龔秋明，牟善慶，姜厚停，路德春

(北京工業(yè)大學(xué)城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

土壓平衡盾構(gòu)開挖面壓力取值及對(duì)地表沉降的影響

龔秋明，牟善慶，姜厚停，路德春

(北京工業(yè)大學(xué)城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

土壓平衡盾構(gòu)廣泛應(yīng)用于地鐵隧道施工中，其施工過程產(chǎn)生的地表沉降及相關(guān)問題直接影響隧道施工安全。以成都地鐵3號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為例，應(yīng)用理論方法計(jì)算盾構(gòu)開挖面壓力取值范圍。結(jié)合工程地質(zhì)條件、施工參數(shù)、不同開挖面壓力和地層損失率，利用嵌入了土應(yīng)力路徑本構(gòu)模型的ABAQUS軟件進(jìn)行盾構(gòu)開挖三維模擬，得到了卵石地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律，并通過與現(xiàn)場(chǎng)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了此模型的合理性，確定了合理的開挖面壓力取值范圍。最后，進(jìn)一步分析了實(shí)際盾構(gòu)施工開挖面壓力值與地表沉降值之間的規(guī)律，評(píng)價(jià)施工時(shí)設(shè)定的開挖面壓力值的優(yōu)劣。

盾構(gòu)隧道；數(shù)值模擬；開挖面壓力；地層損失率；地表沉降

0 引言

修建地鐵的施工方法有盾構(gòu)法、明挖法及暗挖法等，而盾構(gòu)法因其施工速度快、施工造價(jià)低、勞動(dòng)強(qiáng)度小及對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于地鐵隧道的建設(shè)中。大量工程實(shí)踐表明，盡管盾構(gòu)施工技術(shù)日益成熟，但盾構(gòu)開挖過程不可避免地對(duì)周圍土體有一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化從而引起地表變形。盾構(gòu)施工過程中影響地表沉降的因素有很多，其中開挖面壓力與地層損失率是關(guān)鍵因素。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)隧道開挖面土壓力的計(jì)算理論中，傳統(tǒng)的朗肯土壓力理論計(jì)算了靜止土壓力、主動(dòng)土壓力及被動(dòng)土壓力，提出應(yīng)當(dāng)設(shè)置開挖面土壓力介于主動(dòng)土壓力及被動(dòng)土壓力之間。Krause[1]通過假定開挖面前方土體滑動(dòng)區(qū)域?yàn)榘雸A形、1/4圓形或三維球狀破壞面，分析作用于滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力，利用極限平衡分析確定開挖面的最小支護(hù)壓力。Monnet等[2]對(duì)砂礫地層條件應(yīng)用楔形體模型。Jancsecz等[3]假設(shè)地層均勻，楔形體上部土柱考慮松動(dòng)土壓力，分析了極限支護(hù)壓力。Anagnostou等[4]在均質(zhì)土體中，基于楔形體模型提出了考慮土壓平衡盾構(gòu)施工中地下水滲流的影響。Maidl等[5]為了避免三維模型相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算，分別提出了簡(jiǎn)化的二維類似于楔形體的計(jì)算模型，這種計(jì)算方法中假設(shè)滑動(dòng)面為對(duì)數(shù)螺旋曲線，對(duì)螺旋曲線的中心點(diǎn)列力矩平衡方程即可得支護(hù)壓力，取不同的參數(shù)可以求出不同的水平力，求得的最大值即為極限最小支護(hù)壓力。

