肖明清龔彥峰周坤劉新根

基于地層損失的復合地層盾構隧道施工沉降研究

肖明清1，2龔彥峰1，2周坤1劉新根3

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢；2.水下隧道技術湖北省工程實驗室，430063，武漢；3.上海同巖土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，教授級高級工程師）

盾構隧道施工誘發(fā)地面沉降的影響因素較多，但主要因素可歸結為地層損失引起的地層變形?；诂F(xiàn)有地層損失的理論，對引起地層損失的注漿過程進行模擬，依此研究復合地層盾構隧道施工對地層沉降的影響。研究結果表明：隧道貫通時，土體最大沉降和隆起區(qū)域分別位于隧道拱頂和拱底；漿液的硬化會對地表和拱頂?shù)某两邓俾十a生影響，當漿液彈性模量達到最終硬化的75%時，地表和拱頂?shù)某两邓俾蔬_到最大值并開始逐步減??；地表和拱頂沉降隨漿液的逐步硬化而趨于穩(wěn)定，且拱頂沉降趨于穩(wěn)定的速率更快。

盾構隧道施工；復合地層；地層損失；沉降預測

First-author′s addressChina Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

盾構法隧道施工引起地層沉降的預測與控制問題比較復雜，一些與施工參數(shù)相關的因素（如開挖面土體流失等）難以精確確定，在一般情況下也難以實現(xiàn)施工參數(shù)的精細控制。數(shù)值模擬方法能夠考慮各土層物理力學性質的差異、開挖順序、邊界條件等因素，一定程度上能夠反映隧道開挖的各因素對周圍環(huán)境的影響，因而國內外對盾構隧道的數(shù)值模擬已越來越重視。

一般認為，盾構法隧道施工中引起地面沉降的主要因素可歸結為地層損失引起的地層移動［1-2］，但以往的數(shù)值模擬在地層損失處理方面多將復雜問題簡單化，采用簡單的模型處理沉降問題［3-6］，這對地層沉降預測的精確性產生了很大影響。依據(jù)現(xiàn)有的文獻及監(jiān)測數(shù)據(jù)［7］，注漿及漿液硬化過程對地層及隧道拱頂沉降有較大影響，在拱頂下沉階段，硬化作用占拱頂最大沉降20%左右。

本文應用基于地層損失理論的有限元方法，綜合考慮引起地層損失的各個施工環(huán)節(jié)，對注漿液進行精細化模擬，依此研究復合地層中盾構法隧道施工引起的地表沉降規(guī)律。

1 盾構掘進引起地層損失的機理

由盾構施工引起的地層損失和經擾動后的土顆粒再固結是形成地層沉降的主要因素［8］。根據(jù)盾構開挖工序，可將盾構掘進引發(fā)的地層沉降分為3個階段。

第一階段沉降發(fā)生在開挖面前，盾構主要控制參數(shù)為排土量、盾構掘進速度以及正面土艙壓力［8］。土艙壓力應與開挖面上的土壓力保持平衡，以防止前方土體產生沉降。

第二階段沉降發(fā)生于開挖面至盾尾部分，盾構掘進方向的改變、盾尾糾偏、仰頭推進、曲線推進都會使隧道與盾構機之間出現(xiàn)超挖間隙［9］。

第三階段出現(xiàn)在盾構尾部及其后部，盾構鋼殼厚度加上鋼殼內徑與管片外徑之間的空隙構成建筑空隙［10］。盾尾注漿能夠填充建筑空隙，減少地層沉降，其主要控制參數(shù)為注漿量、注漿壓力以及注漿的及時性。

2 地層損失模擬

盾構掘進具有明顯的三維特征，推進各階段產生的地層損失具有明顯的各自特點，需從地層損失產生的源頭分別加以考慮［8］。

2.1 開挖面地層損失

盾構開挖面的穩(wěn)定是盾構掘進速度、正面艙壓、出土量等參數(shù)共同作用的結果，并且各施工參數(shù)相互聯(lián)系。出土率小于1，意味著艙壓大于刀盤處正面土壓，因此可通過出土率推算盾構開挖面處的負地層損失。但是由于具體選取的依據(jù)不是很充分，以及進、出土之間平衡的復雜性，可通過正面艙壓的模擬來體現(xiàn)此處產生的地層損失。

