基于ABAQUS模型的軌道交通盾構施工引起地表沉降分析

張寶良，李大華，徐子方，周冬青，李季佩

（1.安徽建筑大學土木工程學院，安徽合肥230601；2.國網安徽省電力公司經濟技術研究院，安徽合肥23000）

基于ABAQUS模型的軌道交通盾構施工引起地表沉降分析

張寶良1，李大華1，徐子方2，周冬青1，李季佩1

（1.安徽建筑大學土木工程學院，安徽合肥230601；2.國網安徽省電力公司經濟技術研究院，安徽合肥23000）

盾構施工造成的地表沉降越來越受到重視，在開挖的過程中如何保證土體的穩定和嚴格的控制地表沉降是當前研究的重點.以合肥地鐵一號線為工程背景，利用ABAQUS軟件進行模擬，對盾構施工引起地表沉降的因素進行分析，并結合地表沉降監測數據，與模擬數值做比較，結果表明：盾構掘進壓力越大，地表沉降越小；盾構襯砌的同步注漿層厚度越大，對盾構施工產生的縫隙填充效果就越好；地表沉降量隨著開挖深埋的增加而減小；注漿層彈性模量越大，地表沉降越小.最后將模擬數值與監測數值進行對比，結果基本吻合，說明該研究具有一定價值.

地鐵盾構；數值模擬；地表沉降；ABAQUS

目前我國城市處在快速發展時期，城市土地被高度利用，建筑物密集，人流量大，尤其在繁華地段交通壓力急劇增大.地鐵盾構施工時，會對鄰近的建（構）筑物、管道及道路造成不利影響；結合實際的復雜工況，地鐵盾構施工的難度系數驟增.近年來，地鐵坍塌事故已發生多起，例如在北京，上海和廣州的地鐵都發生過類似的事故，為此，學者們進行眾多盾構施工引起地表沉降方面的研究，這對指導工程施工具有重要意義［1-3］.駱建軍等依據建（構）筑物結構相應部位的破壞值，來制定地面沉降基準指標［4］；韓煊等以Peck經驗理論為基礎，利用預測建筑物沉降的剛度修正法，對建筑物結構安全穩定進行了分析［5］.

目前盾構法施工已做了很多研究工作，但由于地質條件復雜多變，根據現場工況施工條件的不同，使得不少研究成果都具一定的局限性.目前對盾構法隧道掘進施工引起的地表沉降分析及預測方法主要有：經驗公式法、解析法、理論分析法、模型試驗法和數值分析等［6-7］.以合肥地鐵一號線的盾構施工為工程背景，分析盾構施工中引起地表的沉降及其影響因素，通過實際監測數據行了研究，為今后類似工程施工提供參考.

1 工程概況

1.1 工程位置及周圍環境概況

合肥地鐵一號線葛大店站～望湖城站區間由平行的兩條隧道構成，隧道開挖截面為圓形，每條隧道單線貫通，右線里程：K12+683.900～K14+113.612，全長1 428.1 m.左線里程：K12+683.900～K14+152.612，全長1 467.1 m.區間在K13+186.793處設聯絡通道，在K13+584.6處設置聯絡通道兼廢水泵房，線間距12.00～15.20 m，最大縱坡25.437‰，隧道直徑6 m，拱頂埋深9.12～16.62 m，采用盾構法施工.

1.2 現場水文地質條件

場地地下水類型以上層滯水為主，區間廣泛分布著黏土層，層總厚度較大，埋深淺，地下水水位標高20.22～30.36 m，水位埋深2.60～6.00 m，段內富水性較弱，主要為泥質砂巖，基巖裂隙水總體較貧乏，段內地下水總體不發達.

盾構區間主要穿越：（1）第一層粉質粘土層；（2）第二層雜填土；（3）第三層粘土①；（4）第四層粘土②；（5）第五層粘土③.

（1）第一層粉質粘土層：呈褐黃色、灰黑色、雜色.化學成分復雜，堆積時間短，稍經壓實，局部見砂及碎石塊，土體堆積極不穩定，施工期間容易發生坍塌，土層厚度一般為0.5～2 m.

（2）第二層雜填土：灰、灰褐色，土質較純，含少量鐵錳氧化物結核、高嶺土，切面光滑，無搖震反應，干強度高，不連續分布，韌性中等.

（3）第三層粘土①：褐黃色、黃褐色，含氧化鐵、高嶺土，鐵錳結核，切面光滑，干強度高，局部含鐵錳質結合富集.

（4）第四層粘土②：灰褐色、灰黃，土質不均，硬塑狀，切面較粗糙，韌性一般，段內分布不均勻，局部含有風化顆粒.

（5）第五層粘土③：全風化泥質砂巖，全風化，紫紅色，粉粒結構，巖芯風化呈土柱形狀，遇水易軟化，易鉆進，巖質軟，段內不連續分布，原巖結構大部分已遭到破壞，全部鉆孔未能穿透該土層，最大目標深度-25.01 m.

