地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究高治华

地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究高治华

高治华

西北综合勘察设计研究院陕西西安710003

摘要：以某市轨道交通某区间盾构隧道施工过程中地表沉降的监测数据为基础，采用FLAC3D有限差分软件建立模型，对盾构施工开挖过程进行模拟，计算隧道开挖引起的地表沉降量。讨论了不同围岩应力释放条件下地表变形规律，以及隧道围岩在相同应力释放条件下在掌子面施加支护力前、后地表变形间的联系，同时将模拟计算得到的变形数据与工程实测数据进行比较分析。

关键词：盾构隧道；地表沉降；数值模拟；施工过程

1前言

盾构法作为一种机械化施工工法，具有施工速度快、节省人力且不受气候影响等优点，已成为隧道施工的主要工法。然而，在盾构推进过程中，由于受到盾构推进对周围土体的挤压、刀盘的切削扰动、盾构机与土体之间的摩擦、土层损失带来的土体松动、及盾尾注浆挤压等因素的影响，难免对隧道周围土体产生扰动引起地表及隧道的沉降，该问题在软土地区盾构隧道中更为突出。

计算机技术对工程实体进行科学的数值模拟能够有效的预测和解决工程中出现的问题。有限差分对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”，该方法在进行大变形非线性问题模拟或模拟实际可能出现的不稳定问题时，最为有效。本文某施工段地表变形监测数据，采用FLAC3D有限差分软件建立三维盾构施工模型，对围岩在不同应力释放下及恒定围岩应力释放程度掌子面施加支护压力两种状态进行模拟，分析其地表变形规律，并且将模拟得到的结果与工程实测数据进行比较。

2工程概况

某区间隧道采用盾构法施工，区间最小曲线半经Ｒ=2000m，线间距15.5m，最大坡度－22‰，隧道埋深8～16.5m。采用直径6.44m土压平衡盾构机，管片衬砌外径6.2m，内径5.5m，厚度35cm，环宽1.2m，拼装时衬砌环可按需要旋转，并按错缝进行拼装。隧道区间覆土情况为：埋深0～1m范围内为混凝土、碎石等城市道路路基填筑层：埋深1.5～4.8m范围内为粘性土、碎石角砾局部夹杂少量粉土：埋深5～10.5m范围内为淤泥质粘土及泥炭质土，呈软塑状，局部可塑，具高压缩性。埋深10.5～20m范围内主要以粘土、砾石为主，为中～低压缩性土层。为了掌握控制盾构掘进过程对工程周边环境的影响，加强对施工现场建设风险管理，对施工过程实施全面有效的监控是相当有必要的。项目共计对隧道区间开挖范围内的地表道路布设705个监测点进行地表沉降监测。

3计算模型建立

3.1基本假设

盾构机开挖掘进、管壁支护是一个复杂的三维空间问题，其中工程所处的岩土介质大多以分层、各向异性的非均匀介质存在。所以在建立数值模型时有必要根据工程特点及考虑影响隧道沉降的主要因素，对隧道开挖和支护模型进行简化。本次建立FLAC3D模型的基本假设为：

（1）假设工程所在土层间存在均匀应力场，其竖直方向考虑重力作用，侧向应力为重力乘以侧压力系数。

（2）将复杂的岩土介质进行简化。采用基本的弹性模型，考虑隧洞应力释放模拟开挖引起的土体变形情况，更好的反应实体单元的变形情况，在小变形情况下的变形特征。

（3）假设盾构开挖、管片拼装在同一时间进行，不考虑该过程导致的土体损失。忽略开挖过程中盾尾注浆过程对隧道的影响。

3.2模型建立

建立模型的尺寸、网格精度及边界条件的设置是保证计算准确性的重要前提。对于模型建立尺寸的确定根据已有研究经验设置。隧道埋深12m：隧道底部土层厚度以大于3D（D为隧道直径）取值为22m：模型横向尺寸取距隧道中心5倍的直径取30m。模型横截面尺寸为60m（x）×37m（z），纵向长度为84m（y）：土层计算参数设密度为1800kg/m3，泊松比为0.35，体积模量为6.67×106Pa，剪切模量为2.22×106Pa。土层网格精度对隧道主要影响范围取10m×10m，采用由隧道中心发散状分布和矩形环装分布，边缘为2m×1m的单元格：隧道上层覆土为2m，网格大小为2m×1m：周围土体采用2m×2m大小的单元格均匀分布，整个模型共设6组土体。为模拟实际受力条件，采用位移边界，即：底部采用固定约束，左侧和右侧边界为约束x方向约束，前、后边界为约束y方向位移，地表为自由边界。

