天津?yàn)I海軟土場(chǎng)地地鐵盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬分析*

張 煜，王大永，張壯壯，李 晨，王星凡，張學(xué)杰，呂 楊

(1.中鐵一局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300250； 2.天津城建大學(xué)天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 引言

為緩解城市地面交通壓力、提高土地利用效率，我國各大城市正在大力建設(shè)城市軌道交通，尤其是地鐵軌道交通。由于城市區(qū)域建筑密集，地鐵隧道一般采用盾構(gòu)法施工，施工工序包括土體開挖、外層管片安裝拼接、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、管片外灌漿處理等。天津地區(qū)地質(zhì)條件較差，多屬于海積軟土，具有低承載力、高壓縮性、高地下水位、土性沿豎向變化大(地表以下30m深度范圍內(nèi)分布有填土、淤泥質(zhì)土、黏土和砂性土等)等特點(diǎn)。隧道埋置于土體內(nèi)部，盾構(gòu)施工過程會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起土體應(yīng)力重分布和孔隙水壓力變化，由于土體初始應(yīng)力平衡受到破壞，盾構(gòu)施工過程中土體會(huì)發(fā)生沉降，對(duì)上層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞。

盾構(gòu)隧道開挖引起地表沉降，其中影響最顯著的因素有隧道埋深、穿越土層性質(zhì)、注漿時(shí)間及襯砌拼裝等。為精確分析盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響，當(dāng)前主要的分析方法有解析法、經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬法及模型試驗(yàn)法等[1]。1969年，Peck[2]提出了地層損失概念，估算了隧道開挖引起的地表沉降。在Peck公式的基礎(chǔ)上，姜忻良等[3]通過回歸分析提出了不同深度土層沉降槽寬度系數(shù)計(jì)算公式。Verruijt[4-5]采用復(fù)變函數(shù)，假定隧道受到沿徑向均勻分布的位移和應(yīng)力，推導(dǎo)了隧道開挖復(fù)變函數(shù)解。在Park[6]提出4種隧道洞周徑向變形模式的基礎(chǔ)上，王立忠等[7]給出了隧道開挖的彈性解。Sagaseta[8]將鏡像法應(yīng)用于隧道開挖引起的地表沉降預(yù)測(cè)中，通過假定鏡像源將半無限體問題轉(zhuǎn)化為無限體中的應(yīng)力應(yīng)變問題。王忠昶等[9]采用Adina有限元軟件，系統(tǒng)分析了隧道開挖過程中，隧道周圍地層損失和圍巖應(yīng)力重分布對(duì)上部結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力的影響。闞呈等[10]和張姍磊[11]分別通過有限差分程序分析了隧道開挖對(duì)建筑物沉降和變形的影響規(guī)律。趙俊杰等[12]以蘭州地鐵2號(hào)線公交五公司出入線段地鐵施工為背景，考慮了注漿硬化過程及盾構(gòu)曲線穿越影響，建立了盾構(gòu)曲線穿越暗挖隧道三維數(shù)值模型，分析了暗挖隧道在未修建、已完工、半施工及已加固工況下盾構(gòu)施工引起的地層及襯砌結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律，并對(duì)在建暗挖隧道全斷面注漿加固方案進(jìn)行了驗(yàn)證。朱紅桃[13]通過數(shù)值模擬研究了新建隧道近距離平行施工對(duì)既有隧道的影響，對(duì)比分析了“先左孔后右孔”和“先右孔后左孔”施工工序下地層損失率、盾構(gòu)頂推力和注漿情況，結(jié)果表明“先左孔后右孔”施工工序更優(yōu)。曹志勇等[14]以常州市軌道交通2號(hào)線一期工程下穿京杭運(yùn)河段為工程背景，分析了下穿河流雙線盾構(gòu)隧道管片力學(xué)特性，研究了小半徑雙通道盾構(gòu)隧道管片內(nèi)力及變形特性和不同上部荷載及注漿壓力對(duì)管片內(nèi)力及變形的影響。

前述方法為地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)分析提供了有效途徑，但針對(duì)濱海飽和軟土開展的盾構(gòu)掘進(jìn)研究相對(duì)較少。為此，本文以天津地鐵4號(hào)線北段盾構(gòu)隧道工程為例，通過有限元數(shù)值分析，研究軟土場(chǎng)地地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，埋深、掌子面壓力、注漿層彈性模量、相同埋深下上覆土類型和超孔隙水壓對(duì)盾構(gòu)隧道沉降的影響。

