龔彥峰，王愛武，周坤，劉新根，陳瑜嘉

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；3.廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣東 廣州 510230；4.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092)

軟土盾構(gòu)隧道基底加固對長期沉降的影響分析

龔彥峰1，2，王愛武3，周坤2，劉新根4，陳瑜嘉4

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；3.廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣東 廣州 510230；4.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092)

在富水軟弱地層中，如何預(yù)測及控制地層擾動引起的長期固結(jié)沉降一直是盾構(gòu)隧道施工面臨的重要問題之一。基于FEM-FDM水土完全耦合理論，利用同濟(jì)曙光三維有限元軟件，分析了珠海某隧道軟土區(qū)段局部加固對盾構(gòu)施工引起的土體工后長期固結(jié)沉降的影響規(guī)律。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：地層及隧道拱頂長期沉降槽隨埋深增大逐漸變深變窄；盾構(gòu)隧道基底加固分別使地表及隧道拱頂?shù)淖畲蟪两盗繙p小34.2%和27%，且使二者更快趨于穩(wěn)定，但對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響并不明顯；加固會使隧道豎向應(yīng)力有所增大，但不會改變其沿隧道軸向的分布規(guī)律；有基底加固時(shí)隧道拱腰處的超孔隙水壓力消散更快，使得固結(jié)沉降更快趨于穩(wěn)定。

隧道工程；軟弱地層；固結(jié)沉降；水土耦合；盾構(gòu)施工

0引言

近20年來以解決城市交通壓力、節(jié)約城市用地等為主要功能的地下交通隧道建設(shè)在我國得到了飛速發(fā)展，據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的數(shù)據(jù)，到2014年為止，我國地鐵總運(yùn)營里程已達(dá)2 900多km，規(guī)模居世界第一，在未來將得到進(jìn)一步的發(fā)展。盾構(gòu)施工因占地少，作業(yè)安全，不受外部環(huán)境影響及對地層擾動小等優(yōu)勢，在建設(shè)地鐵等地下隧道中發(fā)揮了巨大作用[1]。但在富水軟弱地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)施工不可避免會對地層產(chǎn)生一定的擾動，產(chǎn)生超孔隙水壓從而引起工后地層長期沉降[2]。一旦地層沉降控制不當(dāng)就會嚴(yán)重危及鄰近建筑物基礎(chǔ)、地下管線的安全[3]。

國內(nèi)外許多學(xué)者已對盾構(gòu)施工引起的地層變形進(jìn)行了大量的研究，然而這些研究中大部分都是集中在隧道施工過程產(chǎn)生的土體變形[4-8]，而對于施工擾動土體引起的長期固結(jié)沉降研究相對較少。但是有關(guān)工程實(shí)例及研究表明，在軟土地區(qū)，隧道施工擾動引起的土體長期沉降占總沉降的比例可達(dá)30%～90%[9]。因此分析研究盾構(gòu)施工引起軟土體的長期沉降具有重要意義。

隧道軟弱下臥地基加固處理是提高軟土地基承載力與控制其壓縮沉降的傳統(tǒng)方法[10]?；贔EM-FDM水土耦合理論，筆者利用同濟(jì)曙光三維有限元分析軟件，模擬了珠機(jī)某隧道軟土區(qū)段盾構(gòu)施工引起的土體工后長期固結(jié)沉降，分析了基底局部區(qū)域加固與不加固對地層長期沉降的影響規(guī)律。

1FEM-FDM水土耦合理論

水土耦合理論的控制方程可由平衡方程式與連續(xù)方程式組成，具體的推導(dǎo)過程可參考相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]。

平衡方程式：

(1)

連續(xù)方程式：

(2)

對上述控制方程進(jìn)行空間/時(shí)間離散時(shí)，平衡方程采用傳統(tǒng)的有限元方法進(jìn)行離散，而連續(xù)方程式則采用K.AKAID等[13]提出的有限后差分法進(jìn)行離散。其中位移的形函數(shù)由單元節(jié)點(diǎn)給出，而超孔隙水壓只在單元重心處給出。最終FEM-FDM水土耦合理論的有限元方程式可寫為：

(3)

2數(shù)值分析模型與計(jì)算方法

2.1本構(gòu)模型

目前，在數(shù)值模擬中常用的本構(gòu)模型主要包括莫爾-庫倫模型和修正劍橋模型[14]。其中，莫爾-庫倫模型具有建模簡單、 參數(shù)較少且易于確定等優(yōu)點(diǎn)，在工程中被廣泛應(yīng)用，但其不能很好地模擬卸荷工況下的變形。

修正劍橋模型作為經(jīng)典的彈塑性模型，其參數(shù)很容易通過常規(guī)試驗(yàn)確定，可較好地模擬淤泥質(zhì)黏土等軟弱地層的變形特性，但該模型計(jì)算效率低，并不適合較大模型。

