軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工穩(wěn)定性研究

李 平 ， 鹿慶蕊，李棟偉，高金賀，張敏思

(東華理工大學(xué),江西 南昌 330013 )

0 引言

21世紀以來，我國城市地鐵建設(shè)得到了迅速發(fā)展[1-2]。因其具有施工速度快、對周邊環(huán)境影響小等特點，盾構(gòu)掘進已然成為當前地鐵隧道施工的主流方法之一。然而地鐵周邊建筑物眾多，地下管線復(fù)雜，盾構(gòu)在軟土中施工難免會對土體造成擾動，帶來一定的安全隱患，因此如何減少盾構(gòu)施工對土體的擾動，已成目前研究重點[3]。

盾構(gòu)施工引起的土體擾動研究方法包括實測分析、經(jīng)驗公式、試驗研究、解析解和數(shù)值模擬。由于盾構(gòu)施工的復(fù)雜性，以及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來已有大量研究人員通過數(shù)值模擬來預(yù)測盾構(gòu)隧道的地基性狀、地表沉降和襯砌的荷載和變形等，并取得了很好的效果。如LEE[4-5]等，首次建立了盾構(gòu)隧道三維有限元模型，將其應(yīng)用于軟土地區(qū)的隧道施工。KPASPAR[6-7]等首次提出了一個面向全過程的三維有限元模型，成功建立了一套用于模擬軟土、飽和土中盾構(gòu)施工相互作用行為的數(shù)值研究系統(tǒng)。孫均[8]等以上海市軌道交通明珠線隧道盾構(gòu)施工為研究對象，利用有限元軟件分析得到隧道不同施工階段土層位移和地表沉降規(guī)律。王敏強[9]等對盾構(gòu)推進過程結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析，提出遷移法來模擬盾構(gòu)在軟件向前推進，以此研究推進過程地表變形和土體擾動規(guī)律。雷華陽[10]等通過對天津某地鐵軟土層進行數(shù)值模擬得出在一定范圍內(nèi)注漿壓力對地表沉降有顯著改善。張海波[11]等人在考慮多方面因素下對軟土層盾構(gòu)施工進行數(shù)值模擬，得出盾構(gòu)掘進過程中的地層擾動規(guī)律。王俊[12]等通過室內(nèi)模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬得到盾構(gòu)在上軟下硬土層中擾動規(guī)律。丁智[13]等應(yīng)用數(shù)值模擬軟件研究杭州某地鐵盾構(gòu)區(qū)間中不同施工參數(shù)對土體豎向變形的影響，得出土體變形與超孔壓分布規(guī)律。

支護力是盾構(gòu)施工中重要參數(shù)，然而以上研究中均未考慮到在飽和軟土地區(qū)施工時不同支護壓力對土體擾動影響；其次以上研究并未涉及到隧道-土-結(jié)構(gòu)相互作用情況。

紹興為典型的華東地質(zhì)軟土地區(qū)，土體性質(zhì)較差，地鐵施工對周圍土壤和結(jié)構(gòu)的擾動是施工中的一個主要問題，尤其盾構(gòu)側(cè)穿秋瑾紀念碑區(qū)間段。本文將依托紹興地鐵一號線工程，利用ABAQUS有限元軟件，研究不同施工參數(shù)下盾構(gòu)推進對土體和地表既有文物建筑的擾動影響，可為今后類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

本文以紹興地鐵1號線城市廣場至塔山站盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，工程概況如下：盾構(gòu)從塔山站出發(fā)后，沿解放北路敷設(shè)，穿過秋瑾紀念碑，最終到達城市廣場站(見圖1)。 其中左線盾構(gòu)區(qū)間起始點為K36+623.420，終點為K37+733.782，區(qū)間長度為1 110.547 m，采用土壓式平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間隧道上頂覆土厚度約9.38～16.603 m。區(qū)間主要控制因素主要為秋瑾紀念碑。

1.2 工程地質(zhì)條件

紹興處于平坦開闊的沖海積平原上，地勢低洼，湖泊眾多，其土質(zhì)為典型華東地質(zhì)軟土，土體自立性差，廣泛分布厚層狀軟土，其天然孔隙比大于或等于1，天然含水率大于等于液限，具有壓縮性高、強度低、靈敏度高、透水性低等特點(見表1)。區(qū)間土層主要為素填土層、淤泥質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層，如圖2所示。平均地下水位位于地表以下1.5 m。

1.3 盾構(gòu)機選型與管片結(jié)構(gòu)