土體損失率(η)主要與工程地質(zhì)水文地質(zhì)情況、隧道施工方法、施工技術(shù)水平以及工程管理經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)。Broms等[6]提出在砂性地層中，盾構(gòu)工法可以取得較小的地層損失率。Leblais等[7]研究了密實(shí)砂層中直徑為9.25 m，埋深在22～52 m的盾構(gòu)隧道，發(fā)現(xiàn)地層損失率僅為0.2%～0.9%。Ata[8]研究了中密砂層中埋深16 m，直徑9.48 m的泥水盾構(gòu)施工隧道，地層損失率為0.2%～1%。郭軍等[9]對(duì)北京某地鐵線路地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其隧道開挖直徑6 m，平均覆土厚度約為15 m。反分析得到土體損失率η的取值范圍為0.31%～1.26%。梁睿[10]結(jié)合北京地鐵4號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)施工隧道，盾構(gòu)直徑為6 m，隧道最大覆土厚度為16.4 m，穿越土層為粉質(zhì)黏土，統(tǒng)計(jì)分析了施工的地表沉降實(shí)測(cè)值，反分析得到土體損失率η為0.65%。衡朝陽等[11]和劉紀(jì)峰[12]分析地鐵10號(hào)線11標(biāo)段盾構(gòu)施工隧道，盾構(gòu)穿越地層為粉質(zhì)黏土、粉土，地鐵直徑為6.14 m，埋深為17.34 m，地層損失率為1.61%和1.21%。綜合上述相關(guān)工程概況可以發(fā)現(xiàn)，土壓平衡盾構(gòu)隧道直徑在6 m左右時(shí)，地層損失率基本范圍為0.3%～1.6%。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)隧道開挖引起的地表沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬，Lambrughi等[13]使用FLAC3D建立了土壓平衡盾構(gòu)施工開挖的三維模型，分析了開挖施工及土性參數(shù)對(duì)地表沉降的影響。Z.X.Zhang等[14]使用PFC2D建立隧道開挖模型，分析了隧道開挖面土壓力及隧道覆土厚度對(duì)地表沉降的影響，得出指定支撐壓力略大于場(chǎng)地初始水平應(yīng)力時(shí)，對(duì)于減少地表沉降和變形很有效的結(jié)論。Manuel等[15]利用PFC3D模擬盾構(gòu)開挖過程，研究了隧道開挖需要的推力及扭矩，分析了開挖面的土體穩(wěn)定性。Valizadeh Kivi A等[16]使用三維有限元數(shù)值模擬了地下車站開挖，分析了開挖及注漿對(duì)地表沉降的影響。魏康林[17]應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)隧道施工引起的地面沉降和土體移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)地層土壓力與設(shè)計(jì)土壓力進(jìn)行了比較分析，驗(yàn)證了其數(shù)值分析模型的合理性。季亞平[18]采用有限元模擬對(duì)盾構(gòu)施工過程中的地層位移和土壓力進(jìn)行研究，土層采用摩爾-庫倫模型，運(yùn)用“生死”單元來模擬盾構(gòu)開挖、盾尾注漿和襯砌管片支護(hù)過程。分析了土質(zhì)條件、注漿厚度、隧道埋深對(duì)地層位移的影響。張志強(qiáng)等[19]運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)深圳地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道進(jìn)行數(shù)值模擬研究,將盾構(gòu)施工過程分成4個(gè)施工步來模擬開挖，土體本構(gòu)模型只是簡(jiǎn)單地采用了線彈性模型，沒有考慮土的非線性和塑性變形影響。

本文以成都地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)隧道施工區(qū)間為例，計(jì)算開挖面土壓力理論值取值范圍。在ABAQUS有限元中嵌入土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型模擬隧道開挖過程，得出不同開挖面壓力與地層損失率情況下的地表沉降變化規(guī)律。分析實(shí)際盾構(gòu)施工時(shí)開挖面壓力值及地表沉降監(jiān)測(cè)值之間對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律，驗(yàn)證數(shù)值分析模型的合理性，確定了最優(yōu)的開挖面壓力值。并將現(xiàn)場(chǎng)的開挖面壓力值的變化與數(shù)值模擬確定的最優(yōu)開挖面壓力值進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)盾構(gòu)施工設(shè)定的開挖面壓力值的優(yōu)劣。