1 工程概況

天津地鐵4號(hào)線北段土建1標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間全長1 869.918m，線路下穿多處建筑、津霸鐵路及多條市政管線，盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)地表變形的要求嚴(yán)格。

模擬區(qū)間材料主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，根據(jù)土層物理力學(xué)參數(shù)，將土層劃分為10層。地下水深度為2.4m，地下水水位以下土體按飽和土體計(jì)算，地下水水位以上土體按天然重度計(jì)算。按照規(guī)范要求，管片參數(shù)按15%折減，折減后彈性模量為28.8GPa?？紤]注漿層硬化過程，初始注漿層彈性模量取為4.8MPa，硬化后的彈性模量為初始值的2.25倍，取為10.8MPa，通過場(chǎng)變量進(jìn)行控制。

表1 材料主要物理力學(xué)參數(shù)

2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程主要分為工作面開挖、襯砌拼裝及盾尾空隙注漿等主要步驟，工作面開挖和襯砌拼裝交替進(jìn)行，直至整條隧道施工完成。通過對(duì)開挖面施加掌子面壓力，模擬盾構(gòu)機(jī)前方土體運(yùn)動(dòng)。盾尾空隙填充可通過改變注漿層參數(shù)實(shí)現(xiàn)。數(shù)值模擬分析過程中，襯砌安裝及注漿是保證盾構(gòu)施工模擬精度的關(guān)鍵。

假設(shè)土體為理想彈塑性體，不考慮管片襯砌和注漿層的塑性性能。首先進(jìn)行整體模型地應(yīng)力平衡，將模型施加重力荷載，同時(shí)鈍化襯砌、注漿層和盾構(gòu)機(jī)。將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始位移設(shè)置為接近于0，同時(shí)，為消除邊界約束的影響，計(jì)算時(shí)盾構(gòu)機(jī)并不是從端部開始掘進(jìn)的，而是從距端部一定距離的位置處開始掘進(jìn)的。分析步驟如下：①第1步 將盾構(gòu)機(jī)后部隧道內(nèi)土體鈍化，同時(shí)激活相應(yīng)位置的襯砌和注漿層，并激活掌子面壓力；②第2步 將盾構(gòu)機(jī)置于指定位置，激活相應(yīng)位置的盾構(gòu)機(jī)，同時(shí)鈍化相應(yīng)位置的土體，激活掌子面壓力，取消上一步的掌子面壓力；③第3步 鈍化第1塊開挖土體和第2步激活的盾構(gòu)，同時(shí)激活開挖土體位置的盾構(gòu)機(jī)和鈍化位置的襯砌、注漿層，激活下一步開挖面的掌子面壓力，鈍化上一步的掌子面壓力。在模擬計(jì)算中，忽略了土層、襯砌和盾構(gòu)機(jī)之間的摩擦力。

采用ABAQUS軟件建立計(jì)算模型，如圖1所示?？紤]地下水作用的土體單元采用C3D8RP單元模擬，襯砌和注漿層采用C3D8R單元模擬，盾構(gòu)機(jī)采用S4R單元模擬。主要研究隧道開挖土體卸載過程，土體采用Mohr-Coulomp本構(gòu)模型模擬。

模型四周及底面施加切向約束，頂面為自由邊界，地下水水位處施加零孔壓邊界條件，其余面施加不透水邊界條件，開挖面由于穿越黏土層，施加不透水邊界條件。隧道開挖時(shí)，地層擾動(dòng)影響范圍為距隧道橫斷面和縱斷面中心點(diǎn)3～5倍盾構(gòu)隧道直徑，所以有限元模型長、寬、高分別取為80，30，32m。

對(duì)埋深、掌子面壓力、注漿層彈性模量及圍巖孔隙水壓的影響進(jìn)行分析，隧道埋深包括2.0，2.5，3.0，3.5倍盾構(gòu)隧道直徑，掌子面壓力包括0.25，0.30，0.35MPa，注漿層硬化前、后的彈性模量分別為4.8，8.0MPa和10.8，18.0MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

選取實(shí)測(cè)津灞鐵路斷面與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2，3所示。由圖2，3可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模型的正確性。

3.2 地表縱向沉降

隧道開挖過程中，距起始開挖面12m位置處的地表縱向沉降較大，對(duì)應(yīng)的沉降曲線如圖4所示。由圖4可知，在開挖過程中，由于掌子面壓力的作用，開挖面前方土體發(fā)生隆起，在土體應(yīng)力釋放及盾尾間隙的影響下，開挖面后方土體發(fā)生沉降。在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，地表最大沉降發(fā)生在距起始開挖面約15m位置處，約為3.2mm；地表最大隆起發(fā)生在距起始開挖面約70m位置處，約為0.5mm。

