楊 均

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南昆明 650220）

1 引言

城市軌道交通建設(shè)中盾構(gòu)法施工被大量運(yùn)用，但因其自身特點(diǎn)，其施工過程中存在一些不可控因素：①對于軟土地層，無論是土壓平衡盾構(gòu)或是泥水平衡盾構(gòu)，均依靠土倉或泥水倉內(nèi)水土壓力來平衡掌子面前方的水土壓力，土倉壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)整直接關(guān)系掌子面土體穩(wěn)定，進(jìn)而影響周邊地層變形；②盾構(gòu)主機(jī)本身呈倒錐形，刀盤開挖直徑略大于盾體，而一般盾體較管片外徑大約20 cm，導(dǎo)致盾尾脫出管片后形成明顯空隙，該空隙需要通過同步注漿和二次注漿進(jìn)行填充，其填充效果受注漿壓力、漿液材料及配比、注漿時(shí)機(jī)及地層變化影響較大；③由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾殼與土體之間的摩擦作用、超孔隙水壓的形成與消散、地下水滲流變化、盾構(gòu)開挖及行進(jìn)擾動(dòng)等，盾構(gòu)施工會(huì)產(chǎn)生地層損失，進(jìn)而導(dǎo)致周圍地層形變及地表沉降。

盾構(gòu)施工涉及因素眾多，從造成盾構(gòu)施工地層變形的角度看，設(shè)備因素（如盾體楔形量、超挖量）和施工人員因素（施工技術(shù)水平、施工管理水平）最終都將反映在盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)上?？傮w上，對盾構(gòu)施工控制影響較大的參數(shù)有：土倉壓力、同步注漿壓力、管片支護(hù)時(shí)機(jī)、管片上下頂進(jìn)力差、頂進(jìn)力等。

本文以昆明市軌道交通5號(hào)線工程金海新區(qū)站—福保站區(qū)間盾構(gòu)穿越泥炭質(zhì)軟土地層為背景建立三維數(shù)值計(jì)算模型，動(dòng)態(tài)模擬盾構(gòu)施工參數(shù)對軟土地層變形控制的影響。

2 工程概況

昆明市軌道交通5號(hào)線工程金海新區(qū)站—福保站區(qū)間沿環(huán)湖東路全地下敷設(shè)，線路出金海新區(qū)站后在履善巷環(huán)路東路路口下穿環(huán)湖東路，而后沿環(huán)湖東路西側(cè)敷設(shè)，先后下穿正大河、盤龍江、大清河、海河后進(jìn)入福保站，區(qū)間距離滇池最近距離約為560 m，穿越地層為泥炭質(zhì)軟土地層。區(qū)間場地范圍內(nèi)的軟弱地層從上到下依次為：<1>-2素填土、<2>4-3黏質(zhì)粉土、<2>3-3黏土、<2>2-3泥炭質(zhì)土、<2>3-3黏土、<3>3-3黏質(zhì)粉土、<3>1-3泥炭質(zhì)土、<4>3-4黏質(zhì)粉土、<4>1-3泥炭質(zhì)土、<4>2-3黏土、<4>3-4黏質(zhì)粉土、<5>2-3黏土，如圖1所示。

圖1 金海新區(qū)站—福保站區(qū)間地質(zhì)剖面圖

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 數(shù)值計(jì)算模型及模擬過程

3.1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本次數(shù)值計(jì)算模型采用FLAC3D有限差分軟件，以金海新區(qū)站—福保站區(qū)間左DK21+744.049斷面處地層鉆孔信息為基礎(chǔ)，建立盾構(gòu)開挖數(shù)值計(jì)算模型。模型寬 74 m（x方向），長 150 m（y方向），高 55.15 m（z方向）。隧道開挖直徑 6.44 m，注漿層厚度 120 mm，管片外徑 6.2 m，內(nèi)徑 5.5 m，管片厚 350 mm。模型沿隧道掘進(jìn)方向每1.2 m（1環(huán)管片寬度）劃分1個(gè)單元。整體模型及地層分布如圖2所示。

本次數(shù)值計(jì)算中，在開挖面施加310 kPa支護(hù)壓力，模擬盾構(gòu)機(jī)刀盤及土倉壓力對開挖面的支護(hù)作用；在盾尾處施加450 kPa環(huán)向壓力，模擬盾構(gòu)機(jī)同步注漿漿液對地層的支撐作用；在盾尾第1環(huán)管片環(huán)面施加1 570 kPa壓力，模擬盾構(gòu)機(jī)千斤頂對管片的反力作用；在管片環(huán)底部施加3.4 kN/m線性荷載，模擬臺(tái)車荷載。數(shù)值計(jì)算中荷載施加情況如圖3所示，所涉及的巖土體及結(jié)構(gòu)體的物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

