盾構過富水砂層對地表建筑物影響的研究①

劉國楠，張遠榮，肖文海

（中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東 深圳 518034）

0 前言

在沿海、沿江地區常遇到地下水量豐富且強透水性的砂層，盾構開挖會引起砂層孔隙水快速滲透和砂土屈服變形導致地面沉降。當地面有建筑物時，建筑物基礎下方的砂層受擾動屈服后，荷載作用促使土體孔壓升高，進一步加快孔隙水的滲流，對建筑物地基的影響問題更為突出。研究富水砂層中的盾構開挖與地面建筑物沉降的關系，有助于在工程中合理選取盾構施工參數，指導盾構機施工操作，確定合理的地層預加固方案。

本文結合深圳地鐵2號線某工點工程實際，采用流固耦合水土模型和FLAC3D程序，用數值模擬的方法分析研究富水砂層盾構施工對地面建筑物的影響問題。取得的結果可指導預加固處理設計和盾構施工。

1 工程實例

深圳地鐵2號線東角頭站至海上世界站區間，雙線隧道長約1600m，場地原屬于海漫灘地貌，后填海形成陸地，現為城市鬧市區。該區間下有厚度8～10m的富水粗砂、礫砂層，地下水位在地面下1 m，水量豐富。地面建筑物密集，以天然地基的多層磚混住宅為主。本文選該區間的一段進行盾構施工數值模擬。

隧道為單圓盾構襯砌結構，管片外徑6.0m，厚度0.3m，環寬1.5m，襯砌分6塊，采用錯縫拼裝。

本文研究段為地面建筑物重點保護段，布置地面和建筑物沉降監測點如圖1所示。

圖1 模擬工點平面圖Fig.1 Layout plane of simulated project.

2 數值模擬方法

2.1 建立數值模型

2.1.1 幾何模型

選自東向西里程為ZK4＋340m～＋430段作為本次數值模擬對象。依據勘察資料，用FLAC3D軟件建立場地模型［1］，計算模型尺寸和地層構造如圖2所示。定義X方向為橫向，Y方向為隧道縱向，Z方向為豎向。

2.1.2 本構模型和結構單元

圖2 計算模型Fig.2 Computational model.

巖土體實體單元采用摩爾－庫倫模型；盾構開挖的土體單元采用空模型；盾構鋼殼采用三維殼體單元；預制混凝土襯砌管片采用襯砌單元；間隙單元采用軟單元來模擬，其彈性模量定義為10kPa；漿液單元彈性模量隨凝固時間增加取值從1MPa增至40MPa。

分析采用有效應力法，并考慮水土的流－固相互作用。假定孔隙水滲流符合達西定律，可以得出孔隙水滲流的連續性表達式［2－3］：

式中：k為土的滲透系數；t為時間；γw為水的容重。結合土體運動平衡關系、變形幾何關系和有效應力下的本構關系可推導出位移和孔壓表示的滲流固結協調方程式：

式中：G為砂土的剪切模量；v為泊松比；p為孔隙水壓力；ρ為與飽和度相關的砂土密度；u、v和w 為單元位移函數和為單元位移速率函數。

2.1.3 邊界條件和初始條件

模型底面為不透水邊界且所有節點固定；模型左側和右側約束水平方向運動，正面和背面約束縱向運動；所有側面設定為孔壓不變的透水邊界。場地初始孔隙水壓地下1m為零，以下為靜水壓力。在模型正上方設定有一座7層樓高的建筑物，基礎面積6m×21m。基礎附近應力7.5×104Pa。

2.1.4 材料參數

盾構開挖數值模擬部分材料采用的力學參數如 表1所示。

表1 模擬計算參數

2.2 場地初始模型

在上述模型的基礎上，求解出場地初始模型，此狀態代表盾構施工前的孔壓和場地應力狀態。場地地層的初始孔壓為靜水壓力，從地下1m處0Pa線性增大至3.1×105Pa。圖3是場地初始模型中心橫剖面有效應力分布，在建筑基礎下方存在附加應力擴散形式。

圖3 中心橫剖面有效應力Fig.3 Effective stress distribution on the cross profile of model center.