3.3 隧道埋深對(duì)地表沉降的影響

為研究隧道埋深對(duì)地表沉降的影響，選取盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)50m時(shí)的地表沉降進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5，6所示。由圖5，6可知，隨著隧道埋深的增加，地表沉降逐漸減小，沉降槽寬度逐漸增大，地層擾動(dòng)的范圍逐漸增大。這是因?yàn)殡S著隧道埋深的增加，土體會(huì)形成拱頂效應(yīng)，抑制土體沉降。當(dāng)隧道埋深為2.0D(D為盾構(gòu)隧道直徑)時(shí)，上方土體沿隧道中線向兩側(cè)出現(xiàn)了較大的隆起。當(dāng)距隧道中心線的距離>2.5D時(shí)，地表沉降槽開始逐漸平緩，在此范圍外，盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響較小。由圖6可知，隧道埋深為2.0D，2.5D，3.0D，3.5D對(duì)應(yīng)的地表最大沉降分別為4.3，3.8，2.3，1mm。

不同隧道埋深下地表沉降規(guī)律均與Peck公式計(jì)算得到的曲線規(guī)律相似，沉降槽寬度i計(jì)算公式為：

(1)

式中：Z為隧道埋深，即隧道中心至地表的距離；φ為各層土取加權(quán)平均后的內(nèi)摩擦角，本工程φ=21.8°。

由式(1)可知，沉降槽寬度與隧道埋深成正比，這主要是因?yàn)樗淼缆裆顣?huì)影響隧道開挖土體擾動(dòng)區(qū)域，埋深越大，受影響的土體范圍越大(見圖5)。當(dāng)隧道埋深為2.0D時(shí)，由圖6可知，地表在隧道兩側(cè)產(chǎn)生明顯的向上隆起現(xiàn)象，這是因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)掌子面壓力選取過大，相對(duì)于隧道周邊土體，隧道襯砌產(chǎn)生的法向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向拉壓應(yīng)力，隨著隧道的開挖，土體將壓力直接作用于襯砌上，使襯砌形狀變?yōu)殚L軸在水平方向的橢圓形，襯砌在水平方向上產(chǎn)生了向外推擠的力和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在垂直于水平方向上產(chǎn)生了向下的力和位移，最終導(dǎo)致隧道中線兩側(cè)出現(xiàn)了較大的隆起現(xiàn)象。

3.4 掌子面壓力對(duì)地表沉降的影響

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，通過調(diào)節(jié)不同掌子面壓力維持開挖面穩(wěn)定。選取掌子面壓力分別為0.30，0.35，0.40MPa進(jìn)行有限元模擬分析，隧道埋深為3.0D、注漿層彈性模量為4.8MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖7，8所示。

由圖7可知，隨著距起始開挖面距離的增加，地表縱向沉降逐漸減小。這是因?yàn)檎谱用鎵毫Υ笥谕翂毫υ斐赏馏w嚴(yán)重破壞，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，掌子面壓力對(duì)前方土體產(chǎn)生明顯的推力，使拱頂上方土體向上隆起，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿過時(shí)，原有掌子面壓力產(chǎn)生的隆起與土體沉降部分抵消。因此，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中應(yīng)選擇合適的掌子面壓力，避免因掌子面壓力過大或過小引起地表不合理沉降。

由圖8可知，3種掌子面壓力對(duì)地表橫向沉降的影響范圍均為距隧道中心線20m的范圍內(nèi)，超過該范圍后地表沉降趨于穩(wěn)定；掌子面壓力為0.30，0.35，0.40MPa時(shí)的地表最大沉降分別為4.1，3.7，3.5mm，可知隨著掌子面壓力的增大，地表最大沉降減小，這是因?yàn)檎谱用鎵毫σ鹕戏酵馏w隆起，抵消了部分沉降，掌子面壓力過大會(huì)引起上方土體隆起過大。

