地鐵盾構隧道施工對地層擾動的影響因素分析

方 勇，楊 斌，楊志浩，符亞鵬

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引 言

在修建城市地鐵區間隧道工程中，相對于其它施工方法而言，盾構工法具有對周圍環境影響小、施工安全快速等優點，目前已成為我國城市地鐵建設的主流施工方法。盾構掘進時不可避免地會對周圍地層產生擾動，其中盾構自身的施工過程參數是引起地層擾動的重要因素，這些施工過程參數包括掘削面支護壓力、盾構機超挖量、盾尾注漿壓力以及注漿的時間等。盾構施工引起的地層擾動一方面在地表引起不均勻沉降，另一方面直接引起地下近接結構物的變位，當變位不均勻時還會產生附加應力。通過合理地控制施工參數，可以有效地防止土壓平衡式盾構施工過程中過大的地層變位，有利于盾構機的順利掘進和確保既有地下結構物的正常使用。

盾構施工對地層的擾動主要包括地層位移、應力及結構承受水壓壓力的改變等方面。鄭宜楓，等[1]針對大型泥水盾構研究了不同施工工況條件下周圍土體的土壓力、水壓力和土體位移等參數的變化過程,分析了軟土地區盾構施工對周圍土體的影響規律。袁大軍，等[2]研究了大型泥水盾構掘進各階段對土體的擾動機制、擾動規律、影響范圍以及影響程度。杜進祿，等[3]研究了泥水盾構在推進過程中隧道周圍土體分層沉降及水平位移在時間和空間上的擾動規律。

盾構施工對地層擾動的分析方法主要包括現場測試、數值模擬、室內試驗及理論分析等。酈亮[4]采用現場測試和數值模擬相結合的方法研究了卵石地層盾構施工對周圍的擾動情況；徐永福，等[5-6]和易宏偉，等[7]分別采用現場測試、室內試驗及理論分析等方法研究了盾構施工對周圍地層的擾動機制、應力狀態變化情況以及地層力學性質的影響。在復雜地質條件下或近接建筑物進行盾構施工時，主要開展了盾構施工信息化、對地層擾動的開展標準、減小擾動的施工控制措施等進行了研究，以減小對地層的擾動和環境的影響[8-9]。

筆者通過對土壓平衡式盾構掘進的全過程數值模擬，來研究地層擾動對盾構施工參數的敏感性，以及在不同擾動程度下管片結構的荷載、結構的軸力和彎矩的改變。

1 數值模型

1.1 模型的建立

建立盾構掘進模擬的地層模型見圖1。其中隧道外徑為D=6 m，埋深為H=2D，模型長78 m，高43 m，寬36.5 m。在縱向上，為了開挖的方便，每隔1.5 m(管片幅寬)劃分一個網格，共18 928個單元和20 882個結點。計算中地層和管片的材料參數見表1，其中管片由于是采用螺栓連接的拼裝結構，在模型中采用均值體模擬是需乘以一剛度折減系數，模型中該折減系數取為0.8。屈服準則采用摩爾-庫侖準則。

圖1 地層模型Fig.1 Strata model表1 模型中的材料參數 Table 1 Material parameters in the model

名稱密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)彈性模量/MPa泊松比表層填土1700101020.39粉質黏土1960201850.36中砂220035150.35砂卵石230045450.33中風化泥巖230070050650.29注漿層22002100.20管片2700276000.20

1.2 盾構掘進過程模擬

在FLAC3D程序中，通常采用空單元法和剛度遷移法來實現盾構的掘進過程模擬。而在文中盾構掘進全過程的三維數值模擬中，大部分重要環節將被考慮，以盡可能的模擬出盾構施工對地層的擾動，這些環節包括：

