地铁盾构顶进力对地层移动影响的数值分析

汪 洋，方 勇，何 川，葛蔚敏

(1.西南交通大学 地下工程系，成都 610031;2.浙江台金高速公路有限公司，浙江 临海 317000)

目前，修建地铁隧道的方法主要有明挖法、浅埋暗挖法和盾构法。其中盾构法是利用盾构机切削土体在地层中推进，用泥土加压或泥水加压等方法来抵抗掘削面的土压力和水压力以维持掘削面的稳定，在盾构外壳的保护下拼装管片，以形成隧道结构的施工方法。盾构法具有施工进度快，无噪声及振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线、商业活动和居民生活影响较少等众多优点，在城市地铁区间隧道的施工中得到广泛应用。根据掘削面的稳定方式，盾构工法又分为土压平衡式盾构(包括加泥式土压平衡盾构，下同)、泥水平衡式盾构等不同类型，其中以土压平衡式盾构应用最多［1-2］。

土压平衡式盾构隧道施工不可避免地引起周围地层移动，在地表则体现为地面沉降。从纵向看地面沉降的发展可以分为早期沉降、掘削面变形沉降、盾构通过时沉降、盾构尾部空隙沉降以及后期固结沉降等五个阶段［3-6］。在土压平衡式盾构掘进过程中，其中盾构顶进力对掘削面变形沉降有着重要影响。盾构顶进力的主要作用是平衡掘削面前方的水土压力，若顶进力过大，会引起前方土体的隆起;若顶进力过小，则会引起掘削面坍塌。尤其是在稳定性极差的松软地层中，盾构顶进力的大小与掘削面变形息息相关，对顶进力的控制显得尤为重要［7］。因而，将盾构顶进力控制在一个合理的范围内，有利于土压平衡盾构的顺利掘进。

1 模型建立

1.1 模型边界及参数取值

计算模型纵向长78 m，其中盾构机长7.5 m，盾尾距后边界为19.5 m，掘削面距前方边界为51 m。在纵向(y方向)0 m＜y＜18 m和42 m＜y＜78 m范围内，网格y方向长度为 6 m，在纵向18 m＜y＜42 m范围内，网格y方向长度为1.5 m。模型的网格划分情况如图1所示，共9 100个实体单元。

图1 三维有限差分网格

模型中土体的分层情况以及各种材料参数的取值如表1所示。其中管片由于是由螺栓连接在一起的拼装式结构，在模型中采用均值体进行模拟时需对其等效刚度进行折减，折减系数取为0.8［8］。盾构机的计算参数如表2所示。

表1 模型中的材料参数

表2 盾构机材料参数

1.2 盾构机的模拟

盾构机采用实体单元模拟，同时考虑开口率的影响，并在盾构机壳体及刀盘处设置Interface单元来模拟盾构机与周围土体的接触关系。计算模型的开口率为36.7%，在该开口率下，盾构机的视密度变为24.39 kg/m3。Interface单元的抗拉强度设为0(即不抗拉)，法向和切向刚度取为周围地层刚度，摩擦系数取为盾构机的摩擦系数。划分好的盾构机网格如图2所示(为了便于观看，将盾构机的另一半一并绘出)。本次计算中不考虑盾构机超挖量及机体楔型量的影响，将盾构机近似为刚体处理(弹性模量较大)。

图2 盾构机模型

2 模型加载

2.1 盾构机推力的施加

盾构机的推进阻力主要有三部分:机壳摩阻力、刀盘贯入阻力和刀盘开口处的土压力(土舱内压力)。故模型中的推进阻力分两部分施加:一是施加在盾构机后方，该推力用于平衡机壳摩阻力和刀盘的贯入阻力，另一部分直接施加在开口处的掘削面上，模拟土舱压力。盾构机顶进时的总推力为这两者之和。计算中施加的开口处压力为 p=0.15 MPa，盾尾推力为 F=5.0×106N，那么可以计算出模型中对盾构机施加的总推力约为F=6.6×106N。

2.2 盾构机顶进阻力

当盾尾施加约5 000 kN的推力时，在刀盘上将产生约0.1～0.2 MPa的正面支护压力，且分布较为均匀。而壳体上的法向压力分布则呈现上下大(0.3～0.5 MPa)，两侧小(0.05～0.20 MPa)的特点，故盾构机推进过程中壳体受到的摩阻力主要在壳体上部和下部。其中下部的摩阻力略大于上部，而两侧的摩阻力相对较小。

2.3 地层变形

在盾构机顶进作用下，地表将会呈现前隆后沉的变形趋势。图3显示了隧道正上方地表的纵向沉隆情况，可以看出，本次计算中地表在盾构机刀盘前方约1.5D的地方就开始产生隆起了，而在盾尾后方约2D的地方，大部分沉降都已完成了。若加上盾构机本身的长度约1.25D，可以认为，盾构隧道顶进引起的空间效应的纵向影响范围大概为5D左右。

图3 纵向沉隆曲线

3 盾构机推力对地层移动影响

3.1 地表Z方向位移

图4清晰地显示了不同盾构机推力作用下地表的沉隆大小和范围。当盾构机推力不足时，地表没有隆起区域，如图4(a)所示，而且随着推力的减小，盾构机前方的沉降范围和量值均变大。当推力＞9 600 kN后，盾构机前方地表开始产生隆起区，且随着盾构机推力的增大，隆起区的范围和量值都增大，在图中体现为等值线变密，但盾构机推力对后方的沉降区基本上没有影响，如图4(b)、图4(c)所示。从图中还可以看出，随着盾构机推力的增加，前方地表的最大隆起点位置有逐渐后退并向盾构机靠拢的趋势，不过总的看来，最大隆起点位置基本上位于盾构机前方2D处。

