揭定前， 郭治岳， 陳文宇， 徐海南， 王澤偉， 萬 均， 陳 行

(1. 中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東深圳，518083； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都，610031； 3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610041; 4. 瀘州市政府投資建設(shè)工程有限管理第一中心, 四川瀘州 646699)

近年來，盾構(gòu)法施工已逐漸發(fā)展成為城市地鐵建設(shè)最常用工法，但盾構(gòu)掘進(jìn)不可避免地會(huì)產(chǎn)生對(duì)土體的擾動(dòng)[1]，因此對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起的土體沉降進(jìn)行分析具有重要意義。

針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)已有不少研究成果。劉招安等[2]依托廣州地鐵二號(hào)線某隧道為背景，總結(jié)了盾構(gòu)法施工引起的地表沉降的分析方法，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了規(guī)律分析；彭立敏等[3]通過隨機(jī)介質(zhì)理論對(duì)盾構(gòu)隧道施工造成的地層移動(dòng)與變形進(jìn)行了分析計(jì)算；林存剛等[4]依托杭州慶春路過江隧道工程為依托，圍繞盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)地面沉降進(jìn)行了規(guī)律性分析；陳自海等[5]以軟土地層盾構(gòu)隧道施工參數(shù)為研究方向，分析了注漿壓力、土倉壓力等施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響；包小華等[6]以北京地鐵14號(hào)線方莊-十里河站區(qū)間雙線隧道為依托，研究了注漿量、注漿壓力和凝結(jié)硬化時(shí)間等掘進(jìn)施工參數(shù)對(duì)表表沉降的影響。謝東武等[7]以Mindlin解為理論基礎(chǔ)，對(duì)單線盾構(gòu)隧道地表位移的影響因素進(jìn)行了敏感性分析；

以上研究集中于盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中注漿量和掘進(jìn)速率對(duì)土體沉降的研究較少，本文對(duì)此進(jìn)行有限元分析。

1 工程概況

成都地鐵10號(hào)線雙流機(jī)場(chǎng)2航站樓站—雙流西站二期工程，地面建筑及規(guī)劃如圖1所示。盾構(gòu)隧道埋深44 m，區(qū)間處在泥巖與砂卵石交互地層，該地層巖體整體巖性較差，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易發(fā)生土體沉降問題。隧道覆蓋土體為厚混凝土、厚石屑找平層、水泥碎石基層、厚水泥卵石基層、壓實(shí)土基和砂卵石。

圖1 盾構(gòu)下穿機(jī)場(chǎng)滑行道示意

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

本文采用大型有限元軟件建立盾構(gòu)隧道開挖三維數(shù)值模型，模型尺寸為100 m×60 m×80 m，見圖2。模型主要包括地層和盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道主要結(jié)構(gòu)為盾殼、管片和注漿層。區(qū)間隧道為雙孔隧道，先進(jìn)行左隧道(先行隧道)掘進(jìn)，后進(jìn)行右隧道(后行隧道)掘進(jìn)，掌子面間距60 m。隧道掘進(jìn)時(shí)主要施工步為移除開挖土體、激活盾殼和管片單元、施加掌子面壓力、施加掘進(jìn)頂推力和激活注漿等代層等。

(a)整體模型 (b)盾構(gòu)隧道圖2 計(jì)算模型

模型上部邊界設(shè)置自由邊界，下部邊界設(shè)置固定邊界。X和Y方向均設(shè)置位移約束，X方向設(shè)置繞Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，Z方向設(shè)置繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

2.2 參數(shù)的確定

土體選用M-C本構(gòu)模型，混凝土地表選用彈性材料；盾體、盾殼、管片和注漿層選用彈性材料，具體計(jì)算參數(shù)見表1。盾構(gòu)機(jī)直徑6.28 m，主機(jī)長度10.8 m，厚度0.3 m，幅寬1.5 m。

表1 數(shù)值模型材料計(jì)算參數(shù)

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

沿掘進(jìn)方向間隔15 m布置A，B，C三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，位置如圖3(a)所示；監(jiān)測(cè)斷面B測(cè)點(diǎn)布置如圖3(b)所示，b12、b22、b32和b42測(cè)點(diǎn)位于隧道中軸線上。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文通過先行隧道與后行隧道監(jiān)測(cè)截面B隧道中軸線上各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行土體分層沉降分析；以隧道掘進(jìn)掌子面距監(jiān)測(cè)斷面B前15 m(-15 m)、前9 m(-9 m)、監(jiān)測(cè)斷面處(0)、后9 m(9 m)和后15 m(15 m)五個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行土體橫向分層沉降分析。

