盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究_陈友建.pdf

第 卷 第期 年月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（，）；中铁十九局集团有限公司重点研发项目（）；广东省杰出青年基金项目（）通讯作者：袁炳祥（），男，山东东平人，广东工业大学教授，博士；：。引文格式：陈友建，袁炳祥，王永洪，等 盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究 广西大学学报（自然科学版），（）：盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究陈友建，袁炳祥，王永洪，王鑫（中铁十九局集团有限公司，北京 ；广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 ；青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 ）摘要：以广州市地铁十八号线万顷沙站万横中间风井盾构区间隧道工程为研究背景，运用有限元软件，探讨了隧道埋深比、掘进压力、注浆厚度种因素引起的地表变形的影响。在分析中使用控制变量法，在其他条件不变的情况下，改变掘进压力等施工参数并选取合理的值域后进行数值模拟，研究各种参数对地表沉降的影响程度。结果表明：随着隧道埋深比的增大，横向地表沉降量峰值出现先增加后下降的变化规律，沉降槽曲线也逐步趋于缓和；地面横向沉降峰值随掘进压力的增大而增大，当掘进压力超过掌子面土体应力释放值时，沉降量峰值与掘进压力成正比；地面横向沉降量与注浆层厚度成反比。关键词：盾构隧道；地表沉降；掘进压力；注浆厚度；隧道埋深中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，第期陈友建，等：盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究 ：，；，；：；引言随着我国经济的快速发展，城市地下轨道交通得到了迅速的发展，地铁交通具有运量大、速度快、节约地面土地资源等优点，它的发展所带来的直观影响就是人们出行效率的提高；然而地铁一般修建在城市中心，目前城市地铁建设多用盾构机掘进，隧道的开挖必然会改变原有的地应力平衡，造成围岩扰动，继而引发周围建筑物一系列的环境病害，所以合理预测地铁隧道盾构法施工引起的地面沉降对于保护邻近建筑物具有重要的现实意义。对于盾构隧道开挖诱发地层扰动，引起地层变形，国内外学者已有丰硕的研究。在研究经验公式推导方面，张运强等首次基于深层土体和表层土体沉降差异问题，引入不同的参数，推导了单洞隧道开挖引起的地下深层土体位移变化规律曲线；对于隧道开挖引起的深层土体变形规律，梁荣柱等在 基本解的基础上，依据实际盾构施工中刀盘挤土效应和注浆压力造成土体扰动情况，得到盾构施工过程中深层土体水平位移变形规律；徐前卫等将条分发引入掌子面稳定性分析，得出维持掌子面稳定的极限支护压力。由于隧道施工是一个隐蔽、体量大的工程，因此需要借助有限元软件采用数值模拟的方法进行研究。张印涛等 用有限元软件 模拟盾构隧道开挖引起地表变形的发展过程，发现数值模拟得出的地表横向沉降与工程实测资料以及 公式预测的沉降值吻合，验证了数值模拟的正确性；刘钊等 采用反分析法确定 有限元软件中修正摩尔库伦模型的割线模量经验系数，并确定个基本刚度参数取值的比例关系，最后通过实例验证了刚度参数取值的实用性；卢卓等 通过数值模拟分析了水平间距对既有基坑的影响，为确定最优水平间距保证施工安全提供理论依据。基于以上研究，本文通过建立广州市地铁十八号线万顷沙站万横中间风井盾构区间隧道的有限元计算模型，与实际监测数据对比，在模拟准确的前提下，研究不同参数（隧道埋深比、掘进压力、注浆厚度）对盾构隧道地表沉降的影响，提供盾构掘进施工诱发的地表变形预测和隧道施工参数指导。工程概况地铁十八号线万顷沙站万横中间风井盾构区间隧道南起万顷沙站，沿西北方向下穿珠江街中心城区、美的工业园、平谦工业园后进入南江二路，沿南江二路北行至横沥北路。