2.3 隧道開挖模擬

對盾構開挖施工過程采取分節的方式模擬計算，每節開挖并進行流－固耦合計算后，通過相關單元的變更替換來模擬盾構機推進過程。參考盾構開挖相關技術見文獻［4］，本文模擬盾構施工時對不同位置單元節點施加的主要荷載如圖4、圖5所示。

圖4 盾構機荷載示意圖Fig.4 Sketch of load on the shield.

2.4 模擬結果對比

圖5 盾構機施加荷載示意圖Fig.5 Sketch of shield applied load.

圖6標識了地表沉降計算點、實測點與孔壓計算點位置，其中D1、D2、D3為地表建筑物計算沉降點；H1、H2、H3為地面沉降計算點；106、107為地表建筑觀測點；Y77、Y78為地面沉降實測點；A、B、C、E、F、G為孔壓計算點。

圖6 實測點與計算點位置Fig.6 Position of measuring pionts and calculation points.

D2點在盾構施工過程中的沉降發展過程如圖7中的虛線所示。盾構推進時，該點先隆起，隆起量約10mm；盾構開挖通過時地表開始產生沉降，沉降量約20～30mm；盾構離開后，地表沉降趨于穩定。該變化規律與地面實測的沉降基本一致（圖7中實線）。上述對比說明，本文采用的盾構施工對地面沉降影響的數值模擬方法合理可信。

圖7 隧道計算與實測沉降Fig.7 Calculated and observed subsidences on the axis and the across section of the tunnel.

縱剖面上深度6m的B點和深度為10m的F點計算孔壓變化曲線如圖8所示。盾構推進時，掌子面孔隙水壓力先上升，盾構完全通過時，孔隙水壓力消散，隧道管片安裝后，孔隙水壓力逐漸恢復且趨于穩定。靠隧道拱頂位置越近，孔壓變化越大。

圖8 隧道縱剖面B和F點孔隙水壓力消散變化曲線Fig.8 Calculated pore pressures curves at point B and Fon the axis section of the tunnel.

3 對地表建筑物的影響分析

按圖9所示的天然地基建筑物位于隧道縱向中心線上方、距隧道一倍埋深、距隧道二倍埋深位置三種工況，分別進行盾構施工影響數值模擬分析。

取模型中間1／3作為計算域，在計算時選取部分觀測點如圖10所示。

3.1 工況一

盾構開挖時隧道中心縱剖面孔壓分布如圖11所示。盾構頂推作用使得掌子面前方土體孔壓升高，掌子面排水導致盾構上方拱頂土體孔壓下降。

圖9 三種計算工況建筑物位置示意圖Fig.9 Position Sketch of three buildings.

圖10 計算模型觀測點示意圖Fig.10 Sketch of measuring points of model.

圖11 盾構開挖時隧道中心縱剖面的孔壓分布圖Fig.11 Pore pressure distribution on the axis profile of the tunnel.

隧道中心縱剖面地表各點沉降變化曲線如圖12所示，從觀測點A6、A11和A16沉降變化曲線可以看出開挖面到達Y＝45m處時，建筑物基礎先微傾斜；繼續開挖到過72小時后，即基礎正下方隧道挖掘完成后，建筑物基礎沉降速率加大；經過120個小時，即隧道挖掘結束后，兩端沉降速率變緩，沉降值相近。

隧道開挖后地層產生變形的原因主要有以下幾方面：一是隧道開挖后隧道圍巖應力得到一定的釋放，產生徑向收縮，這也是隧道開挖地層損失的重要原因；二是在富水砂層中由于隧道開挖產生開挖失水，砂土中孔隙水壓力減小，有效應力增大，導致土骨架被壓縮，發生整體沉降變形；三是隧道開挖對隧道周邊的土體產生擾動，導致土體承載力下降，土體發生膨脹、擠密、甚至流動等變形。

圖12 隧道中心縱剖面地表各點沉降曲線Fig.12 Ground settlement curves of some calculation points on the ground surface of axis profile of the tunnel.

如圖13所示，受建筑物基礎附加應力的影響，由于基礎下方土體受到擾動和外荷載共同作用導致基礎沉降較大，其沉降量是周邊地面沉降量的7～10倍。基礎下沉和地表土體向中間靠攏。

圖13 模型中心橫剖面豎向位移等值線圖Fig.13 Z－disp.contours in cross section of the tunnel.