3.3盾构施工过程模拟

隧道支护结构的模型采用弹性模型，为达到模拟盾构开挖后支护管片的效果，通过预先设置好的支护管片位置模块的材料属性，在开挖后由计算的“步数”替换原来土层的材料属性，进而完成支护。盾构隧道衬砌模拟采用C60混凝土，衬砌厚度为0.35m，取重度为2500kg/m3，体积模量为16.67×109Pa，剪切模量为12.5×109Pa。控制网格纵向划分为1.2m，以模拟实际拼装衬砌管片。

4计算结果及分析

4.1计算结果

考虑模型计算过程中存在边界效应，为此忽略边界开挖的过程。从实际计算结果来看：模型Y方向0～12m范围内，计算结果与实测值之间也存在较大误差。计算结果以开挖位置为20环至42环横断面在不同应力释放条件下地表沉降数据为准。对不同开挖面横断面地表沉降数值对比，可以得出：

（1）应力释放程度越大，土体变形越大，地表沉降变形越大。以掘进面到达35环位置时为例，应力释放“step100”拱顶沉降13.1mm：应力释放“step200”拱顶沉降17.6mm。

（2）随着盾构掘进深入，不同开挖面横断面距隧道中心线相同位置节点的地表沉降数值呈减缓趋势。在开挖掌子面存在最大沉降，掌子面上方地表沉降值在17mm左右：后者掌子面上方地表沉降值为20mm左右。两者开挖后均出现拱底隆起现象。原因在于开挖土体卸载后隧道底部土体发生回弹，进而引起基底的隆起。阶段性的应力释放程度越大，隧道的阶段变形也越大，应力释放程度的增大同样引起了基底隆起程度的增大。

4.2工程实例对比分析

工程实测数据以隧道地表沉降实测数据为对照。实测数据表明：在盾构刀盘位置处地表出现6mm左右沉降：在掘进方向前方10m范围内出现地表超前沉降：10m～20m范围内出现2mm左右的地表隆起。模拟计算结果显示，模型开挖至第20环（24m）时，在掘进面前方0～8m范围内出现地表沉降，且距开挖面越远，沉降值越小：在9m～20m范围内出现地表隆起，隆起值在1mm左右。且随着距开挖面距离增大，地表隆起值减小。将隧道开挖至20环时模拟值与实测值进行对比。纵断面地表沉降均呈反“S”趋势，由模拟计算得到的纵断面地表沉降规律，与实测规律基本一致。仅在具体沉降数值之间有一定差异，究其原因主要有方面，一方面由于模型建立时对工程环境进行的一系列有效简化，另一方面由于计算时只考虑了盾构掘进过程土体应力释放和掌子面施加支护力对地表沉降的影响，忽略了其他引起隧道地表变形的因素。

5结束语

（1）围岩土体应力释放程度对隧道地表变现有密切关系，应力释放程度越大，地表变形越大。

（2）通过在掌子面施加支护力后，地表沉降明显受到支护力的抑制。由于计算模型中存在边界效应，施加支护力后在开挖初期的竖向位移反而增大。

（3）采用计算机技术对工程进行科学的数值模拟能够有效的预测和解决施工过程中出现的问题。

参考文献：

[1]谢雄耀，王培，李永盛，牛建宏，覃晖.甬江沉管隧道长期沉降监测数据及有限元分析[J].岩土力学，2014，35（08）：2314-2324.

[2]娄国充.铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究[D].北京交通大学，2012.