地铁盾构隧道施工对地层变形影响的三维数值模拟

王忠昶，王熙文，唐静

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

地铁隧道施工的方法主要有明挖法、盖挖法、沉管法、传统矿山法、新奥法、盾构法、TBM法等[1].其中通过盾构机掘进来实现隧道开挖、排土、衬砌拼装的盾构法[2- 5]，凭借其施工安全、工期短且对环境影响小的特点，已成为隧道施工的首选[6- 7]，但盾构法仍存在盾构推进造成周边地层扰动的问题[8- 9]，地铁施工过程中要对地层变形和地面沉陷高度警惕，盾构施工应控制地面沉降处于可控范围，控制地面沉降是城市地铁施工当中的热点研究问题.

本文以南京地铁玄武门—新模范马路区间盾构隧道为背景，考虑盾构隧道施工中的开挖、排土、衬砌等工序，采用FLAC3D软件建立了盾构隧道开挖的三维数值计算模型，分析隧道盾构施工引起的地层沉降变形规律.

1 工程概况

南京地铁玄武门—新模范马路盾构区间隧道，起始里程为K11+591.899，终止里程为K12+422.189.盾构隧道线路的坡形为V形坡，最大纵坡30‰.隧道埋深8.0～14.5 m.隧道位于中央路下方，中央路属于主干道，地面交通繁忙，道路两侧和正上方建(构)筑物较多.在盾构施工过程中需要严格控制地层沉降，确保地面交通正常运行以及周围环境的安全.盾构隧道所处地层主要为淤泥质粘土、粉质粘土和粉细砂土.盾构机掘进参数：掘进上部土压力为0.13～0.21 MPa，下部土压在0.19～0.28 MPa之间，速率为60 mm/min，尾部注浆压力为0.25 MPa，注浆量3.2 m3/环.

2 数值模拟隧道盾构施工

2.1 模型建立

采用FLAC3D软件，针对城市盾构法施工隧道建立三维数值模型，如图1[10].隧道衬砌结构外径6 m，内径5.4 m，隧道埋深为13.8 m.考虑到隧道左右对称性，取1/2模型进行计算.模型36 m×60 m×37.8 m(X×Y×Z)，平行隧道横断面水平向为x轴，竖向为z轴，沿隧道轴线推进方向为y轴.

图1 盾构隧道数值计算模型

模型共划分21 200个单元.考虑地面超载，计算过程中地面施加20 kPa的均布荷载.

2.2 盾构推进模拟

盾构推进前需先通过对模型施加重力荷载来计算土体初始自重应力场，然后将土体自重引起的位移清零，方可进行下一步的盾构推进.隧道盾构推进模拟的步序为：

(1)掌子面开挖土体，施加掌子面压力(模拟土仓压力作用)，调整盾壳和超挖地层的计算参数；

(2)计算开挖到盾尾长度，盾尾调整盾壳参数为注浆参数(2.4 m范围)，施加环向压力(模拟注浆压力作用)，调整二衬结构参数；

(3)继续开挖，调整注浆体参数，删除环向压力.

2.3 数值计算参数的选取

土体采用弹塑性模型.遵循摩尔库伦屈服准则，注浆体、管片、超挖间隙采用弹性模型，具体参数见表1.

表1 盾构区间土体及管片的力学参数

3 计算结果及分析

3.1 隧道开挖的地层变形分析

图2给出了隧道不同掘进距离时的地层沉降云图，由图可见，隧道掘进过程中，地层沉降存在明显的时间效应，盾构始发端的地层沉降较大.盾构掘进30 m时，地层最大沉降变形为27.74 mm，发生在隧道拱顶注浆体上部；最大隆起值为28.97 mm，发生在隧道仰拱部位.盾构隧道掘进贯通时，地层最大沉降变形为35.28 mm，同样发生在隧道拱顶注浆体上部；最大隆起值为28.75 mm，发生在隧道仰拱部位.隧道掘进超过30m时，后续沉降值为7.54 mm，后续沉降占最大沉降变形的21.4%.

(a) 隧道掘进30 m (b) 隧道贯通

图2隧道不同掘进距离时的地层沉降云图

图3给出了隧道不同掘进距离时的地层水平变形云图，由图可见：隧道开挖过程中，受注浆压力的影响，隧道侧面地层出现偏离隧道的水平变形，上下45°方向的地层出现偏向隧道的水平变形，角度主要与地层参数有关.隧道掘进30 m时，侧向水平变形最大正值为19.00 mm，斜向最大水平变形负值为4.41 mm.隧道贯通时，最大侧向正水平变形为22.68 mm，斜向最大水平变形负值为5.87 mm.