3.1.2 模擬過程

盾構(gòu)機(jī)的施工開挖是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，不論是掌子面前方土體的開挖，還是管片支護(hù)的時(shí)機(jī)都對地層 有著顯著的影響。為最大程度還原盾構(gòu)機(jī)在地層掘進(jìn)過程中的狀態(tài)，圖4給出了盾構(gòu)掘進(jìn)動(dòng)態(tài)開挖模擬過程。圖4中第n步開挖或第n+1步開挖在模型中對應(yīng)的是一種狀態(tài)，包含荷載（大小、位置等）、單元狀態(tài)（殺死激活狀態(tài)、材料參數(shù)等）等信息，從第n步開挖到第n+1步開挖實(shí)際上是狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換不是一步到位的，它包含了多個(gè)計(jì)算步（或荷載步），例如，開挖新的土體單元、移動(dòng)盾構(gòu)機(jī)、荷載的重新生成與移除等。通過這種不斷的模型狀態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)連續(xù)掘進(jìn)的全過程模擬。數(shù)值模擬過程中主要考慮的施工影響因素如下。

圖2 整體模型及土層分布

圖3 荷載施加情況

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

（1）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)。土倉壓力采用向掘削面施加土倉壓力的方法模擬；盾體剛性支護(hù)通過賦予盾構(gòu)機(jī)部分鋼材參數(shù)實(shí)現(xiàn)；頂進(jìn)反力則通過向盾尾管片施加與土倉壓力相當(dāng)?shù)牧?shí)現(xiàn)。

（2）盾尾空隙模擬。盾尾空隙是引起周圍地層移動(dòng)的主要因素，因而對它的模擬至關(guān)重要，本次計(jì)算中的盾尾空隙為24 cm（包含直徑方向兩側(cè)盾尾空隙）。①臨空面產(chǎn)生，數(shù)值模擬中通過臨空面產(chǎn)生的時(shí)間長短來模擬注漿的及時(shí)與否；②漿液注入，采用施加壓力的形式來模擬注漿壓力，本次計(jì)算取管片頂部的注漿壓力與地層豎向應(yīng)力相等；③漿液壓力耗散與硬化，通過激活注漿層和管片襯砌的方式來模擬漿液的硬化，在計(jì)算過程中給注漿層材料賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)（注漿材料硬化階段1～階段6）模擬漿液硬化的過程，同時(shí)移去先前施加在地層臨空面上的注漿壓力。

（3）管片及注漿層。管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，厚35 cm，注漿層厚度等于盾尾空隙大小，取為24 cm。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)動(dòng)態(tài)模擬過程示意圖

（4）千斤頂頂推力。通過在盾尾管片環(huán)上施加與開挖面壓力均等的均布?jí)毫δM盾構(gòu)機(jī)千斤頂壓力作用。

（5）后方臺(tái)車荷載。將臺(tái)車重量換算為均勻分布的節(jié)點(diǎn)荷載施加于盾尾后方的管片上。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 隧道開挖引起地層沉降分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模型及盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)模擬過程，本文對盾構(gòu)隧道右線及左線分別進(jìn)行開挖計(jì)算，并提取開挖過程中地層沉降變化數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析與整理，得到圖5～圖8地層沉降分布曲線。

（1）通過對比圖5、圖6（隧道圓心標(biāo)高z= 0，地表標(biāo)高z= 28.71 m）可知，從縱向地層變形分布看，地層沉降是一個(gè)逐漸積累的過程，是施工前、施工中、施工后幾個(gè)過程的疊加，最后趨于穩(wěn)定；在開挖面處地表沉降達(dá)到3.82 mm，盾尾處地表沉降達(dá)到6.39 mm；盾尾脫環(huán)后，沉降進(jìn)一步發(fā)展，左線（先行）隧道開挖造成的地表最大沉降約為11.04 mm；右線隧道掘進(jìn)后，由于影響相互疊加，左線隧道正上方地表沉降亦進(jìn)一步增大，最大地表沉降達(dá)到了15.59 mm；從不同深度處地層沉降分布情況看，距離隧道越近的地層，變形越明顯，開挖過程中沉降曲線越陡，盾尾脫環(huán)對沉降變形的影響越大。

（2）通過對比圖7、圖8中的沉降變形曲線可知，由于右線隧道掘進(jìn)對左線隧道的影響，地層變形相互疊加。從地表沉降槽的發(fā)展情況看，左線隧道開挖后地表沉降槽主要位于左線隧道正上方，最大地表沉降約為11.69 mm，右線隧道施工后地表沉降槽變深變寬，最大沉降趨于逐漸向兩隧道中間區(qū)域轉(zhuǎn)移，最大沉降達(dá)到17.24 mm。