万顷沙站至盾构井段设计里程为 ，长度为 ，隧道埋深 。考虑到隧道埋深较大，为了保证盾构开挖面土压平衡，采用土压平衡双螺旋盾构机进行隧道开挖工作。计算模型本文对盾构施工过程的力学模拟是通过 有限元程序得以实现，广西大学学报（自然科学版）第 卷是目前国内岩土工程研究方向发展最快的软件程序之一 。模型基本假定本文主要研究不同施工参数盾构掘进对地表沉降的影响，为了减少模型计算量，在建立有限元模型时进行简化处理，针对本文研究盾构区段，有以下几点基本假定：模拟过程中不考虑土体的构造应力，仅考虑重力场为初始应力场；假定土层为各向同性材料，均匀层状分布，同一土层材料模型类型选择修正摩尔库伦弹塑性模型进行计算；盾尾注浆简化为一个连续等厚环状、弹性的注浆层 ；管片采用弹性本构模型实体单元模拟，盾壳、注浆层采用弹性实体模拟；在盾构隧道施工过程时不考虑地下水渗流问题；盾构机掘进看作是非连续施工，盾构机每推进一步长度为管片长度，为 。修正摩尔库伦模型修正摩尔库伦模型（，），以下简称本构模型，是对 的优化，它们参数并不相等。在本构模型中有个基本刚度参数：标准三轴试验割线刚度 、主固结仪加载试验的切线刚度 、应力水平相关幂指数。根据工程经验 ，一般取标准三轴试验割线刚度 ，主固结仪加载试验的切线刚度 ，弹性卸载再加载时的弹性模量 。建立模型时，对比工程检测报告以及有限元软件计算结果，调整土体弹性模量的取值，使建模结果更接近现场实测数据。图盾构开挖有限元模型 参数选取本工程盾构机直径为 ，主机长度约为 ，隧道内径为 ；管片厚度为 ，环宽为 ，混凝土等级为 ，错缝拼装。在距离隧道的中心轴线大约倍的隧道直径范围内，盾构机施工会对隧道结构造成明显的应力应变影响，同时考虑减小边界效应的影响，本文模型方向长度为 ，方向宽度为，方向高度为 ，总共开挖 步，每环开挖 。经分析，土体采用混合网格单元，共 个网格、个单元，盾构开挖有限元模型如图所示。根据现场试验和勘察报告结果，得到模型的具体材料参数见表。表材料参数 名称弹性模量 黏聚力 摩擦角（）泊松比容重（）素填土 淤泥 全风化 强风化 盾壳 管片 注浆 模拟盾构施工过程根据盾构机工作施工原理，模拟施工步骤如下：第期陈友建，等：盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究建立土层，赋予材料参数，施加边界条件，初始应力状态仅考虑重力场，同时进行位移场清零。开始开挖，采用钝化单元形式模拟土体开挖，钝化第一环开挖土体单元的同时激活第一环盾壳单元，并在掌子面上施加法向的掘进压力模拟刀盘对前方土体的支撑作用，掘进压力取值根据掌子面静止土压力确定。掘进压力将在下一开挖步钝化，由于盾构机长度简化为个开挖步长，因此当盾构机全部进入地层，这个开挖步长的整个过程中盾壳对围岩起主要支撑作用。在滞后于盾构机进洞掘进的个开挖步，施加盾构管片衬砌，该过程为激活管片单元，同时在管片前端施加千斤顶推进力，千斤顶推进力在下一开挖步钝化。在激活盾构管片单元的同时进行盾尾壁后注浆，由于盾壳直径大于管片单元直径，管片单元施作后，与土体形成空隙，因此需要及时进行同步注浆减小地层扰动。该过程完成注浆单元的激活，模拟浆液对管片的挤压作用，同时向管片外表面施加法向注浆压力，给予土层向上的支撑，阻止围岩沉降趋势。根据项目施工报告，注浆压力取值为 ，此时管片和注浆共同起支护作用。循环步骤、，直至施工到第 个开挖步时整个隧道完全贯通，盾构掘进隧道示意图如图所示。图盾构掘进隧道示意图 图现场监测和数值模拟的地表沉降对比 计算结果验证本文选择其中的一个盾构区段为数值模拟研究对象，取万横中间风井新增盾构井区间线路第 环 环地层作为研究对象，掘进长度为，共 环管片长度，隧道埋深为 ，注浆厚度为 ，现场监测和数值模拟的地表沉降对比如图所示，现场实测地表沉降与在掘进压力为 时的沉降曲线地表吻合，地表最大沉降量相差 ，验证了本文数值模拟的准确性，说明运用 有限元软件模拟盾构施工可为实际工程提供一定的指导作用。盾构施工参数对地表沉降的影响分析 方案设计选取隧道埋深比（表示隧道顶部到地表的距离、表示隧道开挖直径）、掘进压力、注浆厚度 个因素为研究对象，深入研究盾构施工因素对地表沉降的影响规律，具体模拟方案设置见表。