進行糾偏，而糾偏控制值應控制在一定范圍內(nèi)，防止由于盾構機偏轉過大而導致土體受擾動而發(fā)生沉降過大現(xiàn)象。盾構機中千斤頂推進力和刀盤切割轉速均應控制在一定范圍內(nèi)，防止對土體產(chǎn)生過大擾動。此外，在條件允許的情況下，要盡可能加快盾構掘進速度，并且要保證盾構的連續(xù)性，以此來減小對周圍土體以及地表的擾動。

4.3 對管片拼裝進行控制

預制管片在盾構隧道穩(wěn)定性當中發(fā)揮著非常重要的作用，如果拼裝不當可能會導致固定螺栓無法連接以及在壁后注漿時發(fā)生漏漿等現(xiàn)象。因此，在管片拼裝過程中應保證完美對接，使得拼裝環(huán)面和縱縫密實度滿足設計要求。

4.4 對同步注漿進行控制

同步注漿對于保證盾構隧道的穩(wěn)定性至關重要，在管片拼裝完之后，應該及時進行壁后注漿。如果不及時注漿，會使得地層損失率增大，進而加大了地表沉降，甚至造成地表塌陷。因此在管片拼裝完之后應該及時進行注漿，并對漿液的質量、相關指標和注漿過程進行嚴格測試和控制。

5 結語

本文以某城市地鐵隧道工程為研究背景，采用PLAXIS有限元軟件建立盾構隧道模型，結合現(xiàn)場實時監(jiān)測，對比研究了隧道掘進過程中地表沉降變化規(guī)律及控制措施，得到以下結果：

（1）由于圍巖釋放的作用，地表監(jiān)測處的沉降隨著隧道掘進距離的減小逐漸增大;當隧道掘進達到監(jiān)測處后，繼續(xù)向前掘進時地表沉降值仍有所增大，但逐步趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）斷面A、B的地表沉降實測值與有限元計算值較為吻合，即數(shù)值模擬結果可靠合理。

（3）采取對盾構土壓平衡、盾構機掘進方位及速度、管片拼裝和同步注漿進行控制的方法可以有效減少盾構隧道引起的地表沉降。

參考文獻

[1]李小青，朱傳成.盾構隧道施工地表沉降數(shù)值分析研究[J].公路交通科技，2007，24（6）：86-91.

[2]王 榮.地鐵盾構隧道下穿高速鐵路引起路基變形數(shù)值分析[J].建材發(fā)展導向，2016，14（19）：199-200.

[3]張 慶.地鐵盾構隧道下穿高速鐵路引起路基變形數(shù)值分析[J].鐵道勘測與設計，2014（5）：18-22.

[4]金 明，司翔宇，楊 平.地鐵隧道盾構施工參數(shù)對地表沉降影響的試驗研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2009（5）：5，37-39.

[5]石杰紅，鐘茂華，何 理，等.雙線盾構地鐵隧道施工地表沉降數(shù)值分析[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2006，2（3）：51-54.

[6]洪 杰.盾構隧道施工引起的地表沉降及控制措施探析[J].冶金叢刊，2017（3）：70，76.

[7]馮國冠.基于某地鐵盾構隧道施工地表沉降的分析研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2010，6（4）：81-84.

[8]董廣輝.關于地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[J].建筑工程技術與設計，2018（20）：577.

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：文卓殷（1984—），工程師，主要從事公路工程監(jiān)理工作。