1 工程概況

成都地鐵地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間起始里程為YCK34+611.80，總長(zhǎng)度為741.1 m。盾構(gòu)區(qū)間影響范圍內(nèi)地表為主干街道、輔道及人行道，鐵路線及鳳凰渠。區(qū)間內(nèi)廣泛分布有地下管線。隧道沿線工程地質(zhì)條件如圖1所示。表層土為厚度不均的雜填土，以下為新近沉積的黏土、黏質(zhì)粉土、粉土和卵石，卵石地層中局部夾薄層砂土，其土體基本物理參數(shù)如表1所示。地下水穩(wěn)定水位埋深為9.80～10.10 m。隧道埋深約16 m，主要穿越卵石層，地下水埋深11.2～13 m，盾構(gòu)施工采用人工降水。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

本工程選用土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)由中鐵隧道裝備制造有限公司設(shè)計(jì)制造，如圖2所示，其詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of ground

圖2 土壓平衡盾構(gòu)

表2 盾構(gòu)主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)Table 2 Main technical specifications and parameters of EPB shield

2 開挖面壓力值的確定

2.1 理論方法計(jì)算結(jié)果

開挖面壓力取值是影響盾構(gòu)施工地表沉降的關(guān)鍵因素，取值過大會(huì)造成地表隆起；取值過小，易造成開挖面失穩(wěn)，從而導(dǎo)致過大的地表沉降甚至地層或表面塌陷。根據(jù)此工程的地質(zhì)條件，應(yīng)用朗肯土壓力理論、極限分析理論、楔形體理論、對(duì)數(shù)螺線理論計(jì)算了開挖面壓力值，結(jié)果如表3所示。

由于不同的理論方法有其各自的假設(shè)條件，得到的開挖面壓力值存在較大的差異。極限分析法理論基于不同滑動(dòng)面的假設(shè)來計(jì)算開挖面壓力，當(dāng)前方滑動(dòng)面為半球體時(shí)，計(jì)算結(jié)果偏?。粸?/4圓時(shí)，計(jì)算結(jié)果偏大；為半圓時(shí)，結(jié)果與朗肯土壓力理論計(jì)算所得的主動(dòng)土壓力值相近。楔形體理論與對(duì)數(shù)螺線理論建立的都是三維模型，得到的開挖面壓力均是保持開挖面穩(wěn)定的最小極限支護(hù)壓力，由于計(jì)算的滑動(dòng)面形狀不同，楔形體理論計(jì)算的結(jié)果比對(duì)數(shù)螺線理論計(jì)算的大很多，對(duì)數(shù)螺線理論的計(jì)算結(jié)果與朗肯土壓力理論計(jì)算所得的主動(dòng)土壓力值相近。對(duì)數(shù)螺線理論是在楔形體理論的基礎(chǔ)上改進(jìn)的結(jié)果，滑動(dòng)面的情況更符合開挖面前方土體的實(shí)際情況。根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果可知，實(shí)際施工時(shí)的開挖面壓力值應(yīng)選擇為70～180 kPa。

表3開挖面土壓力理論計(jì)算結(jié)果
Table 3 Theoretical calculation results of earth pressure on the tunnel face

土壓力理論開挖面壓力/kPa適用土層情況(S/M)理論為(2D/3D)靜止土壓力理論192S2D主動(dòng)土壓力理論78．5S2D極限分析法Krause理論半球體：43．6S3D半圓：76S2D1/4圓：131S2D楔形體理論157M3D對(duì)數(shù)螺線理論98．2M3D

注：S表示單層土，M表示多層土，2D表示二維，3D表示三維。

2.2 開挖面壓力取值及地表沉降數(shù)值模擬

2.2.1 計(jì)算模型及模型參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程參數(shù)，隧道埋深為16 m，隧道直徑為6.28 m，采用的模型尺寸為40 m×30 m×40 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型邊界條件為模型頂面為自由面，其余邊界面均施加法向約束。計(jì)算模型采用8節(jié)點(diǎn)單元(C3D8)為基本單元類型，共有5 420個(gè)單元，網(wǎng)格劃分時(shí)，隧道開挖處的單元尺寸最小，周圍網(wǎng)格尺寸逐漸變大如圖3所示。