為了兼顧兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，采用兩種模型相結(jié)合的方法，即距隧道軸心小于3D(D為隧道直徑)的土層采用修正劍橋模型，之外的土層采用莫爾-庫倫模型。

圖1等代層示意Fig.1Diagram of equivalent circle zone

2.2注漿層模擬

盾構(gòu)開挖的同時(shí)，盾尾進(jìn)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。為模擬注漿層，將一些與施工密切相關(guān)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(zhì)、等厚的等代層[15]，其示意圖和模型圖如圖1，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，達(dá)到既能反映工程的實(shí)際情況，又能簡化計(jì)算模型的目的。等代層厚度可取為

δ=η·Δ

式中：Δ為盾尾空隙的理論值(盾構(gòu)外徑與襯砌外徑差值的一半，單位：mm)；η為折減系數(shù)，取值范圍為0.7～1.5。

2.3隧道基底加固模擬

當(dāng)隧道洞身完全位于流塑狀淤泥質(zhì)地層中，由于地層承載力較低，需要對隧道下臥土體進(jìn)行局部加固，以增強(qiáng)基底承載力，防止地層變形過大。隧道基底加固的方法有很多，筆者主要研究旋噴加固法，根據(jù)實(shí)際工程情況，采用φ800豎直旋噴樁進(jìn)行加固，并采用42.5級以上的普通硅酸鹽水泥，旋噴加固后，土體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.0 MPa，滲透系數(shù)不大于10-7cm/s?；准庸淌疽鈭D如圖2，旋噴樁大樣圖如圖3，盾構(gòu)到達(dá)前對相應(yīng)區(qū)段進(jìn)行地層加固，加固范圍為拱腰以下，隧道底5 m，圖中所示加固范圍為旋噴樁中心距離。

圖2基底加固Fig.2Basement reinforcement

同濟(jì)曙光有限元軟件滲流模塊基于FEM-FDM水土完全耦合理論，可以很好地模擬巖土工程中涉及水土耦合相互作用的工程問題。筆者利用同濟(jì)曙光有限元軟件對飽和軟土地層盾構(gòu)隧道基底有加固和無加固的長期沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，分析注漿加固體對地層及隧道結(jié)構(gòu)長期沉降的影響規(guī)律。

圖3旋噴樁大樣(單位：mm)Fig.3Sketch of jet grouting piles

3工程概況

3.1地質(zhì)概況

珠機(jī)某隧道位于海積平原，地勢平坦，洞頂埋深15.4 m，隧道外徑8.5 m，隧道穿越的為流塑狀淤泥質(zhì)地層，洞頂上方為粉砂和人工填土，洞底下方為中砂層和花崗巖地層，其地質(zhì)剖面圖如圖4。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1。

圖4地質(zhì)剖面(單位：m)Fig.4Geologic section profile

表1材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1Physical and mechanical parameters of material

注：NA表示本構(gòu)模型不存在該參數(shù)

3.2計(jì)算模型

由于地基為半無限空間，有限元計(jì)算時(shí)通常截取一定范圍的地基土體，呂愛鐘等[16]的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)計(jì)算模型的水平范圍取為5～6D以上時(shí)可獲得較好的計(jì)算精度。根據(jù)土層分布情況，取計(jì)算模型尺寸為x方向110.5 m，y方向51.43 m，z方向80 m，隧道中軸線埋深21.68 m。計(jì)算模型如圖5。隧道結(jié)構(gòu)及盾殼采用線彈性殼單元來模擬，用0.8剛度折減系數(shù)來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響[17]。土體的加固效果以增加土體強(qiáng)度的方法進(jìn)行模擬。

圖5計(jì)算模型(單位：m)Fig.5Calculation model

模型采用位移邊界條件，前后、左右側(cè)面均施加法向位移固定約束，底面施加豎向位移固定約束。模型除底部邊界設(shè)為非排水面外，其余邊界均為排水面，土體與襯砌間邊界設(shè)為非排水邊界。

數(shù)值模擬時(shí)首先根據(jù)土體自重進(jìn)行平衡計(jì)算，從而確定初始應(yīng)力；然后進(jìn)行隧道土體開挖模擬并施加管片襯砌，最后進(jìn)行固結(jié)沉降計(jì)算。

初始狀態(tài)地層、隧道及其下方加固土體和管片局部放大圖如圖6，開挖到隧道中部時(shí)，管片及開挖面處局部放大圖如圖7。

圖6加固區(qū)示意Fig.6Sketch of the reinforced area in the model

圖7管片局部放大Fig.7Local enlargement of pipe segment

4計(jì)算結(jié)果分析

4.1加固對地表沉降的影響

施工后490 d，隧道基底有加固和無加固時(shí)地表橫向沉降槽的曲線如圖8，地表下6 m地層橫向沉降槽曲線如圖9，地表下12 m地層橫向沉降槽如圖10。有無基底加固時(shí)，隧道中心上方地表沉降隨時(shí)間變化曲線如圖11。