本區(qū)間穿越地層以淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主，考慮施工難易與成本采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)，襯砌采用C50鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)徑為5.9 m，外徑為6.7 m，厚0.4 m，軸線環(huán)寬為1.2 m，抗?jié)B等級≥P10，即按不透水處理(見圖3)。

圖1 紹興地鐵一號線城市廣場站至塔山站工程概況Figure 1 Overview of Shaoxing metro line 1 project from city square station to Tashan Station

圖2 地質(zhì)土層示意圖Figure 2 Schematic diagram of geological soil layer

表1 各土層參數(shù)Table 1 Soil Parameters

1.4 秋瑾紀念碑

秋瑾紀念碑中心里程為K36+830，該處隧道埋深為15.8 m，距盾構(gòu)軸線為8.2 m，主要穿越土層為素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土(見圖4)。該紀念碑為本次模擬重點影響因素之一。

圖3 管片大樣圖Figure 3 Schematic diagram of the lining segment

圖4 秋瑾紀念碑示意圖Figure 4 Schematic diagram of Qiujin monument

1.5 監(jiān)測點布設(shè)

施工監(jiān)測點布設(shè)主要為洞內(nèi)拱頂、拱底和側(cè)邊收斂監(jiān)測；洞外主要為地表沉降監(jiān)測、測斜管水平位移監(jiān)測，以及孔壓監(jiān)測點，其布置圖見圖5。

2 紹興城市廣場至塔山站盾構(gòu)區(qū)間數(shù)值模擬

2.1 盾構(gòu)施工模擬方法

在地鐵隧道工程中，其開挖模擬實質(zhì)都是應(yīng)力釋放和支護的過程。由于目前有限元軟件很難完全模擬盾構(gòu)連續(xù)掘進，需做必要的簡化。通常都將其按非連續(xù)的過程來研究。假定盾構(gòu)一步推進距離為固定長度(一個管片寬度)，每推進一步改變周邊單元材料性質(zhì)來模擬盾構(gòu)推進。其次盾構(gòu)向前推進周圍土體的邊界條件也會有所變化，從而導(dǎo)致土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，有限元軟件將這種變化轉(zhuǎn)化為載荷作用于相應(yīng)節(jié)點進行計算。

圖5 隧道監(jiān)測點布置圖Figure 5 Layout of tunnel monitoring points

2.2 等代層模型

等代層模型示意圖見圖6。實際中直接模擬盾尾空隙、超挖間隙、注漿分布情況是非常困難的，通常將這些因素混合在一起，以均質(zhì)等厚的彈性材料代替即等代層模型[14]，其厚度按下式確定：

δ=Δ·η

其中,Δ為盾尾空隙;η為折減系數(shù)，η取值范圍為0.7～2.0，本次模擬盾尾空隙為10 cm，由于穿越土層為淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土，折減系數(shù)取1.5，即本次模擬等代層厚度取15 cm。

圖6 等代層模型示意圖Figure 6 Schematic diagram of equivalent layer model

2.3 邊界尺寸選定和有限元網(wǎng)格劃分

本次模擬采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS(ABAQUS，2016)進行了非線性三維孔隙流體擴散/應(yīng)力耦合分析?？紤]到邊界條件對隧道有限元建模結(jié)果影響，參考了SHIVAEI[15]等人采用的模型邊界尺寸。為簡化模型，本次只對地鐵左線進行建模， 并按軸對稱方式對模型進行處理。整個模型寬度為30 m，深度為60 m，長度為60 m，推進距離45 m。土層、襯砌、注漿代層采用可變形的連續(xù)介質(zhì)實體。其中等代層、襯砌、盾構(gòu)采用彈性材替代。土體采用C3D8P(三維八節(jié)點孔壓單元)， 注漿等代層與襯砌采用C3D8R(三維八節(jié)點減縮積分單元)。盾構(gòu)采用S4(四節(jié)點殼單元)。模型由29 110個三維八節(jié)點實體單元和1 722個四節(jié)點殼單元組成。圖7為最終三維有限元模型圖。

圖7 三維有限元模型Figure 7 Three dimensional finite element model

2.4 荷載和初始邊界條件

模型底部各方向的位移和旋轉(zhuǎn)都固定，其他面水平方向固定。對模型頂部施加了20 kPa均布力以模擬地表交通荷載。假定水位位于地表，將頂部初始孔隙水壓設(shè)為0，地表以外其他邊界均按不透水邊界處理(包括等代層、襯砌、盾構(gòu)單元)，地下水位以下的土層完全飽和，地下水位以上的所有節(jié)點孔壓都為0。