圖3 隧道開挖幾何模型

土的力學(xué)特性非常復(fù)雜，不僅取決于自身材料的性質(zhì)，而且與外力作用密切相關(guān)，具有應(yīng)力路徑的相關(guān)性，當(dāng)應(yīng)力路徑充分接近時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線也就基本相同，本模型土體單元采用土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型，即將任意應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)化為與其充分接近并易于計(jì)算變形的應(yīng)力路徑，其模型為彈塑性增量模型[20]。

彈性應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系如下：

式中:δij為克羅內(nèi)克符號(hào)；μ為泊松比；E為楊氏彈性模量，其表達(dá)式為

式中:e0為初始孔隙比；κ為等向壓縮試驗(yàn)e-lnp平面內(nèi)回彈線的斜率。

塑性應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系為：

式中:λ為等向壓縮試驗(yàn)e-lnp平面內(nèi)壓縮線的斜率；Mf為應(yīng)力比q/p的峰值；M為相變應(yīng)力比；〈dp〉和〈dη〉為加載準(zhǔn)則。如圖4所示，其定義為

圖4 加載準(zhǔn)則

模型參數(shù)都具有明確的物理意義，可利用常規(guī)試驗(yàn)確定，也可由上述給出的土層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算獲得，根據(jù)各土層常規(guī)力學(xué)參數(shù)確定的本構(gòu)模型參數(shù)如表4所示。曹勝濤[21]通過編寫有限元材料子程序，將此本構(gòu)模型嵌入ABAQUS程序中。

表4 土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型參數(shù)Table 4 Parameters of soil stress path constitutive model

2.2.2 盾構(gòu)開挖過程模擬

盾構(gòu)施工階段主要包括以下主要環(huán)節(jié)：1)土體開挖和開挖面支護(hù)；2)盾構(gòu)推進(jìn)與管片拼裝；3)盾尾脫空和背后注漿。

根據(jù)隧道實(shí)際的開挖過程，數(shù)值模擬可通過4步實(shí)現(xiàn)：第1步，在開挖面設(shè)置均布的面荷載，模擬盾構(gòu)開挖過程中開挖面壓力對(duì)開挖面的作用情況；第2步，移除開挖面處相應(yīng)土體模擬盾構(gòu)開挖；第3步，去掉第1步施加的開挖面荷載，并在新的開挖面上施加相應(yīng)荷載；第4步，在開挖后洞室周圍施加位移控制模擬地層損失率，如圖5所示。數(shù)值模擬中施加在開挖面上的荷載為均布荷載，取隧道中心軸線處的土壓力作為均布荷載的壓力值。

圖5 數(shù)值模擬盾構(gòu)開挖過程示意圖

盾構(gòu)施工中，地層損失是造成地表變形的另一關(guān)鍵因素。刀盤切削輪廓斷面大于管片外輪廓斷面，隧道的擴(kuò)挖部分及管片與隧道之間的空隙均通過同步注漿來充填。這個(gè)過程中不可避免地會(huì)發(fā)生隧道收斂，周圍土體在彌補(bǔ)地層損失中發(fā)生地層移動(dòng)，向隧道中心移動(dòng)，如圖6所示。計(jì)算中管片和注漿簡(jiǎn)化為用控制洞室周邊位移來模擬，通過給出不同的地層損失率η來實(shí)現(xiàn)。按地層損失率的大小，把地層損失量均勻折合為管片外平均土層損失厚度來控制周邊洞室位移，如圖7所示。

圖6 土體位移示意圖

圖7 數(shù)值模擬中洞室周邊控制位移示意圖

地層損失量

Vs=Vo-V1。

式中：Vs為地層損失量；Vo為施工中實(shí)際開挖出土體體積；V1為理論上應(yīng)該開挖土體體積(即由收斂后斷面計(jì)算所得的體積)。

地層損失率

η=Vs/V1×100%。

數(shù)值模擬中所設(shè)定的控制位移如圖7所示。因?yàn)槔碚撻_挖土體體積已知，通過設(shè)定地層損失率，可知地層損失量，進(jìn)而可求出需要設(shè)定的控制位移值。