圖8地表沉降槽曲線Fig.8Ground surface settlement trough curve

圖9地表下6 m地層沉降槽曲線Fig.9Settlement trough curve of 6 m stratum below the ground surface

圖10地表下12 m地層橫線沉降槽曲線Fig.10Settlement trough curve of 12 m stratum below the ground surface

圖11隧道中心上方地表沉降的時(shí)程曲線Fig.11Time history curve of ground surface settlement above the tunnel center

由圖8～圖10可知，有無加固時(shí)，不同埋深地層的沉降槽曲線均符合高斯分布，最大沉降點(diǎn)均在隧道中心上方；隨著埋深的增加，地層沉降槽寬度減小，最大沉降量增大，說明有無加固時(shí)沉降槽的變化規(guī)律相同。從沉降量上來看，有加固時(shí)地表、埋深6 m和12 m地層比沒有加固時(shí)減少了8.5 mm、9 mm和10 mm，表明加固對地層沉降的影響程度不同，地層埋深越深，加固起到的降低沉降的作用越明顯。

由圖11可得，隧道基底有加固和無加固時(shí)，地表沉降都隨著時(shí)間增加而增大，但在固結(jié)490 d后有加固的地表沉降最大值比無加固時(shí)減少了8.535 mm，約為后者的34.2%；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，有無基底加固時(shí)，地表的沉降速率都隨時(shí)間增加而逐漸減小，但有加固時(shí)沉降速率明顯比無加固沉降速率大，到固結(jié)490 d后有加固的沉降基本趨于穩(wěn)定了，而無加固的沉降仍需一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。由此可知，基底加固對減少飽和軟土地層的長期沉降有顯著的作用。

4.2加固對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響

有無基底加固時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)拱腰水平位移和拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線分別如圖12和圖13，隧道水平和豎直方向上的凈空收斂值隨時(shí)間變化曲線分別如圖14和圖15。

由圖12和圖13可知，隧道基底有加固和無加固時(shí)，拱頂沉降和拱腰水平位移隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，即沉降和水平位移都隨時(shí)間增大，但二者的增大速率逐漸減小。由圖13可得，490 d時(shí)，有基底加固的隧道拱頂沉降比無加固時(shí)減少9.6 mm，約為未加固時(shí)的27%，且此時(shí)沉降增加速率基本趨于穩(wěn)定。由圖12可得，有加固時(shí)拱腰的水平位移比未加固時(shí)有較小的增加。

圖12隧道拱腰水平位移時(shí)程曲線Fig.12Time history curve of horizontal displacement of tunnel arch

圖13隧道拱頂沉降時(shí)程曲線Fig.13Time history curve of settlement of tunnel vault

由圖14和圖15可得，從施工結(jié)束到工后490 d，基底有加固時(shí)隧道的水平方向凈空收斂比無加固時(shí)大1.3～1.7 mm，但豎直方向凈空收斂小0.9～2.5 mm，由此可見，基底加固對隧道水平和豎直方向的變形影響較小。

圖14隧道水平凈空收斂時(shí)程曲線Fig.14Time history curve of horizontal clearance converge of tunnel

圖15隧道豎向凈空收斂時(shí)程曲線Fig.15Time history curve of vertical clearance converge of tunnel

4.3加固對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

固結(jié)491 d時(shí)，有無基底加固工況下隧道管片豎向應(yīng)力云圖分別如圖16和圖17。

由圖16可以看出，無基底加固時(shí)管片最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在腰部，且內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓，其值分別為7.82 MPa和10.16 MPa；由圖17可以得出，有基底加固時(shí)豎向應(yīng)力沿管片的分布規(guī)律與無加固時(shí)相同，其腰部內(nèi)側(cè)和外側(cè)的豎向應(yīng)力分別為9.85 MPa和12.67 MPa，比無加固時(shí)增加了26%和24.7%，表明基底加固對管片的應(yīng)力影響較為顯著。

圖16無基底加固時(shí)隧道管片的豎向應(yīng)力云圖(單位：kPa)Fig.16The vertical stress contour of tunnel segments without base reinforcement

圖17有基底加固時(shí)隧道管片的豎向應(yīng)力云圖(單位：kPa)Fig.17The vertical stress contour of tunnel segments with base reinforcement