(a)監(jiān)測(cè)斷面 (b)監(jiān)測(cè)斷面B測(cè)點(diǎn)圖3 監(jiān)測(cè)斷面與測(cè)點(diǎn)布置

3.1 注漿量

模型中通過改變注漿等代層彈性模量對(duì)注漿量進(jìn)行量化處理。工況參數(shù)：隧道埋深16.6 m，土倉壓力86 kPa，注漿壓力120 kPa，通過將模型注漿等代層彈性模量分別設(shè)置為1.2 MPa、5 MPa和10 MPa研究隧道掘進(jìn)時(shí)注漿量對(duì)土體變形的影響。

3.1.1 土體分層沉降

提取數(shù)值模型監(jiān)測(cè)截面B隧道中軸線上各測(cè)點(diǎn)的位移，繪制不同注漿量土體沉降曲線，見圖4、圖5。可知，先行隧道和后行隧道掘進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面B不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線變化規(guī)律相似，即測(cè)點(diǎn)的沉降值隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離的增加而增大，但掘進(jìn)過程中沉降趨勢(shì)不同。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)30 m掌子面達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面B時(shí)，b42測(cè)點(diǎn)沉降曲線斜率最大，即受盾構(gòu)掘進(jìn)影響最大，分析認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的沉降影響隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加而增大，即土體距掘進(jìn)隧道豎直距離越近，受盾構(gòu)掘進(jìn)影響越大。對(duì)比不同注漿量下監(jiān)測(cè)斷面相同位置測(cè)點(diǎn)的沉降曲線可知，隨著注漿量的增加，在一定程度上能控制隧道周邊一定范圍內(nèi)的沉降，對(duì)隧道附近的第四層監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值的影響較為明顯。

圖4 不同注漿量先行隧道監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線

圖5 不同注漿量后行隧道監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線

對(duì)比先行隧道與后行隧道可知，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)后行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)造成的沉降明顯大于對(duì)先行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降，分析認(rèn)為先行隧道掘進(jìn)過程中會(huì)對(duì)后行隧道范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，而后行隧道掘進(jìn)后，這部分土體再次受到擾動(dòng)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面B附近時(shí)，后行隧道測(cè)點(diǎn)b42出現(xiàn)了“上凸”狀的沉降曲線，分析認(rèn)為可能是由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中擠壓周圍土體，產(chǎn)生“上升”趨勢(shì)，盾構(gòu)通過之后，擠壓移除，又產(chǎn)生更大的沉降。

3.1.2 土體橫向分層沉降

提取數(shù)值模型監(jiān)測(cè)截面B不同時(shí)刻的位移，繪制不同注漿量土體橫向沉降曲線，見圖6、圖7。可知，先行隧道和后行隧道掘進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面不同時(shí)刻橫向沉降曲線變化規(guī)律相似，即沉降曲線呈現(xiàn)凹槽形，先行隧道整體沉降偏向先行隧道，各時(shí)刻沉降最大位置出現(xiàn)在先行隧道附近；后行隧道整體沉降偏向后行隧道，各時(shí)刻沉降最大位置出現(xiàn)在后行隧道附近。盾構(gòu)機(jī)在監(jiān)測(cè)斷面B前后9 m范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，橫向分層沉降受掘進(jìn)施工影響較大。不同注漿量隧道監(jiān)測(cè)斷面同一時(shí)刻橫向沉降數(shù)值變化不大。

圖6 不同注漿量先行隧道監(jiān)測(cè)斷面橫向沉降曲線

圖7 不同注漿量后行行隧道監(jiān)測(cè)面橫向沉降曲線

對(duì)比先行隧道與后行隧道可知，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)后行隧道土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)造成的沉降明顯大于對(duì)先行隧道土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降，分析認(rèn)為先行隧道掘進(jìn)過程中也會(huì)對(duì)后行隧道范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，后行隧道掘進(jìn)后，這部分土體再次受到擾動(dòng)，故后行隧道沉降值偏大。

3.2 掘進(jìn)速率

工況參數(shù)：隧道埋深44 m，土倉壓力86 kPa，注漿等代層彈性模量5 MPa，通過將掘進(jìn)速率分別設(shè)置為6 m/d、7.5 m/d和9 m/d研究隧道掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)速率對(duì)土體沉降的影響。