2.2.3 模擬工況及結(jié)果分析

本文將地層損失率與開挖面壓力作為影響地表沉降的2個(gè)主要因素，而不考慮其他因素的影響。其中，地層損失率受盾尾注漿量、盾構(gòu)的姿態(tài)和土艙壓力等因素的影響，但本文不分析各因素對(duì)地層損失率的影響，而是將地層損失率作為影響地表沉降的一個(gè)獨(dú)立的因素。為研究不同地層損失率和開挖面壓力對(duì)地表沉降的影響，模型選取了不同地層損失率η，分別為0.5%,0.7%,0.8%,0.9%,1.0%,1.2%，對(duì)應(yīng)不同的地層損失率，選擇不同的開挖面壓力值P，分別為60,80,100,120,140,160,200 kPa，共計(jì)42種不同的工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

本文選取P=100 kPa、η不同時(shí)的地表沉降曲線與η=0.9%、P不同時(shí)的地表沉降曲線2種情況進(jìn)行分析，其他工況的沉降變化規(guī)律相同，沉降變化值相近，不再贅述。從圖8可以看出，當(dāng)開挖面壓力為100 kPa時(shí)，隨著地層損失率的增加，土體的沉降逐漸增加，增長(zhǎng)的幅度基本相同，地層損失率每增加0.1%，對(duì)應(yīng)的隧道中心點(diǎn)地表沉降增加約1 mm。從圖9可以看出，當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.9%時(shí)，隨著開挖面壓力的增加，地表沉降值逐漸減小，沉降量減小的幅度越來越小。

圖8 P=100 kPa，η不同時(shí)地表沉降曲線Fig.8 Ground surface settlement under different η values when P=100 kPa

圖9 η=0.9%，P不同時(shí)地表沉降曲線Fig.9 Ground surface settlement under different P values when η=0.9%

2.2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

數(shù)值模擬的隧道區(qū)間段地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示，2個(gè)斷面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。數(shù)值模擬所得不同工況下的最大沉降值如表6所示。將此2個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬所得的沉降值進(jìn)行對(duì)比。

圖10 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表5 橫斷面監(jiān)測(cè)值Table 5 Monitoring data

表6不同工況的最大沉降值
Table 6 Maximum ground surface settlement values under different working conditions mm

P/kPaη/%0．50．70．80．91．01．260-8．13-10．12-11．45-12．98-14．21-15．8980-7．11-9．03-10．11-11．19-12．39-14．78100-6．03-7．95-8．97-10．04-11．45-13．64120-5．42-7．35-8．37-9．52-10．84-12．99140-5．03-7-8．04-9．16-10．42-12．74160-4．93-6．9-7．91-8．98-10．39-12．68200-4．8-6．75-7．64-8．63-10．34-12．45

表5顯示現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的最大地表沉降值為10 mm左右。從表6可以看出，當(dāng)數(shù)值模擬取(0.7%，60 kPa)、(0.8%，80 kPa)、(0.9%，100 kPa)、(0.9%，120 kPa)、(1%，140 kPa)、(1%，160 kPa)、(1%，200 kPa)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沉降值與監(jiān)測(cè)結(jié)果接近。當(dāng)開挖面壓力取60 kPa時(shí)，其值小于主動(dòng)土壓力，取200 kPa時(shí)，其值大于靜止土壓力，取150 kPa偏大，均不符合實(shí)際施工時(shí)的要求。比較可知，取100 kPa與120 kPa比較合適，此時(shí)對(duì)應(yīng)的地層損失率均為0.9%。從表6也可以看出，當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.9%時(shí)，不同的開挖面壓力情況下的地表沉降值范圍集中在10 mm左右。從而可看出在此地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工時(shí)產(chǎn)生的地層損失率為0.9%。在此地層損失率條件下，當(dāng)開挖面壓力為100 kPa時(shí)，模擬的與監(jiān)測(cè)的地表沉降值最符合，其地表沉降值的比較如圖11所示。模擬曲線為正態(tài)分布曲線，豎軸兩側(cè)沉降對(duì)稱，監(jiān)測(cè)沉降曲線大致在豎軸兩側(cè)對(duì)稱，近似為正態(tài)分布曲線。數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)的地表沉降情況基本一致。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值與數(shù)值模擬結(jié)果比較圖Fig.11 Comparison and contrast between settlement value measured and that obtained by numerical simulation