2.5 材料模擬

Mohr-Coulomb模型在巖土工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且模型參數(shù)易于獲取，準確性可靠，因此本次土體材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。為了便于計算，假定隧道襯砌、等代層一環(huán)為1.5 m，盾構(gòu)機為2環(huán)長度即3 m?？紤]到節(jié)段接縫對隧道襯砌的影響和注漿材料具有時效性，管片襯砌剛度折減0.15[16]，盾尾后兩環(huán)視為軟化階段，之后為硬化階段。通過對降低開挖土體彈性模量來模擬盾構(gòu)開挖土體時空效應(yīng)，其應(yīng)力釋放率參考HASANPOUR[17]等，材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameter

2.6 掌子面力及注漿壓力

目前紹興地鐵一號線城市廣場—塔山站還處于地鐵車站施工階段，缺少掌子面壓力與注漿壓力實測數(shù)據(jù)。本次模擬根據(jù)區(qū)間土體性質(zhì)，以隧道中線位置理論靜止土壓力280 kPa作為參考值?？紤]土體自重應(yīng)力等因素，盾構(gòu)的工作面壓力從拱頂至拱底呈梯形分布，變化梯度為17.2 kN/m2/m。填充環(huán)形間隙的注漿壓力仍參考靜止土壓力，作用于開挖土體內(nèi)表面和襯砌外表面，其變化梯度為15 kN/m2/m。假定注漿壓力在等代層硬化后被消除，即在安裝3個節(jié)段環(huán)之后，第一環(huán)灌漿壓力被消除，以此類推(見圖8)。在數(shù)值模型中，盾構(gòu)、等代層、襯砌與周圍土體的相互作用被定義為一個表面約束。為探討注漿力和掌子面力對地層擾動影響，以理論靜止土壓力為依據(jù)，通過不同支護比進行工況對比，其公式如下：

其中,PX為支護力或注漿力；λ為系數(shù)；P為理論靜止土壓力值。

2.7 隧道開挖工序

此次模擬隧道環(huán)寬為1.5 m，共計30環(huán)，總長45 m。根據(jù)實際盾構(gòu)開挖工序，有限元法的開挖程序如下:

第一步：地應(yīng)力初始化。該步利用ABAQUS的生死單元功能殺死土體外的所有單元，進行地應(yīng)力計算。

第二步：為減少邊界效應(yīng)對模型的影響，首先激活最初兩環(huán)盾構(gòu)(3 m)，利用ABAQUS的生死單元。功能殺死前兩環(huán)開挖土體，并固定掌子面位移，以此模擬盾構(gòu)始發(fā)進洞。

圖8 盾構(gòu)有限元模型掘進示意圖Figure 8 Schematic diagram of shield tunneling with finite element model

第三步：激活第三環(huán)盾構(gòu)，并殺死第一環(huán)盾構(gòu)以此模擬盾構(gòu)前進，并對掌子面施加壓力模擬土倉壓力。與此同時，第一片的襯砌和等代層激活，并對土體表面與襯砌外表面施加均勻分布壓力，以此模擬注漿壓力作用。該階段等代層處于軟化階段。

第四步：按第三步工序向前掘進兩環(huán)，此時移除第一環(huán)注漿壓力并硬化該環(huán)等代層。

第五步：按如上操作循環(huán)進行。

3 模擬結(jié)果

3.1 不同掌子面支護力對土體擾動影響

3.1.1洞周土體位移

模擬中注漿力統(tǒng)一為1P即280 kPa，通過改變支護比來研究對土體擾動影響。觀測點選取了模型21 m處(第14開挖面)的洞內(nèi)A、B、C這3點作為觀測對象，所得位移曲線如圖9所示。圖9(a)為拱頂沉降曲線圖，結(jié)果顯示支護力為0.4P情況下，A點豎向位移最大，最終沉降達到了26.9 mm，在支護力達到1P之后沉降量變化幅度不大。當支護力為1.4P時拱頂最終沉降為7.8 mm，沉降值降低了70%。而當支護力為1.6P時盾構(gòu)還未到達監(jiān)測斷面時，A點土體發(fā)生了向外側(cè)擠壓現(xiàn)象，這表明過大的支護力可能會造成土體的破壞。從圖9(a)中還能發(fā)現(xiàn)土體位移驟降并不是在盾構(gòu)到達時發(fā)生，而是在距監(jiān)測點一定范圍內(nèi)就開始發(fā)生，其范圍為0.5D至1.4D(D為盾構(gòu)直徑)，且支護力越大其范圍越??；洞內(nèi)軸線處B點水平位移如圖9(b)所示，在0.4P支護力下盾構(gòu)未通過B點時，B點水平位移朝洞內(nèi)達5.8 mm，這主要是因為開挖致使前方土體應(yīng)力釋放，支護力過小導(dǎo)致了B點向洞內(nèi)收斂。當支護力在1P～1.4P時，B點水平位移處于平衡狀態(tài)。但當支護力達到1.6P時，現(xiàn)象類似A點，土體處向外擠壓嚴重，由于B點位于淤泥質(zhì)黏土層，支護力過大會破壞土體原有性狀，造成隧道后期發(fā)生沉降。圖9(c)中仰拱處C點規(guī)律與A、B點大致相似，但土體卸荷反彈使得C點整體位移主要朝上，增大支護力后土體隆起量逐漸減小，基于電腦硬件限制本次共建立了30個開挖步，過短推進距離不足以使得B點趨于穩(wěn)定因此B點在模型運算完成后位移依然上拱。

