王 健，呂 馳，胡夢雨

（中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院 北京 100083）

0 引言

目前，盾構(gòu)法施工已成為我國城市地鐵隧道施工中一種重要的施工方法。由于盾構(gòu)法施工過程對周圍土體將產(chǎn)生不可避免的擾動，以及施工過程中的土體損失，將引起地表沉降和周圍土體應(yīng)力變化［1］。大量的工程實測資料表明，隧道開挖引起的沉降槽形狀可以通過Peck 公式［2］進行很好的擬合和描述。國內(nèi)外學者對于Peck 公式中的幾項主要參數(shù)土體損失率［3-5］、沉降槽寬度系數(shù)［2，6-7］等取值和影響進行了比較深入的分析，也對隧道埋深、隧道外徑、土質(zhì)條件等影響因素［8-9］進行了研究。可以說，目前隧道開挖影響已經(jīng)相對成熟。

盾構(gòu)法施工引起的地表沉降及對周圍環(huán)境的影響是盾構(gòu)法施工的一個重要問題。同時，隧道穿越區(qū)域的地層變形也成為了學術(shù)界和工程界歷來研究和關(guān)注的重點［10-11］。雖然圍繞這一問題已做了不少的研究工作［12-15］，但由于地質(zhì)條件的復雜多變及施工參數(shù)的變化，使得研究成果具有一定的局限性，本文主要針對北京地鐵十二號線區(qū)間隧道工程，利用FLAC3D 建立了三維數(shù)值模擬和分析，得出盾構(gòu)法下穿施工引起地表沉降的規(guī)律，為襯砌支護和后續(xù)工程設(shè)計和施工積累經(jīng)驗。

1 工程概況

某項目東起三元橋站，沿北三環(huán)東路向東南敷設(shè)，是北京地鐵12 號線西壩河至三元橋的區(qū)間隧道，該區(qū)間總長度1 481.013 m，區(qū)間線路線間距為19.2～35～17.2 m，擬采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片尺寸為外徑6 400 mm，管片厚度300 mm，管片寬1 200 mm。本段區(qū)間自西壩河站開始，以1.273%下坡，隨后以2.4%上坡進入三元橋站。本文所模擬的段落隧道下穿首都機場高速公路，與機場高速路相交里程為K117+975.261，該段落隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道直徑為6.4 m，管片外徑頂部至路面距離為23.749 m，相交處盾構(gòu)隧道左右線中線間距為25.8 m，隧道與機場高速公路相交角度約為30°，隧道坡度為24/1 000，內(nèi)軌頂面標高10.471 m，路面標高為39.570 m。盾構(gòu)隧道與首都機場高速的位置關(guān)系如圖1 所示，盾構(gòu)隧道與機場高速公路的斷面如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與機場高速公路的相互關(guān)系Fig.1 Location Relationship between Shield Tunnel and Airport Expressway

圖2 盾構(gòu)隧道與機場高速公路斷面Fig.2 Sectional View of Shield Tunnel and Airport Expressway（m）

本區(qū)間主要地層為雜填土層、粉質(zhì)粘土層、粉土層、粉細砂層、中粗砂層等土層。地下水位較高潛水（二）水位標高31.32～29.67 m，層間潛水（三）水位標高18.66～17.82 m，層間潛水（四）水位標高10.0～9.50 m。取各地層設(shè)計參數(shù)指標值如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of the Soil

2 施工過程對機場高速影響的數(shù)值分析

根據(jù)現(xiàn)場施工方案與現(xiàn)有地層數(shù)據(jù)分析，采用盾構(gòu)順序開挖，先開挖左線再開挖右線，分析盾構(gòu)開挖對機場高速的影響，在試驗段和穿越段考慮添加注漿加固周圍土體，盾構(gòu)開挖完成后進行數(shù)值分析。

2.1 前處理

2.1.1 建模原則

⑴采用三維數(shù)值模型，按實際施工過程分步模擬，考慮盾構(gòu)開挖的施工過程影響，便于分析由于施工過程引起地表移動的時空效應(yīng)問題。

⑵土層厚度、土層力學參數(shù)等按照勘察報告提交的參數(shù)進行選取，在不同的縱斷面位置，按照建模位置對應(yīng)的參數(shù)選取，土層厚度變化的按照臨近的鉆孔揭露的該土層位置平均值選取。

⑶考慮了按照北京地鐵十二號線區(qū)間的結(jié)構(gòu)特征，按照設(shè)計坡度及曲率特征建模。

⑷考慮了按照盾構(gòu)前進的施工順序及盾尾注漿的影響。

⑸建模假定工程開挖實際揭露地層狀況與勘察揭露的勘察報告論述的地層狀況及強度參數(shù)一致，不考慮局部地層狀況與勘察報告的差異性。

2.1.2 模型尺寸選取及邊界條件

北京地鐵十二號線穿越首都機場高速計算邊界條件：在整個穿越段影響范圍內(nèi)x方向外擴為280 m；y方向擴展為150 m；底部影響區(qū)沿地鐵十二號線底再向下取10 m 深度，總計z方向為40 m，模型尺寸基本可以消除邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響。所有邊界均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面為x、y、z方向位移固定，左右邊界為x方向位移固定，前后邊界為y方向位移固定。

2.1.3 模型本構(gòu)及網(wǎng)格劃分

計算模型中，土體材料采用摩爾庫倫模型各土層假定為理想彈塑性體；高速路面、地鐵襯砌假設(shè)為線彈性體。數(shù)值模擬中襯砌采用結(jié)構(gòu)單元shell，為理想的各向同性材料。土體結(jié)構(gòu)及襯砌參數(shù)按設(shè)計方案結(jié)合工程經(jīng)驗選?。痪W(wǎng)格、襯砌結(jié)構(gòu)及路面如圖3、圖4所示，x、y、z方向見圖3中標注。

