葛瑞雪，于廣明

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033)

盾構(gòu)法施工過程中不可避免造成土層擾動，引起施工區(qū)域地表產(chǎn)生不均勻沉降，既而影響周邊建、構(gòu)筑物的使用，嚴(yán)重時危及人民群眾的安全。

目前，已有很多學(xué)者通過數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)施工過程中引起的地表沉降變化規(guī)律。王敏強(qiáng)等[1]通過有限元軟件分析在某特殊地層中使用盾構(gòu)開挖引起地表沉降變形規(guī)律。馮慧君[2]基于FLAC3D軟件依托天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間實例建立隧道掘進(jìn)過程的有限元模型，得到前序次開挖隧道對后序次開挖隧道的拱頂沉降和地表沉降均存在疊加效應(yīng)影響。李鴻博[3]結(jié)合ANSYS和FLAC3D軟件研究了盾構(gòu)隧道開挖過程的時空效應(yīng)對地表沉降的影響規(guī)律。閆國棟等[4]使用FLAC3D有限元軟件分析盾構(gòu)法下穿圍巖和埋深不同下對地表沉降和建筑變形的影響。滿孝林等[5]研究隧道開挖中使用盾構(gòu)法與非盾構(gòu)法引起地表沉降的變形影響，通過Midas軟件依托實際區(qū)域地層進(jìn)行建模對比分析，得出盾構(gòu)法施工引起的上方土層擾動變形最小。賀美德等[6]運(yùn)用有限元分析盾構(gòu)施工引起周邊建筑物的結(jié)構(gòu)沉降和基礎(chǔ)傾斜情況，得出了盾構(gòu)施工到達(dá)建筑物前后對建筑物變形的影響規(guī)律。楊俊龍[7]利用三維有限元分析方法，在分析盾尾注漿壓力影響的基礎(chǔ)上，考察了隧道施工過程中產(chǎn)生的水平位移及地表沉降，通過現(xiàn)場測試，得出實測水平測斜及地表沉降均在允許范圍之內(nèi),表明通過控制盾尾注漿力來控制水平位移及地表沉降的有效性。因此，研究盾構(gòu)施工中引起的地表沉降變化特征及規(guī)律具有重要的實際意義，只有合理預(yù)測盾構(gòu)施工中的地表沉降，才能保證施工周圍環(huán)境的安全性。

依托某市軌道交通九號線某區(qū)間工程，采用Midas GTS有限元分析軟件進(jìn)行建模，建立監(jiān)測點，分析在多個開挖步驟下監(jiān)測點的沉降量，總結(jié)變形規(guī)律，為后期施工提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1 工程概況

該擬建區(qū)間里程YCK11+722.405～YCK12+436.941段為TBM施工段，經(jīng)地面地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭示，該段主要為素填土，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖。水文地質(zhì)條件簡單，下伏基巖裂隙較發(fā)育，地下水主要為松散層孔隙水及基巖裂隙水。區(qū)間隧道設(shè)計為單心圓斷面，隧道外徑為6.5m，擬采用管片襯砌。其材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料物理力學(xué)計算參數(shù)

2 模型建立

模型大小取30m(長)×24m(寬)×30m(高)，對地層中各層巖土材料按各向同性考慮，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，由于水文地質(zhì)條件簡單，因此在建立模型時不考慮地下水的影響。隧道圓周半徑2.9m，頂點至頂邊距離8.3m。整個盾構(gòu)施工過程分10步模擬，每步掘進(jìn)尺寸為兩個管片環(huán)寬2.4m，計算模型如圖1所示。目標(biāo)測點設(shè)定在模型頂面中心點位置處，監(jiān)測點共5個，其具體布置如圖2所示。

圖1 有限元計算模型

圖2 測點位置布置圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)過程中地表沉降位移云圖

本模型整個施工過程分為10個施工階段，選取每4.8m掘進(jìn)長度為分析要點，選用其中5個施工段進(jìn)行沉降研究，圖3～圖7是5個施工段的位移云圖。

通過圖3～圖7可知，在施工中拱頂處產(chǎn)生最大沉降，且沿隧道中心線向兩側(cè)沉降逐漸減小，在隧道橫斷面處會形成沉降槽，隨著開挖的進(jìn)行，隧道底部逐漸出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。盾構(gòu)掘進(jìn)4.8m時對應(yīng)的最大沉降值為2.21mm，掘進(jìn)到9.6m時對應(yīng)的最大沉降值為2.62mm，掘進(jìn)到14.4m時對應(yīng)的最大沉降值為2.71mm，掘進(jìn)到19.2m時對應(yīng)的最大沉降值為2.83mm，掘進(jìn)到24m時對應(yīng)的最大沉降值為3.01mm。因此，在盾構(gòu)施工過程中，拱頂處的最大沉降值隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離的增加而增大。

圖3 第2步開挖(掘進(jìn)4.8m)

圖4 第4步開挖(掘進(jìn)9.6m)

圖5 第6步開挖(掘進(jìn)14.4m)

圖6 第8步開挖(掘進(jìn)19.2m)

圖7 第10步開挖(掘進(jìn)24m)

3.2 盾構(gòu)過程中監(jiān)測點處的地表沉降分析

根據(jù)圖2標(biāo)記的測點位置，在表1中記錄每個開挖步監(jiān)測點的變形值，并制作沉降變化趨勢圖，如圖8。

表1 各開挖步下監(jiān)測點的位移變形量(單位：mm)

圖8 測點沉降變化趨勢圖

在不考慮模型初始位移的情況下，每個施工階段中測點1～5處的位移變形均呈現(xiàn)出沉降的變化趨勢。測點3位于模型上頂面的中心點處，距前、后兩面均為12m；測點2、4距測點3為4.8m，距前、后兩面均為7.2m，測點1、5距前后兩面均為2.4m，初始掘進(jìn)階段中，測點的沉降量均較小，測點1的沉降速率最大，測點4和測點5的沉降變化最慢；當(dāng)隧道盾構(gòu)施工到一半時，剛開始的測點1沉降變化逐漸平穩(wěn)，沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向的測點4和測點5沉降變化速率逐漸增大；直到盾構(gòu)施工將要完成時，測點1的相鄰施工階段的沉降差幾乎穩(wěn)定，各測點均達(dá)到掘進(jìn)過程中的最終沉降狀態(tài)，測點5的地表沉降量最大。

4 結(jié)論

依托某市軌道交通九號線某區(qū)間工程，采用Midas GTS軟件分析盾構(gòu)施工引起的地表沉降特征及目標(biāo)測點點位在各個施工階段的變形沉降過程，得到以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的豎向位移，在隧道拱頂處主要表現(xiàn)為沉降，在隧道拱底處表現(xiàn)為隆起。

(2)拱頂處的最大沉降值隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離的增加而增大。本實例模擬中，掘進(jìn)達(dá)到24m時對應(yīng)的最大地表沉降為3.01mm。

(3)初始掘進(jìn)階段中，測點的沉降量均較小，測點1的沉降速率最大，隧道盾構(gòu)施工到一半時，測點4和測點5沉降變化速率逐漸增大，直至施工結(jié)束，各測點沉降值達(dá)到穩(wěn)定。