3.2.1 土體分層沉降

提取數(shù)值模型監(jiān)測(cè)截面B隧道中軸線上各測(cè)點(diǎn)的位移，繪制不同掘進(jìn)速率土體沉降曲線，見圖8、圖9?？芍?，先行隧道和后行隧道掘進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面B不同深度測(cè)點(diǎn)的沉降曲線變化規(guī)律相似，即測(cè)點(diǎn)的沉降值隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離的增加而增大，但掘進(jìn)過程中沉降趨勢(shì)不同。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)30 m掌子面達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面B時(shí)，b42測(cè)點(diǎn)沉降曲線斜率最大，即受盾構(gòu)掘進(jìn)影響最大，分析認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的沉降影響隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加而增大，即距掘進(jìn)隧道豎直距離越近，受盾構(gòu)掘進(jìn)影響越大。對(duì)比不同掘進(jìn)速率下監(jiān)測(cè)斷面相同位置測(cè)點(diǎn)的沉降曲線可知，隨著掘進(jìn)速率的增加，隧道附近土體的分層沉降會(huì)隨著增大，分析認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)速率增大會(huì)導(dǎo)致同步注漿不及時(shí)，盾尾空隙增大，故土體沉降增大。

對(duì)比先行隧道與后行隧道可知，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)后行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)造成的沉降明顯大于對(duì)先行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降，分析認(rèn)為先行隧道掘進(jìn)過程中會(huì)對(duì)后行隧道范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，而后行隧道掘進(jìn)后，這部分土體再次受到擾動(dòng)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面B附近時(shí)，后行隧道測(cè)點(diǎn)b41出現(xiàn)了“上凸”狀的沉降曲線，分析認(rèn)為可能是由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中擠壓周圍土體，產(chǎn)生“上升”趨勢(shì)，盾構(gòu)通過后，擠壓移除，產(chǎn)生更大的沉降。

3.2.2 土體橫向分層沉降

提取數(shù)值模型監(jiān)測(cè)截面B不同時(shí)刻的位移，繪制不同掘進(jìn)速率土體橫向沉降曲線，見圖10、圖11。由上圖可知，先行隧道和后行隧道掘進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面不同時(shí)刻橫向沉降曲線變化規(guī)律相似，即沉降曲線呈現(xiàn)凹槽形，先行整體沉降偏向先行隧道，各時(shí)刻沉降最大位置出現(xiàn)在先行隧道附近；后行整體沉降偏向后行隧道，各時(shí)刻沉降最大位置出現(xiàn)在后行隧道附近。盾構(gòu)機(jī)在監(jiān)測(cè)斷面B前后9 m范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，橫向分層沉降受掘進(jìn)施工影響較大。

對(duì)比先行隧道與后行隧道可知，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)后行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)造成的沉降明顯大于對(duì)先行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降，分析認(rèn)為先行隧道掘進(jìn)過程中也會(huì)對(duì)后行隧道范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，后行隧道掘進(jìn)后，這部分土體再次受到擾動(dòng)，故后行隧道沉降值偏大。

圖8 先行隧道不同掘進(jìn)速率不同深度測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖9 后行隧道不同掘進(jìn)速率不同深度測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖10 不同掘進(jìn)速率先行隧道監(jiān)測(cè)面橫向沉降曲線

圖11 不同掘進(jìn)速率后行隧道監(jiān)測(cè)截面橫向沉降曲線

4 結(jié)論

本文依托成都地鐵10號(hào)線雙流機(jī)場(chǎng)2航站樓站—雙流西站盾構(gòu)區(qū)間工程，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中注漿量與掘進(jìn)速率對(duì)土體沉降的影響，得出了以下結(jié)論：

(1) 土體測(cè)點(diǎn)的沉降值隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離的增加而增大，但掘進(jìn)過程中沉降趨勢(shì)不同。

(2)土體距掘進(jìn)隧道豎直距離越近，受盾構(gòu)掘進(jìn)影響越大。

(3) 隨著注漿量的增加，在一定程度上能控制隧道周邊一定范圍內(nèi)的沉降，對(duì)隧道附近的第四層監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值的影響較為明顯。

(4)盾構(gòu)機(jī)在監(jiān)測(cè)斷面B前后9 m范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，橫向分層沉降受掘進(jìn)施工影響較大。不同注漿量隧道監(jiān)測(cè)斷面同一時(shí)刻橫向沉降數(shù)值變化不大。

(5)隨著掘進(jìn)速率的增加，隧道附近土體的分層沉降會(huì)隨著增大，分析認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)速率增大會(huì)導(dǎo)致同步注漿不及時(shí)，盾尾空隙增大，故土體沉降增大。

(6)后行隧道掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的土體分層沉降與橫向分層沉降均大于先行隧道，分析認(rèn)為后行隧道掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)受到先行隧道擾動(dòng)的土體進(jìn)行再次擾動(dòng)，會(huì)造成沉降偏大。