2.2.5 開挖面土壓力確定

由數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可知，此盾構(gòu)施工地層損失率取0.9%較為合適。當(dāng)?shù)貙訐p失率不變，不同開挖面壓力取值時(shí)的地表最大沉降值如圖12所示。可以看出，當(dāng)開挖面壓力在60～100 kPa時(shí)，隨著開挖面壓力逐漸增大，地表最大沉降值快速減小。其中，當(dāng)開挖面壓力從60 kPa增加到80 kPa時(shí)，地表沉降減小約2 mm；當(dāng)開挖面壓力從80 kPa增加到100 kPa時(shí)，地表沉降減小約1.2 mm，可見，在此范圍內(nèi)增大開挖面壓力對(duì)減小地表沉降有很明顯的效果。但當(dāng)開挖面壓力大于100 kPa時(shí)，隨著開挖面壓力的增加，地表沉降減小速度明顯減緩，當(dāng)開挖面壓力從100 kPa增加到120 kPa時(shí)，地表沉降值減小約0.6 mm。當(dāng)開挖面壓力為120～200 kPa時(shí)，開挖面壓力的增大對(duì)地表沉降變化的影響明顯減弱。

圖12 η=0.9%，P不同時(shí)地表最大沉降值Fig.12 Maximum ground surface settlement under different P value when η=0.9%

由上述分析可知，在本盾構(gòu)隧道施工過程中，當(dāng)開挖面壓力值設(shè)定在100 kPa左右時(shí)，能有效控制沉降，且此時(shí)設(shè)定的開挖面壓力也適中，在主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間，靠近主動(dòng)土壓力一側(cè)，不會(huì)產(chǎn)生過大的推力和扭矩，施工時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。

3 盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及對(duì)比分析

土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)設(shè)定的土艙壓力與開挖面壓力不同，一般情況下，土艙壓力更小，并且受到刀盤開口率的明顯影響。但本文忽略兩者差別，統(tǒng)一稱為開挖面壓力。

通過統(tǒng)計(jì)與數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的施工區(qū)間段的盾構(gòu)施工參數(shù)及地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，可知當(dāng)開挖至不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值如表7所示，得到各點(diǎn)開挖面壓力及對(duì)應(yīng)的地表最大沉降值之間的結(jié)果如圖13所示?？梢?，開挖面壓力與相關(guān)的地表沉降值之間有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，開挖面壓力越大，地表沉降值越??；相反，開挖面壓力越小，地表沉降值越大，這與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律相符合。

表7施工開挖面壓力值與相應(yīng)地表沉降監(jiān)測(cè)值
Table 7 Relationship between earth pressure on the tunnel face and corresponding ground surface settlement

縱斷面位置開挖面壓力/kPa地表沉降/mm縱斷面位置開挖面壓力/kPa地表沉降/mm1949．621193．49．6928810．161295．19．543909．731386．310．074105．19．3214989．565989．491596．39．71696．39．4616100．59．527100．59．411795．19．75897．19．751885．310．379100．19．3519102．39．521099．39．422093．410．03

圖13 開挖面壓力與地表沉降值關(guān)系圖Fig.13 Relationship between earth pressure on the tunnel face and corresponding ground surface settlement