(a) 拱頂位移

(b) 側(cè)邊收斂

(c) 拱底隆起

從A、B、C這3點模擬結(jié)果來看，一定范圍內(nèi)增大支護力大小可有效改善前方土體自穩(wěn)性。但支護力過大對隧道四周土體會造成破壞，這在施工中應(yīng)盡量避免。

3.1.2地表沉降

地表檢測點和地表沉降隨支護力變化曲線如圖10所示，由圖10可知支護力較小時(0.4P)，隧地表最大沉降達到13.3 mm，隨著支護力增大，地表沉降逐漸減小，支護力在1P～1.4P時地表沉降變化幅度很小，最大沉降量僅為2.8～3.1 mm，即支護力在此范圍內(nèi)對地表最大沉降影響不大。此外，從圖10可知當支護力超過1P時，遠離軸線地表有隆起現(xiàn)象，特別是支護力達到1.6P時，隆起明顯。這說明一定范圍內(nèi)增大支護力能有效改善土體地表沉降，但過大的支護力會造成地表土體隆起破壞，在施工中需要重點注意。

圖10 不同支護比地表沉降Figure 10 Surface settlement with different support ratios

3.1.3土體水平位移

根據(jù)現(xiàn)有研究，部分研究人員認為在盾構(gòu)掘進時土體水平位移通常是朝向隧道內(nèi)部[18]。也有研究人員認為朝向隧道外部[19]。一般情況下，隧道土體橫向水平位移主要是由隧道超挖和襯砌的橢圓化引起的，一方面因為擴挖間隙太大，導(dǎo)致盾構(gòu)通過時土體體積損失偏大，土體發(fā)生向內(nèi)位移。另一方面，當擴挖適當時襯砌的橢圓化將使周圍土壤的向外擠壓，從而土體朝向外部運動。圖11(a)顯示了不同支護力下盾構(gòu)掘進45 m后CX1的最終橫向位移，觀察曲線可知測斜管橫向位移主要是朝向外側(cè)，其沿不同深度的分布最大位移主要集中在埋深17.5 m處，支護力越小(0.4P)時水平位移越大(3.9 mm)，而支護力為1P、1.2P時，測斜管橫向位移基本不變。圖11(b)不同掘進階段下CX2的橫向位移，其中最大橫向位移處于隧道軸線處，始發(fā)進洞最小，注漿硬化后達到最大值2.3 mm，這表明周圍土體位移影響主要受盾構(gòu)推進擾動影響。所得曲線趨勢與LIU[19]等模擬相近。

(a) 不同支護力CX1橫向位移

(b) 不同階段CX2橫向位移

3.2 不同支護力下盾構(gòu)掘進對孔壓的影響

隧道開挖引起孔隙水壓的變化對土體擾動也會產(chǎn)生較大影響，由有效應(yīng)力原理可知，孔壓上升下降會導(dǎo)致有效應(yīng)力發(fā)生改變，孔壓下降會導(dǎo)致土體發(fā)生固結(jié)沉降。目前大多數(shù)研究人員對盾構(gòu)施工主要集中在土體位移，但對盾構(gòu)推進孔壓分布情況研究不足，本次基于不同支護比研究隧道開挖后孔壓分布情況?？讐罕O(jiān)測點位于第12開挖斷面即18 m處的KY4488、KY4091、KY1883這3個監(jiān)測點，結(jié)果如圖12所示。從圖12(a)和圖12(b)可知，盾構(gòu)推進孔壓主要呈下降狀態(tài)，但KY4488孔壓下降速度明顯大于KY4091，并且KY4488下降較為規(guī)律，而KY4091點波動非常大如圖12(b)所示，一方面由于KY4091所受支護壓力大于KY4488，其次盾構(gòu)自重對底部土體也會產(chǎn)生較大壓力，這些都能防止孔壓快速下降。而波動過大的原因在于有限元模擬盾構(gòu)掘進并不是一個連續(xù)過程，而是被離散化，每個開挖步存在加荷卸荷的循環(huán)過程，所以盾構(gòu)到達后，支護力使孔壓上升，而卸荷后孔壓回落，造成了這一波動現(xiàn)象，其中最大差值達到了65 kPa。此外從圖12還可發(fā)現(xiàn)支護力大小對孔壓的影響主要集中在盾構(gòu)未到達前，支護力越大，孔壓變化越小。KY1883孔壓主要為上升趨勢，如圖12(c)的孔壓曲線所示，這是因為土體向外側(cè)擠壓導(dǎo)致的結(jié)果。圖12中所有監(jiān)測點均在盾構(gòu)通過1.5D后孔壓逐漸平穩(wěn)，即土壤中超孔隙水壓已基本消散。