1)盾構機的模擬：盾構機在隧道開挖過程中起到的作用主要包括掘削面支護壓力平衡、盾構機殼體剛性支護、超挖以及推進反力影響等。

2)盾尾空隙的模擬：盾尾空隙是引起周圍地層移動的主要因素，對盾尾空隙的模擬包括臨空面的產生、漿液的注入、漿液壓力的耗散與硬化等。

3)管片與注漿層的模擬：管片襯砌在注漿層硬化后產生支護作用，并考慮注漿層硬化的時效特性[10-11]。

4)后方臺車荷載。

土壓平衡式盾構掘進模擬的基本過程如圖2。

圖2 盾構掘進過程模擬示意Fig.2 Simulation schematic diagram of shield excavation process

2 施工參數敏感性分析

2.1 掘削面支護壓力

掘削面的支護壓力主要是用于平衡掘削面前方的水土壓力。何川，等[12]進行的室內模型試驗也表明，盾構掘削面頂推力對地表移動、臨近結構物變位等均有顯著影響。若支護壓力太大，會引起前方土體的隆起；若支護壓力太小，則會引起掘削面坍塌。因而，將掘削面的支護壓力控制在一個合理的范圍內，有利于盾構機的順利掘進。在穩定性較差的松軟地層中，支護壓力的大小與掘削面變形息息相關，對支護壓力的控制顯得尤為重要。在保持其它參數不變的條件下，分別取掘削面支護壓力為0.30，0.20，0.10 MPa進行計算。3種工況下，地表沉隆隨掘進步的變化如圖3(a)。由圖3(a)可以看出，盾尾通過前，掘削面支護壓力對地層的影響較大：支護壓力越大，地表隆起的量值及分布范圍也越大，盾尾通過后，地表的沉降受掘削面支護壓力的影響較小，最大沉降量也基本相同。盾構隧道貫通后，管片結構最終受力情況如圖3(b)、(c)、(d)。由圖3(b)、(c)可以看出，支護壓力為0.20和0.10 MPa的工況，兩者計算結果相近，而支護壓力為0.30 MPa時，管片結構受到的徑向土壓、軸力及最大正、負彎矩都具有明顯增加。故當超過平衡壓力后，增大支護壓力將引起最終管片結構的受力增加，而當支護壓力在一個合適的范圍內時，改變支護壓力幾乎不對管片結構受力產生影響。

圖3 掘削面支護壓力的影響Fig.3 The influence of cutting face support pressure

2.2 盾構機超挖量

在實際工程中，盾構機通常都存在一定的超挖量，該超挖量主要由刀盤的超挖量和盾構機殼體的楔型量兩部分構成，如圖4。通過超挖可以達到下面兩個目的：減小盾構機摩擦阻力和方便轉彎。由于該楔型量的存在，雖然盾構機殼體剛度很大，但隨著盾構機的推進，周圍土體同樣會向內移動，產生正的地層損失。

圖4 盾構機超挖的構成Fig.4 The composition of over excavation of shield machine

宋二祥[13]中采用理論分析與數值計算相結合進行的研究表明，盾構超挖將引起隧道結構內力減小。在保持其它條件不變的情況下，分別取超挖量為1.0，1.5，2.0 cm進行計算，計算結果如圖5。

圖5 盾構機超挖量的影響Fig.5 The influence of over excavation of shield machine

從地表沉降的動態變化曲線〔圖5(a)〕可以看出，在盾構機到達之前，不同超挖量下的地表隆起基本相同，或者說盾構機前方地表的隆起基本不受超挖量的影響，這與前面掘削面支護壓力的影響是不同的。當盾構機通過過程中，不同超挖量對地表沉降的影響便體現出來，即超挖量越大，地表沉降越大，這種影響一直持續到隧道完全貫通后。表2顯示了地表最大沉降與盾構機超挖量之間的關系。若從單位超挖量對最大沉降的貢獻量值上看，超挖量小時比超挖量大時要大得多。這也從側面說明了由于地層損失引起的地層早期變形速率是最大的，隨著時間的推移，地層變形速率逐漸減小，并最終收斂(地層較好時)。

表2 不同超挖量下的地表最大沉降 Table 2 Largest surface subsidence with different over excavation volume

以超挖1.0 cm和超挖2.0 cm兩種工況為例，計算結果表明，管片受到的徑向土壓力，前者比后者增大了23%(頂部)、15.7%(側部)和16.6%(底部)；管片軸力增大了20.6%(頂部)、17.7%(側部)和15.2%(底部)；管片彎矩增大了24.9%(負彎矩)和26.7%(正彎矩)。各種工況下，管片結構的受力如圖5(b)～圖5(d)。可以看出，減小超挖將引起管片徑向土壓力及軸力在管片結構整個范圍內都增加，管片彎矩則體現為最大正負彎矩的增加。而且從增加的量值上看，隨著超挖的減小，單位超挖量引起的結構受力改變量也隨之減小。管片受到的徑向土壓力、管片軸力和彎矩增加，說明了地層的應力或位移釋放率減小。故減小盾構機超挖量可以減小地層的應力或位移釋放率，進而增大管片結構的受力。

2.3 盾尾注漿壓力

由于盾尾空隙的存在，管片脫環后周圍地層會出現一個臨空面，使得地層向內移動。盾尾注漿的目的就是填充盾尾空隙、阻止地層移動。盾尾注漿的方式有多種，目前施工中的盾尾注漿主要采用同步注漿方式。孫闖，等[14]的研究表明：注漿壓力過小，會導致地表沉降量過大；注漿壓力過大，地表會產生隆起。本次數值模擬中通過向臨空面施加法向壓力來模擬漿液對地層壁面的支撐作用，在保持其它條件不變的情況下，分別取盾尾注漿壓力為0.05，0.15，0.25 MPa進行計算，計算結果如圖6。從地表的沉降曲線可以看出，在盾構機到達之前以及盾構機通過時，地表的沉隆基本上與盾尾注漿壓力無關，當盾構機通過后，不同注漿壓力引起的地表沉降差異開始體現出來，而且這種差異隨著盾構機的推進一直存在，直到隧道完全貫通。由于注漿壓力的支撐作用，地層向隧道內的擠入以及地表沉降等也就得到了控制，故注漿壓力越大，地表的沉降也就越小。注漿壓力與地表最大沉降之間基本上呈線性關系，如表3。