2.2 同步注漿時段地層損失

盾構開挖的同時，盾尾進行同步注漿，通過一定的壓力將漿液壓入盾尾空隙，以阻止由于盾殼脫開后空隙造成的地層損失。由于壓入的漿體仍處于流動狀態(tài)，有效剛度很低。注漿壓力在此時便起到比較重要的作用，給周圍土層以向上的支撐以阻止土層下移。

盾尾同步注漿能夠及時填充盾尾空隙，從而有效減小地層損失。但是，直接模擬這一注漿過程是非常困難的，特別是盾尾空隙、隧道壁面土體的擾動和注漿層的處理。為此，將一些與施工密切相關但又不易量化的變量（如盾尾空隙的大小、注漿充填程度、隧道壁面土體受擾動的程度和范圍等）概化為均質、等厚的等代層（如圖1所示），這樣能較客觀地反映這些不易量化因素對地表位移的綜合影響，避免研究過程中的顧此失彼，以達到既能反映工程的實際情況，又能簡化計算模型的目的。等代層厚度δ可取為：

式中：

Δ——盾尾空隙的理論值（盾構外徑與襯砌外徑差值的一半）；

η——折減系數(shù)，取值范圍為0.7～1.5。

2.3 注漿后地層損失

盾尾空隙的漿體注入時處于液體狀態(tài)，隨著時間的推移，漿體會凝固硬化，同時其彈性模量也會增加，從而對周圍土層的變形產生影響。

圖1 盾尾空隙等代層示意圖

漿液硬化是一個連續(xù)的過程，而盾構模擬開挖則是一步一步跳躍式向前推進。為模擬注漿材料不同階段的力學性質，可參考注漿材料在不同凝固階段無側限抗壓強度試驗［12］，得到注漿材料的彈性模量隨齡期的變化曲線（如圖2所示）。對于盾尾同步注漿材料的模擬，根據(jù)其實際的凝固過程，可取注漿硬化0、1、2、7、28 d的物理力學參數(shù)，采用剛度遷移法來模擬不同施工步驟時的漿液硬化過程。

圖2 漿液彈性模量隨齡期變化曲線

整個盾構掘進期間，不考慮因孔隙水壓力消散以及后期的土骨架蠕變造成的地層二次沉降。

3 復合地層的盾構施工特點

復合地層是指開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上由兩種或兩種以上不同地層的組成體，且這些地層的巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊［13］。

復合地層盾構施工的主要特點為：①經常變換盾構施工模式；②盾構機的配置需要隨地層變化做出適當?shù)恼{整；③采用的施工工藝和施工參數(shù)也要根據(jù)地層的變化而改變；④某些特殊的復合地層，可能需要采取一些輔助工法［14］。

4 盾構掘進有限元分析

利用同濟曙光三維有限元軟件，采用基于地層損失理論的盾構掘進有限元模擬方法，綜合考慮引起地層損失的盾構施工因素，分析上軟下硬復合地層中盾構掘進對地層沉降的影響規(guī)律。

4.1 工程案例概況

珠機城際軌道交通橫琴隧道十字門站—金融島站區(qū)間的起訖里程為DK7+160—DK9+470，全長2.31 km。區(qū)間隧道穿越的大多為上軟下硬的復合地層，開挖隧道采用土壓力平衡盾構法，盾構機外殼厚5 cm，從刀盤到盾尾的總長8 m。襯砌采用C50、P12高精度鋼筋混凝土管片，管片外徑8.5 m、內徑7.7 m、厚0.4 m、環(huán)寬1.6 m。各土層和支護體的物理力學參如表1所示。