(a) KY4488

(b) KY4091

(c) KY1883

4 盾構(gòu)推進對秋瑾紀念碑擾動有限元分析

4.1 有限元模型

有限元建模過程在本文第2節(jié)模型基礎(chǔ)上，增加了既有建筑物秋瑾紀念碑，土材料參數(shù)如表1、表2所示。有限元開挖模擬同第2節(jié)，采用step-by-step開挖建模方法。土、隧道襯砌、盾構(gòu)機等代層所采用的單元類型與第2節(jié)有限元模型一致，碑體簡化為彈性材料，彈性模量E為15 000 MPa，泊松比μ為0.2，碑高7 m長3 m，距隧道軸線8.2 m，碑四周設(shè)置DB1、DB2、DB3、DB4共4個沉降觀測點，用以研究盾構(gòu)推進對該紀念碑的擾動情況。有限元模型如圖13所示。

(a) 模型示意圖

(b) 秋瑾紀念碑觀測點

4.2 盾構(gòu)推進過程秋瑾紀念碑沉降演變分析

圖14為有限元模擬紹興地鐵1號線盾構(gòu)側(cè)穿秋瑾紀念碑周邊豎向位移曲線。圖中沉降曲線表明，在0.4P支護力下，盾構(gòu)向前推進過程中靠近隧道一側(cè)監(jiān)測點DB3和DB4沉降最大，達到了13.3 mm，遠離側(cè)DB1和DB2也達到了10.9 mm，兩端基礎(chǔ)沉降差為2.4 mm，根據(jù)設(shè)計要求最大沉降應(yīng)小于10 mm，基礎(chǔ)沉降差≤5 mm，顯然0.4P下無法滿足規(guī)范要求，但增大支護力后觀測點沉降值逐漸降低，在0.6P、0.8P、1.0P支護力下最大沉降分別為7.8 mm[圖14(b)]、4.7 mm[圖14(c)]、3.3 mm[圖14(d)]。下降幅度很大，盡管本次模擬未考慮右線盾構(gòu)掘進對秋瑾紀念碑影響，但該支護力下的沉降量能滿足規(guī)范要求。此外支護力大小對觀測點沉降速率也有較大影響，0.4P支護力情況下秋瑾紀念碑沉降速率最大，1P下沉降速率最小，即支護力越大沉降量越小。觀測點在盾構(gòu)通過1.5D距離后停止沉降。根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，原因是盾構(gòu)通過后，管片和注漿層抑制了土體應(yīng)力繼續(xù)釋放。

(a) P1=0.4P(b) P1=0.6P

(c) P1=0.8P(d) P1=1.0P

5 結(jié)論

本文基于ABAQUS三維非線性流固耦合分析方法，采用兩種有限元模型研究開挖面支護力對土體和秋瑾紀念碑擾動影響，得出如下結(jié)論：

a.盾構(gòu)距監(jiān)測斷面越近，對土體擾動越大。增大掌子面支護力后能減少洞周土體收斂值和降低地表沉降。有利于土體自立性，但過大的推力改變了前方土體應(yīng)力狀態(tài)，使得周圍土體受到擠壓變形，因此實際施工中通過掘進試驗段確定最適支護力非常重要。

b.盾構(gòu)推進過程會改變孔壓分布，開挖土體使得周邊孔壓降低，距監(jiān)測斷面越近孔壓越低。盾構(gòu)推進過程中開挖面四周孔壓波動較大，在通過1.5D距離后，土體孔隙中的超孔壓逐漸消散，最后趨于穩(wěn)定。

c.對盾構(gòu)下穿既有建筑物時，可通過增大支護力來減小施工造成建筑物地基擾動影響。