(a) 隧道掘进30 m (b) 隧道贯通

图3地层的水平变形云图

图4给出了隧道不同掘进距离时的纵向变形云图，由图可见：由于掌子面压力的存在，掌子面前方出现不同程度的土层压缩变形，出现偏向地面的趋势，最大压缩变形为20.86 mm，掌子面上部比下部压缩变形大.隧道贯通时，地层纵向最大变形9.61 mm，最大变形区域为隧道拱顶部位.

(a) 隧道掘进30 m (b) 隧道贯通

图4隧道不同掘进距离时的纵向变形云图

3.2 地层横向变形规律分析

图5给出了不同埋深时的地层沉降曲线，由图可见：随着地层埋深的增加，隧道中心最大沉降值逐渐增大，沉降速率逐渐增大；同一地层中距离隧道轴线水平距离越远，沉降值越小；随着地层埋深的增加，沉降槽宽度逐渐减小.

图5 不同埋深地层的沉降曲线

图6给出了隧道不同进尺时的地表和拱顶沉降曲线.由图6(a)可见：盾构机向前推进过程中，地表沉降随之增大.当监测点处恰好处在开挖掌子面时，地表最大沉降最大值为4.12 mm，盾壳通过后地表沉降最大值为9.07 mm，注浆体凝固后地表沉降最大值为10.26 mm，地层变形稳定后地表沉降最大值为15.28 mm，各阶段沉降占比分别为27.0%，32.4%，7.8%，32.8%，通过管片壁后注浆能够显著减小此阶段的沉降占比.由图6(b)可见：当盾构刀盘到达监测点位时，隧道拱顶沉降为0.9 mm，拱顶部位因为掌子面土仓压力的施加，拱顶出现明显隆起.盾壳通过后拱顶最大沉降为19.3 mm，注浆体凝固后拱顶最大沉降为22.6 mm，地层变形稳定后拱顶最大沉降值为29.0 mm.

(a) 地表沉降

(b) 拱顶沉降

3.3 地层纵向变形规律分析

图7给出了Y=30 m断面的地层纵向沉降云图，图8给出了Y=30 m断面不同埋深监测点的沉降历时曲线(图中右侧从上到下埋深分别为0、4、8、12和13.65 m).由图可见：随着地层埋深的增加，地层沉降值逐渐增大.地层沉降历时曲线呈现出反“S”形，盾构掌子面前方土体出现少量的隆起变形，随着盾构机的掘进施工，在掌子面处，地层沉降变形急剧增加，并逐渐趋于平缓.从图中可以看出，盾构施工对拱顶土体的扰动作用明显比地表的扰动作用明显，越靠近地表，扰动作用越小.盾构机对地层的扰动作用具有明显的时间效应，地表的沉降变形明显早于拱顶的沉降变形.

图7 Y=30 m断面地层纵向沉降云图

图8 不同埋深监测点沉降历时曲线

4 结论

本文以南京地铁玄武门—新模范马路区间盾构隧道为研究对象，采用FLAC3D软件建立了三维数值计算模型，模拟隧道盾构法施工对地层变形的影响，分析隧道盾构施工引起的地层沉降变形规律，得出以下结论：

(1)在隧道掘进过程中，地层沉降具有明显的时间效应.同时地层的最大沉降、最大隆起分别出现在隧道拱顶注浆体上部及隧道仰拱部位；

(2) 盾构隧道施工诱发的地层横向沉降变形，随着地层埋深的增加，最大沉降值逐渐增大，沉降槽宽度逐渐减小.掌子面压力的存在，使掌子面前方出现不同程度的土层压缩变形，较好的控制了掌子面的稳定.壁后同步注浆，造成隧道周围侧向地层出现一定的压缩变形；

(3)盾构机向前推进过程中，地表沉降也随之增大.当监测点处恰好处于开挖掌子面上时，地表沉降达到最大，最大值为4.12 mm，盾壳通过后地表沉降最大值为9.07 mm，注浆体凝固后地表沉降最大值为10.26 mm，地层变形稳定后地表沉降最大值为15.28 mm，各阶段沉降占比分别为27.0%，32.4%，7.8%，32.8%，说明通过管片壁厚注浆，能够显著减小此阶段的沉降占比；

(4)地层沉降历时曲线呈现出反“S”形，盾构掌子面前方土体出现少量的隆起变形，随着盾构机的掘进施工，在掌子面处，地层沉降变形急剧增加，并逐渐趋于平缓.盾构施工对拱顶土体的扰动作用明显比地表的扰动作用明显，越靠近地表，扰动作用越小.盾构机对地层的扰动作用具有明显的时间效应，地表的沉降变形明显早于拱顶的沉降变形.

参考文献：

[1]丁文其,杨林德.隧道工程[M]. 北京：人民交通出版社, 2012.

[2]张厚美. 盾构隧道的理论研究与施工实践[M]. 北京：中国建筑工业出版社,2010.

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