3.2.2 施工參數(shù)對地表沉降影響分析

工程實(shí)際中一般認(rèn)為盾構(gòu)開挖面支護(hù)壓力、同步注漿壓力和漿液性質(zhì)是影響盾構(gòu)施工地層沉降控制的幾個(gè)關(guān)鍵因素。本文依托模擬數(shù)值計(jì)算分別對不同開挖面支護(hù)壓力、注漿壓力和漿液性質(zhì)（不同的彈性模量）下盾構(gòu)掘進(jìn)的地表沉降進(jìn)行分析。

（1）由圖9不同開挖面支護(hù)壓力比作用下盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降縱向分布曲線可以看出，開挖面支護(hù)壓力大小、注漿壓力大小和漿液性質(zhì)對控制盾構(gòu)穿越滇池泥炭質(zhì)土施工期變形具有重要作用。在文中所述工況及背景條件下進(jìn)行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)，地表沉降對開挖面支護(hù)壓力的大小較敏感?？傮w趨勢是，平衡及盈壓條件下進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，地表沉降縱向分布曲線較平緩，欠壓條件下掘進(jìn)時(shí)即使壓力只減小一半，地表沉降也將變化很大。

圖5 左線隧道開挖后隧道上方不同深度地層變形沿隧道縱向分布曲線

圖6 右線隧道開挖后左線隧道上方不同深度地層變形沿隧道縱向分布曲線

圖7 左線隧道開挖后距離開挖面不同距離處地表沉降曲線

圖8 右線隧道開挖后距離開挖面不同距離處地表沉降曲線

（2）由圖10不同注漿壓力條件下盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降縱向分布曲線可以看出，地表沉降發(fā)展變化情況與不同開挖面支護(hù)壓力作用下地表沉降的發(fā)展變化類似，地表沉降對同步注漿壓力大小的敏感性更為突出。特別是盾尾脫環(huán)后，注漿壓力小的情況下，地層沉降迅速產(chǎn)生并呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，最終導(dǎo)致地層沉降很大。

（3）由圖11不同漿液強(qiáng)度條件下盾構(gòu)掘進(jìn)后地表沉降縱向分布曲線可以看出，漿液性質(zhì)對地表沉降控制的作用更加明顯。從本次數(shù)值計(jì)算的角度看，漿液性質(zhì)主要體現(xiàn)了同步注漿初凝時(shí)間和強(qiáng)度方面的不同，漿液強(qiáng)度需要達(dá)到體積模量107次方以上才具有較好的控制地表沉降的作用；從沉降曲線的縱向發(fā)展情況看，盾尾脫環(huán)后地層沉降占整個(gè)地層沉降的比重較大，主要原因是盾尾脫環(huán)后開挖面與盾構(gòu)管片之間存在20 cm的建筑空隙，這個(gè)空隙是由同步注漿漿液充填的；由于同步注漿過程中注漿壓力不足，漿液通過地層溢流，漿液凝固達(dá)到強(qiáng)度需要一定時(shí)間，由此導(dǎo)致地層變形。

4 結(jié)論及建議

本文對昆明市軌道交通5號(hào)線工程金海新區(qū)站—福保站區(qū)間盾構(gòu)隧道不同開挖面支護(hù)壓力、注漿壓力和漿液性質(zhì)（不同的彈性模量）下盾構(gòu)掘進(jìn)的地表沉降進(jìn)行分析研究，結(jié)論及建議如下。

（1）雙線盾構(gòu)隧道施工，在相同的施工工藝情況下，地層變形并不是完全對稱的；先掘進(jìn)隧道由于開挖卸載作用，對地層原始應(yīng)力產(chǎn)生了影響，最終會(huì)產(chǎn)生略大于后掘進(jìn)隧道的變形。

（2）盾構(gòu)在軟土地層中掘進(jìn)，土倉壓力宜略大于土體掌子面壓力，即采用盈壓模式掘進(jìn)。

（3）盾構(gòu)在穿越軟土地層施工時(shí)，應(yīng)保證同步注漿壓力和注漿量滿足及時(shí)充填對應(yīng)土層的相關(guān)要求。

（4）盾構(gòu)施工過程中，宜采用早凝漿液，同時(shí)宜使用稠漿，避免后期漿液凝固失水收縮產(chǎn)生地層損失，或采取其他措施達(dá)到及時(shí)填充盾尾空隙且無后期收縮作用。

圖9 不同開挖面支護(hù)壓力比作用下盾構(gòu)掘進(jìn)后地表沉降縱向分布曲線

圖10 不同注漿壓力條件下盾構(gòu)掘進(jìn)后地表沉降縱向分布曲線

圖11 不同漿液強(qiáng)度條件下盾構(gòu)掘進(jìn)后地表沉降縱向分布曲線