王忠昶，王熙文，唐靜

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

地鐵隧道施工的方法主要有明挖法、蓋挖法、沉管法、傳統(tǒng)礦山法、新奧法、盾構(gòu)法、TBM法等[1].其中通過盾構(gòu)機掘進來實現(xiàn)隧道開挖、排土、襯砌拼裝的盾構(gòu)法[2- 5]，憑借其施工安全、工期短且對環(huán)境影響小的特點，已成為隧道施工的首選[6- 7]，但盾構(gòu)法仍存在盾構(gòu)推進造成周邊地層擾動的問題[8- 9]，地鐵施工過程中要對地層變形和地面沉陷高度警惕，盾構(gòu)施工應(yīng)控制地面沉降處于可控范圍，控制地面沉降是城市地鐵施工當中的熱點研究問題.

本文以南京地鐵玄武門—新模范馬路區(qū)間盾構(gòu)隧道為背景，考慮盾構(gòu)隧道施工中的開挖、排土、襯砌等工序，采用FLAC3D軟件建立了盾構(gòu)隧道開挖的三維數(shù)值計算模型，分析隧道盾構(gòu)施工引起的地層沉降變形規(guī)律.

1 工程概況

南京地鐵玄武門—新模范馬路盾構(gòu)區(qū)間隧道，起始里程為K11+591.899，終止里程為K12+422.189.盾構(gòu)隧道線路的坡形為V形坡，最大縱坡30‰.隧道埋深8.0～14.5 m.隧道位于中央路下方，中央路屬于主干道，地面交通繁忙，道路兩側(cè)和正上方建(構(gòu))筑物較多.在盾構(gòu)施工過程中需要嚴格控制地層沉降，確保地面交通正常運行以及周圍環(huán)境的安全.盾構(gòu)隧道所處地層主要為淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和粉細砂土.盾構(gòu)機掘進參數(shù)：掘進上部土壓力為0.13～0.21 MPa，下部土壓在0.19～0.28 MPa之間，速率為60 mm/min，尾部注漿壓力為0.25 MPa，注漿量3.2 m3/環(huán).

2 數(shù)值模擬隧道盾構(gòu)施工

2.1 模型建立

采用FLAC3D軟件，針對城市盾構(gòu)法施工隧道建立三維數(shù)值模型，如圖1[10].隧道襯砌結(jié)構(gòu)外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，隧道埋深為13.8 m.考慮到隧道左右對稱性，取1/2模型進行計算.模型36 m×60 m×37.8 m(X×Y×Z)，平行隧道橫斷面水平向為x軸，豎向為z軸，沿隧道軸線推進方向為y軸.

圖1 盾構(gòu)隧道數(shù)值計算模型

模型共劃分21 200個單元.考慮地面超載，計算過程中地面施加20 kPa的均布荷載.

2.2 盾構(gòu)推進模擬

盾構(gòu)推進前需先通過對模型施加重力荷載來計算土體初始自重應(yīng)力場，然后將土體自重引起的位移清零，方可進行下一步的盾構(gòu)推進.隧道盾構(gòu)推進模擬的步序為：

(1)掌子面開挖土體，施加掌子面壓力(模擬土倉壓力作用)，調(diào)整盾殼和超挖地層的計算參數(shù)；

(2)計算開挖到盾尾長度，盾尾調(diào)整盾殼參數(shù)為注漿參數(shù)(2.4 m范圍)，施加環(huán)向壓力(模擬注漿壓力作用)，調(diào)整二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)；

(3)繼續(xù)開挖，調(diào)整注漿體參數(shù)，刪除環(huán)向壓力.

2.3 數(shù)值計算參數(shù)的選取

土體采用彈塑性模型.遵循摩爾庫倫屈服準則，注漿體、管片、超挖間隙采用彈性模型，具體參數(shù)見表1.

表1 盾構(gòu)區(qū)間土體及管片的力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

3.1 隧道開挖的地層變形分析

圖2給出了隧道不同掘進距離時的地層沉降云圖，由圖可見，隧道掘進過程中，地層沉降存在明顯的時間效應(yīng)，盾構(gòu)始發(fā)端的地層沉降較大.盾構(gòu)掘進30 m時，地層最大沉降變形為27.74 mm，發(fā)生在隧道拱頂注漿體上部；最大隆起值為28.97 mm，發(fā)生在隧道仰拱部位.盾構(gòu)隧道掘進貫通時，地層最大沉降變形為35.28 mm，同樣發(fā)生在隧道拱頂注漿體上部；最大隆起值為28.75 mm，發(fā)生在隧道仰拱部位.隧道掘進超過30m時，后續(xù)沉降值為7.54 mm，后續(xù)沉降占最大沉降變形的21.4%.

(a) 隧道掘進30 m (b) 隧道貫通

圖2隧道不同掘進距離時的地層沉降云圖

圖3給出了隧道不同掘進距離時的地層水平變形云圖，由圖可見：隧道開挖過程中，受注漿壓力的影響，隧道側(cè)面地層出現(xiàn)偏離隧道的水平變形，上下45°方向的地層出現(xiàn)偏向隧道的水平變形，角度主要與地層參數(shù)有關(guān).隧道掘進30 m時，側(cè)向水平變形最大正值為19.00 mm，斜向最大水平變形負值為4.41 mm.隧道貫通時，最大側(cè)向正水平變形為22.68 mm，斜向最大水平變形負值為5.87 mm.

