盾構(gòu)開挖對(duì)地表沉降的模擬分析

童雪雪，沈 曼，胡元超

（安徽新華學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院土木系，安徽合肥 230088）

0 引言

位于隧道四周的土體，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，使得地層產(chǎn)生損失，進(jìn)而使原狀土體受到擾動(dòng)，應(yīng)力得到釋放，進(jìn)一步引起地層的變形，導(dǎo)致地表發(fā)生不同程度的沉降.由于盾構(gòu)對(duì)原狀土體擾動(dòng)而產(chǎn)生的地層沉降按照區(qū)段劃分為五個(gè)部分：初始沉降階段、盾構(gòu)工作面前方的沉降、盾構(gòu)通過(guò)的沉降、盾尾空隙沉降及土體次固結(jié)沉降[1-2].土體的開挖使得土體中原有的應(yīng)力釋放，并發(fā)生重分布從而達(dá)到新的“平衡”，這個(gè)過(guò)程引起的即為初始沉降；而盾構(gòu)開挖面的反向作用土壓力過(guò)大而隆起或過(guò)小而沉陷，也就是我們看到的工作面前方的沉降；土層的擾動(dòng)使得盾構(gòu)與土體之間發(fā)生剪錯(cuò)，此時(shí)若出土量比較多，當(dāng)盾尾通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的沉降即為盾尾通過(guò)的沉降；盾尾間隙通常需要注漿時(shí)間來(lái)填補(bǔ)，如果注漿不及時(shí)或者注漿量不足或者壓力不合適也會(huì)引起沉降；土體次固結(jié)沉降則是由于土體后期蠕變引起的[3]，在盾構(gòu)推過(guò)以后，土體的壓縮變形并未停止，應(yīng)密切關(guān)注盾構(gòu)上方的土體沉降.也有學(xué)者指出隨道地層的初始應(yīng)力、開挖形成的空間效應(yīng)和開挖支護(hù)過(guò)程等都會(huì)對(duì)地層沉降和水平位移產(chǎn)生影響[4].

關(guān)于盾構(gòu)開挖對(duì)地表沉降的影響分析，孫會(huì)良[5]等人指出盾構(gòu)施工過(guò)程中誘發(fā)地表沉降變形的主要因素為地層條件和盾構(gòu)速率；次要影響因素為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、掌子面穩(wěn)定性及周邊環(huán)境影響；趙振偉、吳波[6]采用三維數(shù)值分析，總結(jié)出采用盾構(gòu)施工時(shí)，地層變形遵循的規(guī)律，同時(shí)對(duì)于注漿壓力對(duì)地表變形的影響給予一定的討論；魏綱[7]等人研究了盾構(gòu)隧道施工引起的地面變形計(jì)算方法，總結(jié)出在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，地面通常是先隆起、后沉降，地面是否隆起是由正面附加推力、摩擦力和土體損失這3 個(gè)因素共同決定的.在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，推進(jìn)速度和艙內(nèi)土壓都應(yīng)該嚴(yán)格進(jìn)行控制，通過(guò)保持艙內(nèi)外土壓的平衡可以有效地減小地表沉降數(shù)值[8].盾構(gòu)推進(jìn)不同階段時(shí)地面沉降的特征有所不同，基于此，王建秀[9]等人討論了盾構(gòu)法施工引起地面沉降機(jī)理，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析的地層損失率計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，探索地面沉降、地層損失率以及施工參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而采取適合的施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地面沉降量的合理控制.

上述研究大多采用數(shù)值分析模擬隧道開挖，并對(duì)地表沉降進(jìn)行分析研究.對(duì)于利用MIDAS/GTS 模擬在盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程中因土質(zhì)情況、土體相關(guān)參數(shù)以及每循環(huán)推進(jìn)進(jìn)尺的不同對(duì)地表沉降影響的數(shù)值模擬研究仍然不多.為此，本文通過(guò)利用MIDAS/GTS 對(duì)以上幾種因素在相應(yīng)變化量下進(jìn)行模擬分析研究，得出了不同變量下的地表豎向沉降規(guī)律.

1 模型的建立及土體參數(shù)的選取

采用三維模型模擬，并運(yùn)用MIDAS/GTS 數(shù)值模擬軟件模擬某地鐵區(qū)間段施工過(guò)程引起的地表沉降變化規(guī)律，采用控制變量法得出不同土質(zhì)、不同土體力學(xué)參數(shù)以及不同開挖進(jìn)尺情況下的地表沉降曲線形式與規(guī)律.

土體單元設(shè)定為3D，材料屬性設(shè)定為莫爾-庫(kù)倫，不勾選結(jié)構(gòu)，初始應(yīng)力參數(shù)K0測(cè)定值設(shè)為0.5；管片模型定義為3D 實(shí)體單元，模型類型設(shè)定為彈性，初始應(yīng)力參數(shù)K0測(cè)定值設(shè)置為1；注漿層模型類型設(shè)定為彈性，但應(yīng)勾選結(jié)構(gòu).掘進(jìn)模型如圖1 所示，其中土體模型長(zhǎng)100 m，寬30 m，高70 m，隧道埋深25 m，外徑D 為6.4 m.為開挖方便，每1.5 m 為一個(gè)開挖進(jìn)尺.

圖1 盾構(gòu)模型

2 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的模擬

MIDAS/GTS 軟件中以單元的“鈍化”和“激活”來(lái)模擬土體的開挖與襯砌的施作及注漿的過(guò)程.施工模擬過(guò)程中要注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié).

2.1 位移清零

在利用建模助手建立施工段時(shí)，在“激活”原有土體、邊界約束力以及自重的同時(shí)要將各單元節(jié)點(diǎn)初始應(yīng)力場(chǎng)清零以模擬初始應(yīng)力場(chǎng)的情況.