表1 土層及支護體材料物理力學參數(shù)

4.2 計算模型

為消除邊界影響，在隧道兩側及下方各取距隧道邊緣3D區(qū)域（D為隧道直徑）、沿隧道縱向取50環(huán)管片長度為計算域，其幾何尺寸為橫向59.5 m，豎向52.28 m，沿隧道軸向長80 m，隧道中心埋深22.5 m。模型網(wǎng)格如圖3所示，共有317 733個單元和49 855個節(jié)點。

圖3 盾構隧道有限元模型

4.3 盾構掘進模擬

4.3.1 土層及支護結構模擬

各土層采用Mohr-Coulomb本構模型，模擬采用實體單元。將管片和盾構機外殼視為彈性材料，采用三維板殼單元模擬。

隧道穿越上軟下硬的復合地層，可取折減系數(shù)為1.25，由式（1）可得等代層的厚度為0.2 m。等代層采用三維實體單元模擬。

4.3.2 漿液硬化過程模擬

襯砌脫出盾尾后，采用單漿液進行壁后同步注漿，注漿壓力取為0.3 MPa的均布壓力。各階段漿液的物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 不同硬化時間的漿液物理力學參數(shù)

依照上述方法，對掘進過程中不同硬化時間的漿體進行模擬。

盾構每掘進1.6 m（一環(huán)管片寬度）為一個施工步，通過50個施工步來完成一個開挖模擬（即線路縱向長80 m）。一個完整的開挖模擬流程為：①使用殺死單元的命令挖出隧道、管片襯砌和注漿部位的土體；②在隧道前方開挖面上施加均布土艙壓力0.236 MPa；③將盾殼所在土體的材料屬性轉換為盾殼；④在盾尾回填管片單元和等代層單元，將等代層單元的材料設為0 d漿液，同時在盾尾管片外施加徑向均布注漿壓力0.3 MPa；⑤將盾尾后8、9、11和18號管片外的等代層材料屬性改為其對應齡期的注漿材料。一個開挖循環(huán)示意如圖4所示。

圖4 盾構掘進過程示意圖

4.4 有限元結果分析

4.4.1 地表沉降云圖

隧道完全貫通時，地表的沉降云圖和初始開挖面的沉降云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 隧道貫通時地表沉降云圖

圖6 隧道貫通時初始開挖面沉降云圖

由圖5和圖6可以看出，盾構施工過程中隧道周圍土體位移具有明顯的三維特征，表現(xiàn)為拱頂上方下沉，拱底以下隆起。最大沉降區(qū)域位于拱頂，其值為15.2 mm；最大隆起區(qū)域位于拱底，其值為6.0 mm。

4.4.2 縱向地表及拱頂沉降

在隧道中軸線上方的地表和拱頂分別取9個特征點，各點沿縱向均勻分布（間距均為10 m），如圖7所示。圖7中的圓點表示特征點，其上方數(shù)字表示特征點編號。地表縱向特征點的沉降隨推進距離的變化曲線如圖8所示。盾構掘進時，隧道軸線正上方地表沉降的沉降速率變化曲線如圖9所示。拱頂特征點的沉降隨推進距離的變化曲線如圖10所示。

由圖8可知，在開挖面前方地表有非常微小的隆起，這是由于當盾構機向前推進時，刀盤擠壓開挖面，使得前方土體隆起。當開挖面到達特征點正下方時，地表開始沉降，隨著盾構機向前推進，沉降繼續(xù)增大。當開挖面通過特征點30 m（盾構通過特征點約19 d）時，沉降值達到5.3 mm，且基本不再增大，這是由于等代層所模擬的漿體逐步硬化到一定程度，能夠支撐上層土體。

圖7 地表縱向特征點位置示意圖

圖8 地表特征點沉降隨盾構掘進的變化

圖9 地表特征點沉降速率隨盾構掘進的變化

由圖9可知，隨著盾構掘進，地表特征點沉降速率逐漸增大。當開挖面穿過特征點10 m（盾構通過特征點約7 d）時，沉降速率達到最大值，隨后逐漸減小。由于漿液硬化7 d后彈性模量可以達到最終硬化時的75%，此時的漿液可以支撐周圍土體，因而地表沉降速率開始逐步減小。