4.4加固對超孔隙水壓的影響

有無基底加固時(shí)，隧道左側(cè)拱腰處的超孔隙水壓隨固結(jié)時(shí)間的變化曲線如圖18。

圖18隧道拱腰處超孔隙水壓時(shí)程曲線Fig.18Time history curve of the excess pore water pressure of tunnel arch

由圖18可得，固結(jié)時(shí)間相同時(shí)，無加固下隧道拱腰處超孔隙水壓值總是比有加固時(shí)大，但兩種工況下其值隨固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律相似，都是隨固結(jié)時(shí)間的增加而減小，在前100 d，超孔隙水壓迅速減小，分別比初始值減少了75%和78%，固結(jié)時(shí)間大于100 d時(shí)，超孔隙水壓緩慢減小并趨于穩(wěn)定，分別比初始值減少了93.6%和96%，說明有加固時(shí)隧道拱腰處的超孔隙水壓消散速度更快，使得固結(jié)沉降更快趨于穩(wěn)定。

5結(jié)論

利用同濟(jì)曙光三維有限元分析軟件，對軟土地層隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍土體產(chǎn)生擾動而引起工后地層長期固結(jié)沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并對有無基底加固兩種工況下地層沉降及隧道變形規(guī)律進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1) 土體長期沉降量及沉降槽寬度會隨固結(jié)時(shí)間不斷增大；當(dāng)固結(jié)時(shí)間一定時(shí)，地層最大沉降值隨地層埋深增大而增大，而沉降槽的寬度隨之減小，但土體固結(jié)引起的沉降隨著土體埋深增大而減小。

2) 隨著時(shí)間的推移，隧道拱頂和拱底均表現(xiàn)為沉降，拱腰兩側(cè)有向外的水平位移，隧道結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在工后90 d內(nèi)。

3) 有基底加固的隧道拱頂沉降比無加固時(shí)減少27%，且其更快趨于穩(wěn)定。隧道基底加固能有效減小拱頂沉降，但對隧道結(jié)構(gòu)的變形影響不明顯。

4) 基底加固不改變隧道管片的豎向應(yīng)力分布規(guī)律，但會使其最大增大24.7%。

5) 有基底加固時(shí)，隧道拱腰處的超孔隙是壓力消散的更快，因而固結(jié)沉降更快趨于穩(wěn)定。

本研究通過數(shù)值分析方法表明了在軟弱地層中盾構(gòu)隧道局部下臥土體的加固不僅可以減小長期沉降大小，而且可以使固結(jié)沉降時(shí)間縮短，可為實(shí)際盾構(gòu)施工時(shí)控制地層沉降提供一定的依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Influence of Base Reinforcement of Shield Tunnel on the Long-Term Settlement in Soft Soil Stratum

GONG Yanfeng1，2，WANG Aiwu3，ZHOU Kun2，LIU Xin’gen4，CHEN Yujia4

(1.China Railway SIYUAN Survey & Design Group Co.Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，P.R.China; 2.Engineering Laboratory of Underwater Tunnel Technology of Hubei Province，Wuhan 430063，Hubei，P.R.China; 3. Guangdong Pearl River Delta Intercity Railway Co.Ltd., Guangzhou 510230, Guangdong, P.R.China;4.Shanghai Tongyan Civil Engineering Technology Co.Ltd.，Shanghai 200092，P.R.China)

In water-rich soft soil stratum，how to predict and control the long term consolidation settlement induced by ground disturbance in the shield tunnel construction is one of the important problems.Based on soil-water fully coupling theory in the FEM-FDM scheme，the influence rule of the local reinforcement of the soft soil section of one tunnel on the long-term post consolidation settlement of soil caused by shield tunneling construction was analyzed by using GeoFBA3D software.The numerical calculation results indicate that the long-term settlement trough of the soft stratum and the tunnel vault becomes deeper and narrower with the increase of the buried depth.The maximum settlements of the ground surface and tunnel vault caused by the base reinforcement in shield tunneling construction are reduced by 34.2% and 27% respectively，and both of them tend to be more stable，but the influence on the deformation of the tunnel structure is not obvious.The reinforcement will make the vertical stress of tunnel increase，but it does not alter its axial distribution rule along the tunnel; furthermore，the excess pore water pressure of tunnel arch with the base reinforcement dissipates faster，which makes the consolidation settlement tend to be stable faster.

tunnel engineering; soft stratum; consolidation settlement; soil-water coupling; shield construction

U455.43

A

1674-0696(2017)10-019-07

2016-06-30；

2016-08-30

龔彥峰(1969—)，男，河南鹿邑人，博士，教授級高級工程師，主要從事隧道及地下工程的設(shè)計(jì)及研究工作。E-mail: tsygyf@126.com。

王愛武(1967—)，男，湖南攸縣人，碩士，高級工程師，主要從事土木工程技術(shù)研究及管理工作。E-mail: wawwam@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.04