圖6 盾尾注漿壓力的影響Fig.6 The influence of shield tail grouting pressure表3 不同注漿壓力下的地表最大沉降 Table 3 Largest surface subsidence with different grouting pressure

盾尾注漿壓力/MPa0.050.150.25最大沉降/mm15.8014.4413.13

地表位移越小，說明隧道開挖引起的應力釋放率或位移釋放率也越小，因而增加盾尾注漿壓力可以在一定程度上減小應力或位移釋放率。但隨著應力或位移釋放率的減小，管片結構受到的徑向土壓力以及管片內力必然增大。各種工況下，管片結構的受力如圖6(b)～(d)，可見增加注漿壓力的雖然在一定程度上減小了地表沉降，但卻引起管片結構的徑向土壓力和管片軸力大幅度增加。與管片徑向土壓和管片軸力不同，管片彎矩受注漿壓力的影響較小，而且隨著注漿壓力的增加，管片彎矩還得到了一定的降低。

2.4 盾尾注漿時間

盾尾注漿的目的在于有效的填充盾尾空隙，抑制地層移動。山崎広宣，等[15]認為，盾尾注漿時間對地表沉降產生影響。盾尾注漿的最佳注入時期，應在盾構推進的同時進行注入(同步注漿)或者推進后立即注入(及時注漿)。地層的土質條件是確定注入時間的先決條件，對于易坍塌的松軟地層而言，必須在盾尾空隙產生的同時對其進行背后注漿，若盾構機所在地層土質堅硬，自穩能力較強，盾尾空隙產生后地層能夠較長時間穩定，并不一定非得在產生盾尾空隙的同時進行背后注漿。可見，盾尾注漿的時間決定了脫環后地層臨空面的存在時間，因而對地層的移動具有一定影響。數值模擬中同樣采用不同的臨空面存在時間來模擬不同的盾尾注漿時間。由于具體的注漿時間難以明確界定，故模擬中僅采用“很及時”、“及時”與“不及時”來粗略地表達注漿時間的早晚。比較的基準工況為“及時”注漿，模擬中分別對“很及時”和“不及時”兩種工況進行計算，計算結果如圖7。從地表沉降曲線來看，盾尾注漿的時間仍然只影響盾構機通過后的地表沉降，盾尾注漿越晚，地層臨空面的存在時間越長，地表沉降也就越大，如表4。

圖7 盾尾注漿時間的影響Fig.7 The influence of shield tail grouting time表4 不同注漿時間下的地表最大沉降 Table 4 Largest surface subsidence with different grouting time

注漿時間很及時及時不及時最大沉降/mm13.9714.4415.46

盾尾注漿的早晚也影響盾構隧道開挖后的應力釋放率，注漿越早，地層臨空面存在時間越短，地層的位移或應力釋放率也就越小，反之越大。故注漿也必然影響到管片結構的受力，如圖7(b)～(d)。可以看出，管片上的徑向土壓及管片軸力受注漿時間的影響較小，而管片彎矩受注漿時間的影響較大。比較注漿“很及時”和“及時”兩種工況，管片受到的徑向土壓，前者比后者增大了8.0%(頂部)、0.7%(側部)和4.7%(底部)；管片軸力增大了6.3%(頂部)、3.6%(側部)和1.5%(底部)；管片彎矩增大了15.3%(負彎矩)和16.0%(正彎矩)。

3 結 論

通過土壓平衡式盾構掘進過程的數值模擬，可以得出如下結論：

1)掘削面支護壓力是掘削面前方地表沉隆的主要因素，支護壓力越大，地表隆起越大。當支護壓力在一個合適的范圍內時，改變支護壓力幾乎不對管片結構受力產生影響，但當支護壓力超過平衡壓力后，增大支護壓力將引起最終管片結構的受力增加。

2)盾構機超挖量、注漿壓力及注漿時間等對地層位移、結構荷載及內力均具有較大影響。超挖量越大，地表沉降越大，同時開挖引起的應力釋放率越大，并使得管片結構的徑向壓力、軸力和最大正負彎矩均減小。增加注漿壓力可在一定程度上減小地表沉降，但卻引起管片結構的徑向土壓力和管片軸力大幅度增加，且增加了封頂塊剪壞的危險。注漿越早，地層的位移或應力釋放率也就越小，管片受力越大，反之位移和應力釋放率較大，管片受力變小。

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