2.2 材料屬性的變化

本文在施工階段分析中，間隙土的特性會(huì)發(fā)生改變，由于后期注漿的過(guò)程，間隙土的特性由原來(lái)的土的屬性改為注漿體的屬性.

2.3 注漿過(guò)程模擬

考慮到對(duì)地層的變形影響，開挖后及時(shí)進(jìn)行注漿，但由于注漿有硬化的過(guò)程，因此在開挖第八步時(shí)，進(jìn)行了注漿層邊界組的激活.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地表沉降變化

地表沉降等值線圖如圖2 所示，盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束，由隧道正上方向隧道兩邊曲線的走向可以看出，地表的沉降值呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，開挖中線正上方，沉降量是最大的，這說(shuō)明隧道開挖對(duì)周圍的影響范圍是有限的，距離隧道軸線越遠(yuǎn)，所受到的影響就越小，整個(gè)等值線走向近似服從Gaussian 正態(tài)分布.

圖2 地表沉降等值線圖

3.2 不同土質(zhì)對(duì)地表沉降的數(shù)值模擬

本次模擬分別選擇了四種不同的土層進(jìn)行模擬，各參數(shù)見表1.根據(jù)不同土質(zhì)情況下得出的地表沉降值繪制圖3，由圖3 可以看出不同土質(zhì)情況下沉降槽曲線均近似符合概率論中Gaussian 正態(tài)分布，但相應(yīng)的沉降值不同.這主要是由于不同土的相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)不同所引起的，如土體的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、容重及泊松比.將圖3 中的四條曲線進(jìn)行比較，經(jīng)分析可以得出：隨著土體參數(shù)的增加，土體沉降的范圍逐漸減小，隧道開挖時(shí)，盾尾的空隙不會(huì)被立即被填滿，土體會(huì)在自重作用下向下產(chǎn)生變形進(jìn)而向著隧道底部位移，導(dǎo)致較大沉降發(fā)生；反之，當(dāng)土體相關(guān)參數(shù)較小時(shí)，土體由于開挖受到擾動(dòng)，應(yīng)力得以釋放而向著隧道中心移動(dòng)，部分土體無(wú)支撐作用，進(jìn)而向著初襯聚集，并填滿盾尾空隙，到達(dá)初襯后在襯砌支撐下土體沉降將會(huì)減小，但沉降范圍有所增加.[10]此外，從圖3中還可以看出，沉降曲線兩側(cè)出現(xiàn)輕微地隆起現(xiàn)象，這主要是由于盾構(gòu)開挖面的平衡壓力比開挖面前方的水土壓力要大，導(dǎo)致開挖面前面的土體由于擠壓作用背向盾構(gòu)移動(dòng)，最終導(dǎo)致前上方土體隆起.

表1 模型中的土體參數(shù)

圖3 不同土質(zhì)的地表沉降

3.3 不同開挖步驟地表沉降的變化

整個(gè)開挖模擬過(guò)程分為二十步，從中選取第三、九、十二、十八步的開挖地表沉降云圖，如圖4 所示.隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，整個(gè)沉降槽曲線均近似符合概率論中Gaussian 正態(tài)分布，地表沉降最大值越來(lái)越大；距離軸線越遠(yuǎn)，地表的沉降也越小.

圖4 不同開挖步驟地表沉降變化云圖

3.4 不同土體參數(shù)對(duì)地表沉降的影響

不同土層情況下對(duì)應(yīng)的地表沉降不同，這主要是由于不同土層的土體參數(shù)不同所導(dǎo)致的.下面采用控制變量法，土層定量參數(shù)選擇表1 中的土層三，依據(jù)變量泊松比、內(nèi)摩擦角、彈性模量以及粘聚力繪制沉降曲線如5—8 圖.

從圖5—8 中可看出，不同的力學(xué)參數(shù)下地表豎向沉降曲線在形態(tài)上基本相同，其沉降值隨著土體參數(shù)的增大逐漸減小，而沉降的影響范圍是有所增大的.從變化趨勢(shì)看，土體的彈性模量、粘聚力和泊松比的變化導(dǎo)致的地表最大沉降值變化較大，隨著土體的內(nèi)摩擦角變化，地表的沉降變化量相對(duì)不大.這主要是由于在隧道開挖過(guò)程中，土體較大的內(nèi)摩擦角容易形成拱效應(yīng)，抵消一部分沉降.

圖5 不同泊松比的地表沉降

圖6 不同內(nèi)摩擦角的地表沉降

圖7 不同彈性模量的地表沉降

圖8 不同粘聚力的地表沉降

4 結(jié)論

本文通過(guò)一系列的模擬結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）隧道開挖時(shí)，隧道中心線向兩端的地表沉降是逐漸減小的，開挖中心線最上方的地表沉降量是最大的，即沉降槽槽底，整個(gè)沉降槽曲線近似符合概率論中Gaussian 正態(tài)分布.

（2）開挖對(duì)地表沉降的影響范圍是有限的，本模型中，在距離中線48 m 左右的時(shí)候，沉降趨于穩(wěn)定.

（3）不同土體參數(shù)對(duì)地表沉降的影響不同，土體的彈性模量、粘聚力和泊松比的變化導(dǎo)致的地表最大沉降值變化較大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)土體的內(nèi)摩擦角發(fā)生變化時(shí)，地表的沉降變化略小.

模擬過(guò)程基本考慮了施工范圍段土質(zhì)參數(shù)，結(jié)論可靠，可利用上述結(jié)果指導(dǎo)該施工段施工中地表沉降的控制.