圖3 模型中各結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分Fig.3 The Structure of the Model and Its Meshing

圖4 路面彈性體模型Fig.4 The Elastomer Model of Road Surface

2.1.4 既有結(jié)構(gòu)荷載施加及開挖

高速路面與地鐵十號線為既有結(jié)構(gòu)，在十二號線隧道盾構(gòu)掘進前，需對高速路面施加車輛荷載，生成既有十號線盾構(gòu)區(qū)間，得到變形后的應(yīng)力、位移狀態(tài)，并將其初始化后再進行十二號線盾構(gòu)的開挖運算。

圖5 為路面施加荷載后的土體變形圖。圖6、圖7為既有十號線生成后土體位移及z方向應(yīng)力云圖。

圖5 路面荷載施加后總位移云圖Fig.5 The Total Displacement

圖6 生成十號線隧道后的豎直（z）位移云圖Fig.6 The Vertical Displacement of Line 10

圖7 十號線隧道開挖生成后的豎直（z）向應(yīng)力場Fig.7 The Vertical Stress Field of Line 10

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 十二號線盾構(gòu)開挖對高速公路的影響

從2.1 節(jié)可知，高速沉降最大位置位于十二號線隧道開挖正上方。在加固的情況下，高速公路的最大沉降為3.05 mm，基本滿足結(jié)構(gòu)變形控制指標。模型中高速監(jiān)測點布置如圖8、圖9所示。

圖8 高速公路監(jiān)測點布置Fig.8 The Detection Point Layout of Highway

圖9 地表沉降Fig.9 Surface Settlement

G1、G2 與G3 點位于左線上方，左線先開挖因此這三點的在左線開挖過程中變化較大，在右線開挖時，此三點的累計沉降變化較小。同樣，位于右線上方的G4、G5 與G6 點的變形在左線開挖時，累計沉降較小，在盾構(gòu)開挖右線時，累計沉降變化明顯。

加固情況下路面最大沉降點處橫截面如圖10 所示，在加固的工況下，路面沉降減小，不平整度數(shù)值為2.48 mm/3 m，符合規(guī)定標準。

圖10 加固工況下路面最大沉降處斷面Fig.10 The Maximum Settlement of Road Surface under Reinforcement Condition

3 結(jié)論及對施工的建議

⑴本文理論模擬了北京地鐵十二號線下穿高速公路過程中地表沉降的規(guī)律及最大的沉降位置，在加固的情況下，路面沉降明顯減小。而實際施工中盾構(gòu)開挖采用土壓平衡盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)機工作原理是將通過刀盤開挖切削下來的土體充滿掌子面與隔板之間的空間，施加一定的推進動力以保證開挖過程中掌子面穩(wěn)定，與此同時通過設(shè)置貫穿隔板的螺旋輸送器進行排掉渣土，為保證開挖面的穩(wěn)定，建議施工中做到：

①土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送器排出的渣土量與刀盤切削的土體量保持一致，以確保土壓艙內(nèi)的土壓力動態(tài)平衡；

②在盾構(gòu)掘進施工過程中必須在掌子面與隔板之間填滿可塑性土體；

③在盾構(gòu)掘進和盾尾管片拼裝過程中，盾構(gòu)密封艙內(nèi)土壓力略大于掌子面原狀土體的主動土壓力和水壓力之和。

⑵為了控制地表的沉降和下穿盾構(gòu)施工對高速公路平整度的要求，下穿段加固是必須的施工工藝環(huán)節(jié)，而加固施工中盾尾注漿顯得非常重要，因此為了滿足對地表沉降控制的影響，施工中必須做到：

①管片脫離盾構(gòu)機時，管片和開挖界限存在空隙，所以在管片脫離盾尾時需要及時進行注漿，防止圍巖暴露時間過長而導致圍巖塌落甚至導致坍塌。

②保證注漿容量，合理控制注漿壓力。在管片安裝完成以后，需要立即對管片后面空隙進行注漿，由于注漿材料凝結(jié)會發(fā)生收縮，所以需要保證注漿容量的充足。在實際施工時，由于管片后面土體受到盾殼的移動所產(chǎn)生的擾動，土體會發(fā)生不同程度的彈塑性變形，所以實際建筑空隙一般難以準確確定，因此，在判建筑空隙完全被填充密實時，只能通過控制注漿壓力來確定。當建筑空隙完全被填充密實時注漿壓力會急劇升高，此時就應(yīng)該停止注漿。如果己完成達到規(guī)定標準的注漿量時但注漿壓力卻還很低，那就說明建筑空隙還未填充密實，此時就應(yīng)該繼續(xù)注漿，直到完全填充為止。在現(xiàn)場工程中，根據(jù)以往的經(jīng)驗，一般取1.1～1.2倍靜止土壓力為注漿壓力比較合適。

③進行二次注漿，確?？障锻耆畛?。在進行初始注漿時，漿液凝固會發(fā)生不同程度的收縮，從而會產(chǎn)生部分空隙，雖然在第一次注漿時，注漿量一般會大于理論建筑空隙，在實際工程中，在漿液凝固以后，仍然會發(fā)現(xiàn)不同程度的空隙。此時，就需要進行補漿，一般在稱之為二次注漿。二次注漿是控制地表沉降的另一種輔助手段，特別是穿越重要建筑物或者地下管網(wǎng)時尤為重要。