广西大学学报（自然科学版）第 卷表盾构施工影响因素方案 方案隧道埋深比掘进压力 注浆厚度方案、方案 、方案 、不同埋深比盾构掘进对地表沉降的影响为了研究不同埋深的隧道施工对地表沉降的影响，本文设置隧道埋深比分别为、（即拱顶埋深分别为 、），并分别进行计算分析。其他参数设为盾构机推进压力为 ，盾构机每次推进长度为 ，总共开挖，不同埋深比盾构掘进的模型位移云图如图所示。从图中可以看出，盾构机掘进上方地层的沉降量随着深度的增大而增加，最大的沉降量出现在隧道拱顶上方。取隧道完全贯通后各埋深比下的横向地表沉降量生成曲线，得到的不同埋深比盾构掘进对应的地表横向沉降曲线如图所示。（）（）（）图不同埋深比盾构掘进的模型位移云图 从图至图中可以看出，盾构隧道开挖引起的最大沉降发生在拱顶处，盾构机施工引起的地层扰动延伸至地表，且隧道上方土体位移变形随着土体深度的减小而降低。最大地表沉降出现在拱顶正上方的表层土体处。在相同的开挖半径下，不同埋深比盾构掘进对应的地面横向沉降规律与 提出的正态分布曲线相似。当埋深比由增加到时，相应的地表沉降峰值从 上升到 ；埋深比由增加到后，地表沉降峰值减小至 。总体表现为沉降峰值随着隧道埋深的增加而呈现出先增大后减小。这是由于对于埋深较小的隧道（如），盾构机施工对隧道洞周土体扰动程度较低，土拱的影响范围已延伸至地表，未能形成稳定的平衡拱；在拱顶上方，由于第期陈友建，等：盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究图不同埋深比盾构掘进对应的地表横向沉降曲线 土拱效应有一定的作用范围，因此当隧道埋深在土拱影响范围内增大（如由增加到），此时拱顶上方土体自重应力增加而平衡拱仍不能起到支撑作用，使地表沉降增大。当隧道埋深继续增加（如增加到时），土拱形成，此时围岩的自承能力大于拱顶上方土体的自重应力，土层变形减小。其次，根据 提出的横向地表沉降槽宽度预估公式：（），（）式中：为沉降槽宽度；为隧道埋深；为围岩的内摩擦角。由式（）可知，随着埋深的增大，沉降槽宽度也越大。本文通过模拟不同隧道埋深比，得出的地表沉降曲线均符合 提出的沉降槽公式。隧道埋深到达为时，受隧道开挖影响的表层土体范围越来越大，沉降曲线趋于平缓。不同掘进压力盾构掘进对地表沉降的影响本文建立了掘进压力分别为 、种情况下盾构施工的数值模型，模型中假定隧道埋深为 （即），注浆厚度为 ，隧道开挖步长为 ，总共开挖 环，得到的不同掘进压力下的地表横向沉降曲线如图所示。图不同掘进压力下的地表横向沉降曲线 由图可以看出，在其他施工参数条件不变的条件下，仅增大掘进压力的大小，横向地表沉降峰值表现为先减小后增大的趋势。当掘进压力分别为 、时，是数值模拟对应的横向 地 表 沉 降 峰 值 分 别 为 、。当 掘 进 压 力从 增 大 到 ，地表沉降峰值逐渐减小，且减小的幅度趋于稳定，此时盾构机掘进压力小于掌子面土体的静止土压 力，掘 进 压 力 的 增 大 引 起 的 土 体 扰 动 越小，影响的土体范围减小。当掘进压力控制在静止土压力附近时，如为 时，盾构开挖对洞周土体的扰动最小，但是当掘进压力取值超出掌子面土体的静止土压力，例如当盾构推进压力为 时，此时掘进压力过大，盾构掘进施工时对前方掌子面施加的压力大于掌子面土体的应力释放值，掌子面前方土体受压力挤压使地表发生隆起，周围土体塑性区增大，引起地表后期沉降变形。因此按照理论分析和工程经验，掘进压力应控制在掌子面土体应力释放值左右，综合考虑数值模拟结果土体的横向变形趋势和经济效益，该工程区间取用掘进压力为 施工较为合适。不同注浆厚度盾构掘进对地表沉降的影响盾构机掘进时，注浆会填充管片与土体之间的空隙，因此注浆量是决定隧道上方土体位移变形的重要因素。根据小导管注浆量公式：广西大学学报（自然科学版）第 卷 ，（）式中：为浆液扩散半径；为小导管长度；为土体孔隙率；为充填系数，根据工程经验不同地质条件取值。在数值模拟计算中，通过赋予不同的注浆厚度来模拟不同的注浆量。为了研究盾构开挖中不同注浆厚度对地表沉降的影响，本文设置隧道注浆厚度分别为 、，并分别进行计算分析。掘进压力设为 ，隧道拱顶到地表距离为 （即），盾构机每步推进 ，总共开挖 环。进行计