(a) 隧道掘進30 m (b) 隧道貫通

圖3地層的水平變形云圖

圖4給出了隧道不同掘進距離時的縱向變形云圖，由圖可見：由于掌子面壓力的存在，掌子面前方出現(xiàn)不同程度的土層壓縮變形，出現(xiàn)偏向地面的趨勢，最大壓縮變形為20.86 mm，掌子面上部比下部壓縮變形大.隧道貫通時，地層縱向最大變形9.61 mm，最大變形區(qū)域為隧道拱頂部位.

(a) 隧道掘進30 m (b) 隧道貫通

圖4隧道不同掘進距離時的縱向變形云圖

3.2 地層橫向變形規(guī)律分析

圖5給出了不同埋深時的地層沉降曲線，由圖可見：隨著地層埋深的增加，隧道中心最大沉降值逐漸增大，沉降速率逐漸增大；同一地層中距離隧道軸線水平距離越遠，沉降值越??；隨著地層埋深的增加，沉降槽寬度逐漸減小.

圖5 不同埋深地層的沉降曲線

圖6給出了隧道不同進尺時的地表和拱頂沉降曲線.由圖6(a)可見：盾構(gòu)機向前推進過程中，地表沉降隨之增大.當監(jiān)測點處恰好處在開挖掌子面時，地表最大沉降最大值為4.12 mm，盾殼通過后地表沉降最大值為9.07 mm，注漿體凝固后地表沉降最大值為10.26 mm，地層變形穩(wěn)定后地表沉降最大值為15.28 mm，各階段沉降占比分別為27.0%，32.4%，7.8%，32.8%，通過管片壁后注漿能夠顯著減小此階段的沉降占比.由圖6(b)可見：當盾構(gòu)刀盤到達監(jiān)測點位時，隧道拱頂沉降為0.9 mm，拱頂部位因為掌子面土倉壓力的施加，拱頂出現(xiàn)明顯隆起.盾殼通過后拱頂最大沉降為19.3 mm，注漿體凝固后拱頂最大沉降為22.6 mm，地層變形穩(wěn)定后拱頂最大沉降值為29.0 mm.

(a) 地表沉降

(b) 拱頂沉降

3.3 地層縱向變形規(guī)律分析

圖7給出了Y=30 m斷面的地層縱向沉降云圖，圖8給出了Y=30 m斷面不同埋深監(jiān)測點的沉降歷時曲線(圖中右側(cè)從上到下埋深分別為0、4、8、12和13.65 m).由圖可見：隨著地層埋深的增加，地層沉降值逐漸增大.地層沉降歷時曲線呈現(xiàn)出反“S”形，盾構(gòu)掌子面前方土體出現(xiàn)少量的隆起變形，隨著盾構(gòu)機的掘進施工，在掌子面處，地層沉降變形急劇增加，并逐漸趨于平緩.從圖中可以看出，盾構(gòu)施工對拱頂土體的擾動作用明顯比地表的擾動作用明顯，越靠近地表，擾動作用越小.盾構(gòu)機對地層的擾動作用具有明顯的時間效應(yīng)，地表的沉降變形明顯早于拱頂?shù)某两底冃?

圖7 Y=30 m斷面地層縱向沉降云圖

圖8 不同埋深監(jiān)測點沉降歷時曲線

4 結(jié)論

本文以南京地鐵玄武門—新模范馬路區(qū)間盾構(gòu)隧道為研究對象，采用FLAC3D軟件建立了三維數(shù)值計算模型，模擬隧道盾構(gòu)法施工對地層變形的影響，分析隧道盾構(gòu)施工引起的地層沉降變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)在隧道掘進過程中，地層沉降具有明顯的時間效應(yīng).同時地層的最大沉降、最大隆起分別出現(xiàn)在隧道拱頂注漿體上部及隧道仰拱部位；

(2) 盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)的地層橫向沉降變形，隨著地層埋深的增加，最大沉降值逐漸增大，沉降槽寬度逐漸減小.掌子面壓力的存在，使掌子面前方出現(xiàn)不同程度的土層壓縮變形，較好的控制了掌子面的穩(wěn)定.壁后同步注漿，造成隧道周圍側(cè)向地層出現(xiàn)一定的壓縮變形；

(3)盾構(gòu)機向前推進過程中，地表沉降也隨之增大.當監(jiān)測點處恰好處于開挖掌子面上時，地表沉降達到最大，最大值為4.12 mm，盾殼通過后地表沉降最大值為9.07 mm，注漿體凝固后地表沉降最大值為10.26 mm，地層變形穩(wěn)定后地表沉降最大值為15.28 mm，各階段沉降占比分別為27.0%，32.4%，7.8%，32.8%，說明通過管片壁厚注漿，能夠顯著減小此階段的沉降占比；

(4)地層沉降歷時曲線呈現(xiàn)出反“S”形，盾構(gòu)掌子面前方土體出現(xiàn)少量的隆起變形，隨著盾構(gòu)機的掘進施工，在掌子面處，地層沉降變形急劇增加，并逐漸趨于平緩.盾構(gòu)施工對拱頂土體的擾動作用明顯比地表的擾動作用明顯，越靠近地表，擾動作用越小.盾構(gòu)機對地層的擾動作用具有明顯的時間效應(yīng)，地表的沉降變形明顯早于拱頂?shù)某两底冃?

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