由圖10和圖11可知，隨著盾構掘進，拱頂處先有一定隆起，然后開始沉降并逐步增大，最后趨于穩(wěn)定。當開挖面穿過拱頂特征點20 m時，沉降達到13.4 mm，且基本不再增大。拱頂特征點的沉降速率隨著盾構掘進距離不斷增大，當開挖面穿過特征點10 m（盾構通過特征點約7 d時），沉降速率達到最大（2.25 mm/d），隨后逐漸減小。

分別對比圖8和圖10、圖9和圖11可看出，盾構掘進對拱頂沉降的影響比對地表沉降的影響更顯著。在相同推進距離下，拱頂沉降更大，且其沉降到達最大值的速率更快。

圖10 拱頂特征點沉降隨盾構推進的變化

圖11 拱頂特征點沉降速率隨盾構推進的變化

4.4.3 橫向地表沉降

在距初始開挖面20 m、40 m和60 m處的橫斷面地表各取9個橫向特征點，各點沿橫向均勻分布，如圖12所示。

圖12 地表橫向特征點示意圖

各特征點沉降隨盾構推進距離的變化曲線如圖13所示。盾構掘進不同距離時，隧道中部處地表橫向沉降分布曲線如圖14所示。由圖13可知，沿隧道縱軸線對稱的橫向特征點的沉降曲線基本重合，且離盾構隧道距離越遠的特征點，其沉降量越小。處于地表邊緣的特征點基本沒有產生豎向位移，說明盾構掘進的對地表側面3倍洞徑處沉降的影響非常小。

圖13 地表橫向特征點沉降值隨盾構推進的變化

圖14 隧道中部地表橫向沉降分布

由圖14可以看出，盾構掘進不同距離時，地表橫向沉降槽曲線基本呈正態(tài)分布，隧道貫通時隧道中心上方的地表沉降最大，為4.977 mm。

5 結語

本文結合珠機城際軌道交通橫琴隧道復合地層盾構施工工程，對引起地層損失的注漿過程進行精細化模擬，分析盾尾漿液硬化對地層沉降的影響，得到以下結論：

（1）隧道貫通時，土體沉降表現(xiàn)為隧道上部沉降，下部隆起，最大沉降和隆起區(qū)域分別位于隧道拱頂和拱底。

（2）漿液的硬化能夠有效減小地表和拱頂?shù)某两?，且會對二者的沉降速率產生影響。當漿液彈性模量達到最終硬化的75%時，地表和拱頂?shù)某两邓俾蔬_到最大值并開始逐步減小。

（3）地表和拱頂沉降隨著漿液的逐步硬化而趨于穩(wěn)定，且拱頂沉降趨于穩(wěn)定的時間更短。

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Shield Tunnel Settlement in Complex Strata Based on Strata Loss Theory

XIAO Mingqing，GONG Yanfeng，ZHOU Kun，LIU Xingen

Among all the influential factors that cause ground settlement in shield tunneling，the strata loss is considered as the main one.Based on the existing strata loss theory，the grouting process that causes strata loss is numerically simulated，to study the ground settlement in composite strata influenced by shield tunneling construction.The result of numerical simulation indicates that the regions with largest settlement value and uplift value are located at the top and the bottom of the tunnel respectively，and the settlement rate of ground and vault is influenced by the grout hardening.When the elastic modulus of grout reaches 75%of the ultimate hardening grout，the settlement rate of ground and vault will reach the maximum and then decrease gradually.The settlement of ground and vault tends to be stable with the grout hardening，and the settlement rate of vault is tending to a faster steady state.

shield tunnel construction；composite strata；strata loss；prediction of settlement

TU433；U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.08.024

2015-09-16）