图4 不同推力下的地表沉隆(单位:mm)

3.2 地表Y方向位移

图5清晰地显示了不同盾构机推力作用下地表沿推进方向(纵向)移动的大小和范围。与地表沉隆的分布图类似，地表纵向移动也分为两个区域，一个是盾构机后方区域，以地表的向后(与推进方向相反)移动为主，另一个是盾构机的前方区域，以地表的向前(推进方向)移动为主。前者主要由盾尾地层移动引起，为地层沉降的附属移动;后者则主要由盾构机的推力引起。当盾构机推力不足时，地表的纵向移动以向后为主，基本上没有向前移动区，如图5(a)所示。当推力大于9 600 kN后，盾构机前方地表开始产生向前的纵向移动，且随着盾构机推力的增大，纵向移动区域的范围和量值都增大，在图中体现为等值线变宽、变密，向前纵向移动的最大值点基本上位于盾构机前方2D处，这和最大隆起点位置相同，如图5(b)、图5(c)所示。在地表前方纵向移动的范围和量值逐渐增大的同时，地表后方纵向移动的范围和大小却随着盾构机推力的增大而逐渐减小。当推力达到13 600 kN时，盾构机前方纵向移动的范围开始大于后方。

图5 不同推力下的地表纵向移动(单位:mm)

3.3 对称面Z方向位移

图6显示了不同盾构机推力作用下地中的竖向位移情况。可以看出，在盾构机后方，隧道上方土体向下移动，隧道下方土体向上移动，移动的范围和大小基本上不受盾构机推力的影响。在盾构机前方，土体的竖向移动受盾构机推力的影响较大:当盾构机推力不足时，前方土体以下沉为主，如图6(a);当盾构机推力超过9 600 kN时，前方土体的竖向位移将会出现类似于“蝴蝶”形状的区域，其中盾构机上前方为土体的向上位移区，下前方为向下位移区，如图6(b)、图6(c)所示。向上位移区受周围地层约束较小，可以迅速发展至地表引起地表的隆起;向下位移区由于受到周围地层的约束，其范围和大小比向上位移区小。盾构机前方的这种“蝴蝶”型竖向位移区主要由推力产生的地层纵向移动引起，故其形状和大小受盾构机推力影响，一般来说随盾构机推力的增加而变大。

图6 不同推力下的对称面竖向位移(单位:mm)

3.4 对称面Y方向位移

图7显示了不同盾构机推力作用下地层沿推进方向(纵向)移动的大小和范围。与地表的纵向移动分布类似，地层中的纵向移动也大致分为盾构机前方和后方两个区域，不同的是地中纵向移动的强度和范围要远大于地表，只有当盾构机推力不足时，后方地层的纵向移动才大于前方，如图7(a)所示。当盾构机推力大于9 600 kN后，后方地层的纵向移动的大小和范围都开始小于前方土体的纵向移动，而且前方土体的纵向移动逐渐向地表发展，与远处未受扰动或扰动较小的地层形成一个弧形的接触区域，在该区域内部即为盾构机推力的主要影响区域，随着盾构机推力的不断增加，该区域的范围不断扩大，如图7(b)、图7(c)所示。同时也可以看出，虽然该区域随推力的增加而扩大，但与地表交界处的最大隆起点的位置基本上没有发生变化。虽然地表的纵向移动较小，但对应的地中纵向移动，尤其是盾构机正前方的纵向移动是相当大的。

图7 不同推力下对称面纵向移动(单位:mm)

4 结论

1)土压平衡式盾构刀盘上的支护压力分布较为均匀，盾壳上的径向压力分布不均，呈现顶部和底部大，两侧小的特征，这说明盾构机推进时的摩擦阻力主要来自机壳的顶部和底部。

2)盾构机推力会对地层的竖向移动造成一定的影响，但盾构隧道开挖引起的地层沉降，尤其是后方沉降，主要受盾尾地层损失控制。

3)盾构机后方地层沉降可以引起一些地层的纵向移动，但地层(尤其是地中)的纵向移动主要受盾构推力控制。

4)盾构机推力的主要影响区域随盾构机推力的增大而扩大，但地表最大隆起点、最大纵向移动点的位置基本不变，它们的位置主要受地层性质决定。

5)在正常施工情况下，前方地表的隆起和纵向移动主要由盾构机正前方土体的纵向移动引起，故地表的最大隆起或纵向移动的数值远小于正前方土体的纵向移动。

［1］刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991:329-333.

［2］张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004:388-390.

［3］易宏伟.盾构法施工对土体扰动和地层移动影响的研究［D］.上海:同济大学，1999.

［4］周文波.盾构法隧道施工技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［5］夏炜洋，何川，葛蔚敏，等.成都地铁一号线盾构机下穿万福桥数值模拟分析［J］.铁道建筑，2009(4):46-48.

［6］王国栋，肖立，张庆贺.盾构在道路和铁路下推进引起的沉降对比研究［J］.铁道建筑，2010(10):57-60.

［7］方勇.土压平衡式盾构掘进过程对地层的影响与控制［D］.成都:西南交通大学，2007.

［8］土木学会(日)，朱伟(译).隧道标准规范(盾构篇)及解说［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.