從圖13可以看出，開挖面壓力值在80～100 kPa內(nèi)，相應(yīng)的地表沉降值在9.5～10.5 mm。由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)開挖面壓力設(shè)定在100 kPa左右時(shí)，開挖面壓力的變化對(duì)地表沉降的影響不大，又不會(huì)產(chǎn)生較大的推力和扭矩。對(duì)于此工程來說，實(shí)際施工時(shí)的開挖面壓力與數(shù)值模擬所得的結(jié)果是相符的，此時(shí)既能較好地控制沉降，又比較經(jīng)濟(jì)。所以，施工時(shí)設(shè)定的開挖面壓力合理。

4 結(jié)論與建議

本文首先應(yīng)用理論方法計(jì)算出了開挖面壓力的取值范圍，在此范圍內(nèi)選取了不同的開挖面壓力值進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性，得到了不同開挖面壓力與地層損失率下的地表沉降變化規(guī)律，確定了能有效控制沉降的開挖面壓力取值范圍。跟據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，反推了此工程施工條件下的地層損失率，分析盾構(gòu)施工中開挖面壓力及地表沉降值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此，開挖面壓力位于曲線的拐點(diǎn)附近更為經(jīng)濟(jì)合理。評(píng)價(jià)了施工時(shí)設(shè)定的開挖面壓力值的優(yōu)劣，以供類似地層盾構(gòu)施工參考。

本文雖然研究了開挖面壓力及地層損失率對(duì)沉降的影響，但是并沒有分析開挖面壓力與地層損失率之間的具體關(guān)系。數(shù)值模擬中，襯砌及注漿是通過施加地層損失實(shí)現(xiàn)的，但是地層損失的施加是完全憑借施工及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)選取的，期望在以后的工作中可以在數(shù)值模擬中建立相應(yīng)的襯砌及注漿單元，創(chuàng)建更加符合實(shí)際的模型。

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上海鋪設(shè)國(guó)內(nèi)最大口徑污水總管

2014年6月28日下午，目前國(guó)內(nèi)最大口徑(直徑達(dá)4 m)的一根污水總管進(jìn)入接收井。這標(biāo)志著上海城市規(guī)劃中布局的中心城區(qū)最新一根大型污水輸送干線——白龍港片區(qū)南線輸送干線工程的浦東段總管全線貫通，上海中心城區(qū)污水收集率將達(dá)85%。白龍港片區(qū)南線輸送干線工程明年將全面竣工。這將有效解決上海浦西地區(qū)污水過江輸送以及浦東地區(qū)污水輸送的瓶頸問題，上海污水治理系統(tǒng)的布局將得到進(jìn)一步完善。

(摘自 中新網(wǎng) http://www.chinanews.com/sh/2014/06-28/6329879.shtml)

StudyonRangeofPressureonTunnelFaceofEarthPressureBalancedShieldandItsInfluenceonGroundSurfaceSettlement

GONG Qiuming,MOU Shanqing,JIANG Houting,LU Dechun

(KeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineeringofMinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

EPB shield is widely used in the construction of Metro tunnels.Ground surface settlement induced by shield tunneling directly affects the safety of the tunnel construction.The authors use different theoretical methods to calculate the range of the pressure on the tunnel face in a shield-bored tunnel on Line 3 of Chengdu Metro.The shield boring process with different ground loss ratios and different pressures on the tunnel face is simulated by ABAQUS software embedded by constitutive model of soil stress path.The law of ground surface settlement induced by shield boring in gravel strata is obtained.The comparison and contrast between the ground surface settlement measured in the field and that obtained by means of theoretical calculations proves that the constitutive model adopted is rational.Proper range of the pressure on the tunnel face is determined.In addition,the relationship between the pressure on the tunnel face and the ground loss ratio is investigated and summarized so as to provide reference for similar projects in the future.

shield-bored tunnel;numerical simulation;pressure on tunnel face;ground loss ratio;ground surface settlement

2014-03-04;

2014-05-27

龔秋明(1969—)，男，湖南安化人，2005年畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)(NTU),巖土工程專業(yè)，博士，教授，主要從事隧道工程、巖體力學(xué)等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.001

U 456.3

A

1672-741X(2014)08-0707-08