3.5 注漿層彈性模量對(duì)地表沉降的影響

為研究注漿層彈性模量對(duì)地表沉降的影響，選取隧道埋深為3.0D、掌子面壓力為0.35MPa、注漿層彈性模量分別為4.8，8.0MPa的工況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，當(dāng)注漿層彈性模量為4.8MPa時(shí)，拱頂?shù)乇碜畲蟪两导s為3.8mm；當(dāng)注漿層彈性模量為8.0MPa時(shí)，拱頂?shù)乇碜畲蟪两导s為2mm；注漿層彈性模量越大，地表沉降越小。為防止地表沉降過大，需有效控制注漿層彈性模量。與此同時(shí)，同步注漿、二次注漿和后墻注漿會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生較大影響。

3.6 襯砌圍巖周邊節(jié)點(diǎn)沉降

隧道開挖過程中，距起始開挖面50m位置處襯砌圍巖周邊節(jié)點(diǎn)(沿隧道長度方向中部襯砌拱頂、拱腰及拱底節(jié)點(diǎn))沉降曲線如圖10所示。

由圖10可知，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)40m前，拱頂、拱腰及拱底幾乎無沉降；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)40m后，隨著掘進(jìn)距離的增加，拱頂沉降和拱底隆起逐漸增大，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)開挖面時(shí)拱頂沉降和拱底隆起達(dá)最大，隨著盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離，拱頂沉降和拱底隆起逐漸減小并趨于穩(wěn)定；拱腰沉降變化幅度較小，最大隆起約為2mm。拱底出現(xiàn)隆起的原因是上方土體開挖后，土體應(yīng)力得到釋放，向上隆起。

3.7 土體超孔隙水壓

隧道開挖將引起超孔隙水壓變化，關(guān)鍵位置超孔隙水壓如圖11所示。

由圖11可知，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至開挖面(開挖時(shí)間為0～55h)，超孔隙水壓逐漸增至最大值；隨著盾構(gòu)機(jī)的繼續(xù)掘進(jìn)，拱腰、拱底超孔隙水壓先減小后增大并趨于穩(wěn)定，拱頂超孔隙水壓先增大后減小并趨于穩(wěn)定；拱頂、拱腰、拱底位置處超孔隙水壓最大值分別約為1.6，1.2，0.8kPa。

4 結(jié)語

本文通過有限元軟件ABAQUS對(duì)天津?yàn)I海軟土場(chǎng)地地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了隧道埋深、掌子面壓力、注漿層彈性模量對(duì)地表沉降的影響，并分析了襯砌圍巖周邊節(jié)點(diǎn)沉降、土體超孔隙水壓變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

1)隧道施工過程中，開挖面前方土體在掌子面壓力作用下發(fā)生隆起，最大隆起約0.5mm；盾構(gòu)開挖造成土體應(yīng)力釋放，隧道上方及開挖面后方土體發(fā)生沉降，最大沉降約3.2mm。

2)隧道施工過程中，隨著隧道埋深的增大，拱頂?shù)乇沓两抵饾u減小。這是由于隨著隧道埋深的增大，盾構(gòu)機(jī)距地表的距離越大，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對(duì)上層土體的擾動(dòng)越小，地表沉降越小。

3)當(dāng)掌子面壓力為0.30，0.35，0.40MPa時(shí)，隨著距起始開挖面距離的增加，地表縱向沉降逐漸減?。?種掌子面壓力對(duì)地表橫向沉降的影響范圍均為距隧道中心線20m的范圍內(nèi)，超過該范圍后地表沉降趨于穩(wěn)定；隨著掌子面壓力的增大，地表最大沉降減小。

4)隨著注漿層彈性模量的增大，地表沉降逐漸減小。為防止地表過度沉降，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制注漿層彈性模量，并做好同步注漿、二次注漿及后墻注漿工作。

5)隧道開挖過程中，以拱腰為界，拱腰上方土體發(fā)生沉降，下方土體發(fā)生隆起。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)40m前，拱頂、拱腰及拱底幾乎無沉降；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)40m后，隨著掘進(jìn)距離的增加，拱頂沉降和拱底隆起逐漸增大，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)開挖面時(shí)拱頂沉降和拱底隆起達(dá)最大，隨著盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離，拱頂沉降和拱底隆起逐漸減小并趨于穩(wěn)定；拱腰沉降變化幅度較小，最大隆起約為2mm。

6)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)會(huì)引起土體超孔隙水壓變化，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至開挖面，超孔隙水壓逐漸增至最大值；隨著盾構(gòu)機(jī)的繼續(xù)掘進(jìn)，拱腰、拱底超孔隙水壓先減小后增大并趨于穩(wěn)定，拱頂超孔隙水壓先增大后減小并趨于穩(wěn)定。