3.2 工況二

工況二建筑物基礎位置在隧道右側斜上方45°方向上，該方向恰是隧道開挖后圍巖剪應力主方向，另外基礎荷載產生的剪應力主方向在左下方45°方向上。兩個荷載的剪應力主方向相向使基礎與隧道之間的土體容易受剪切破壞，塑性破壞區域甚至貫通。圖14所示該部位的土體橫向和豎向變形較大，由于該部位土體向基礎左下方移動，勢必擠壓基礎左側土體和隧道正上方土體的向上隆起，這些部位土體的隆起值比右邊土體的隆起值大。因基礎偏離隧道，最大沉降量減小。

3.3 工況三

圖14 模型中心橫剖面橫向位移平面等值線圖Fig.14 X－disp.contours in the cross section of the tunnel.

由于工況三的建筑物基礎偏離隧道較遠，相比工況一與工況二而言，基礎下方土體受隧道開挖影響較小，基礎附近孔壓變化較小。基礎下方土體附近的橫向位移值比工況一大，比工況二小。如圖15所示計算結果表明基礎豎向最大沉降值約5mm。

圖15 模型中心橫剖面豎向位移平面等值線圖Fig.15 Z－disp.contours in the cross section of the tunnel.

3.4 三種工況下影響比較分析

三種工況下，豎向位移分布規律的共同點是基礎下方土體沉降隨深度增加沉降逐漸減小，基礎中心的沉降比基礎邊緣的沉降大。

如圖16所示，工況一、工況二及工況三的基礎中心最大沉降分別為22.9mm、7.01mm 和5.3 mm。工況一基礎沉降大，基礎兩側附近土體隆起值也較大，工況二的基礎左側附近土體的隆起值比右側附近土體的隆起值大2～3mm。由于工況三的基礎中心離隧道中心線較遠，盾構開挖對該工況基礎兩側土體影響較小，基礎兩側土體隆起值相近，量值較小。

圖16 隧道橫剖面上地表沉降曲線Fig.16 Ground settlements in the cross section of the tunnel.

如圖17所示，工況一基礎中心在隧道中心線的位置上，場地條件對稱，橫向位移量值很小；工況二的基礎在隧道右上斜45°方向上，基礎橫向位移較大，方向指向隧道中心縱剖面；工況三的基礎中心線遠離隧道中心線，橫向位移介于工況一和工況二之間。

圖17 基礎中心下方地層橫向位移沿深度分布圖Fig.17 Lateral displacement curves with depth under the foundation.

如圖18所示，工況一基礎下方豎向沉降近23 mm，從地下6m開始減小。從地下10m到12m，由于土體受隧道開挖脫空的影響較大，土體豎向位移值逐漸增大。工況二和工況三的基礎下方豎向位移從基礎底部開始逐漸減小，到地下5m處豎向沉降基本穩定在2mm以內。

圖18 基礎中心下方地層豎向位移沿深度分布圖Fig.18 Vertical displacement curves with depth under the foundation.

4 結語

根據深圳地鐵2號線盾構過富水砂層施工實例，借鑒相關文獻［5］盾構數值模擬經驗，用FLAC3D建立與工程相符的數值模型。在相對隧道的三個典型位置上分別設定同樣的建筑物，比對盾構過富水砂層后建筑物受到的影響得到以下結論：

（1）在富水砂層上的建筑物下穿盾構開挖隧道時，由于砂層的強透水性和易液化的特性，建筑物工后沉降明顯，盾構開挖過程重點監測建筑物下方砂層降水和孔壓變化，沿開挖方向在建筑物上密集布置差異沉降監測點。

（2）對于橫向偏離隧道中心一倍隧道埋深的建筑物，工后建筑物水平移動最大，易受剪切破壞，盾構開挖下穿時，應加強建筑物在垂直隧道開挖方向上的差異沉降和地表的差異沉降的監測。

（3）建筑物基礎中心離隧道中心橫向距離超過兩倍隧道埋深時，盾構開挖對建筑影響較小，重點監測建筑物下方砂層降水即可。

［1］LAC3DFast Lagranggian Analysis of Continua User＇s Guide［M］.Intasca Consoulting Group Iinc，2008.

［2］陳仲頤 周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京：清華大學出版社，1992.

［3］FLAC3DFluid－Mechanical Interacting Manual［M］.Intasca Consulting Group Linc，2008.

［4］陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［5］張海波，劉國楠，高俊合.盾構近距離掘進對橋梁樁基的影響分析［J］.鐵道建筑，2007，08：37－40.