2 計算模型建立

以合肥地鐵一號線為背景，盾構開挖采用三維有限元軟件ABAQUS建模，沿x正軸為隧道盾構寬度方向，沿y正軸為土體深度方向，沿z負軸為隧道軸線方向，整個模型中用三維實體單元構成，模型土體土層分為5層：第一層粉質粘土層，第二層雜填土，第三層粘土①，第四層粘土②，第五層粘土③，因為盾構隧道開挖造成土體應力應變的影響，故在距隧道中心軸線約3～5倍的開挖直徑范圍內會對土體有較為明顯的影響，3倍開挖直徑范圍內的應力應變變化約為10%，超過5倍的開挖直徑時，應力應變變化會降到約3%以下［8］.區間盾構隧道覆土埋深16 m，距地表較淺.推進步數取20步，步距為1.5 m，總長30 m；嚴格按實際工程確定模型的尺寸為80 m×40 m×30 m（長×寬×深），盾構機長8 m，盾構機刀盤直徑6.28 m，襯砌管片外徑6 m，厚度為30 cm.建立模型圖步驟是首先要建立原始的地層模型，然后施加邊界約束條件，采用迭代計算直至系統平衡，在模擬地層初始應力狀態后刪除盾構所在位置的單元土體，進而建立相應單元體，在進行迭代計算使之土體應力重新平衡，則有限元分析模型圖（見圖1）.

圖1 有限元分析模型圖

襯砌管片處理：襯砌管片視為彈性材料，依據泊松比、彈性模量來計算單元剛度，管片采用C50 P12混凝土，每環襯砌寬1.5 m.隧道襯砌采用高強度膨脹螺栓連接，通過考慮隧道襯砌接頭對結構剛度的影響，對襯砌的材料參數進行折減，按0.15折減系數進行折減［9］.建立有限元模型中的土體材料參數見表2.

表2 土體材料參數

3 模擬結果

3.1 盾構開挖在不同掘進壓力條件時對地表沉降的影響

掘進壓力設置為T=200 kPa，T=300 kPa和T=600 kPa三種情況分別進行討論，隧道覆土埋深12 m，注漿厚度0.3 m，盾構推進步距1.5 m，共開挖30 m，進行計算分析后可得出不同掘進壓力地表橫向沉降位移曲線圖（見圖2）.

當掘進壓力依次按上述設置，則得出地表沉降峰值依次為28.01 mm、23.93 mm、19.16 mm（見圖2）.經比較發現掘進壓力越大，地表沉降越小，當盾構掘進壓力在600 kPa時，地面縱向位移開始出現突變，這是由于盾構開挖時引起前方開挖面的壓力值大于盾構前方土體中應力的釋放，使開挖面前方土體受到擠壓而出現土體隆起，且地表最大沉降的點位置是在隧道正上方中心處，區間的盾構掘進壓力不能超過600 kPa為宜.

圖2 z軸-15 m處地表橫向沉降位移曲線圖

圖3 z軸-15 m處地表橫向位移沉降曲線圖

3.2 盾尾的不同注漿層厚度對地表沉降的影響

模型等代層厚度分別取：r=0.2 m、r=0.3 m和r=0.5 m三種情況分別進行討論，隧道覆土埋深12 m，掘進壓力300 kPa，盾構推進步距1.5 m，共開挖30 m，進行計算分析后可得出盾尾的不同注漿層厚度地表橫向位移沉降曲線圖（見圖3）.

地表沉降量是隨著注漿層厚度的增加而減少，并且注漿層厚度越大，對隧道盾構施工產生的縫隙填充效果越密實，使土體應力釋放的影響越小，造成的地層損失越少，引起的地表沉降變形越小（見圖3）［10］.由此可知通過改變注漿層的厚度能夠有效地控制地表沉降.盾構襯砌同步注漿層的厚度如果太大，會造成土體局部壓力過大而引起土體內部結構的破壞，使土體周圍產生具有一定的劈裂擴散效應,因此實際工程中的注漿厚度值取0.3 m較為合適.

3.3 盾構開挖的不同埋深對地表沉降的影響

隧道拱頂埋深分別設置為12 m、15 m，兩種情況分別進行討論，掘進壓力300 kPa，注漿厚度為0.3 m，盾構推進步距1.5 m，共開挖30 m，進行計算分析后可得出隧道盾構開挖不同埋深地表橫向位移沉降曲線圖（見圖4）.

地表沉降量是隨著隧道開挖深埋的增加而減小，峰值從25.6 mm減小到23.6 mm，并且隨著開挖深度的增加，對土體的擾動越小，引起土體橫向沉降的影響范圍卻有所增大，原因是地表沉降主要由地層損失和土體的固結沉降引起的，而固結沉降是在隧道開挖完成以后才開始的，故在整個開挖階段影響地表沉降的主要方式是地層損失.因此盾構開挖的埋深越大，地層受擾動越小，引起地層的損失越小，造成的地表沉降值就越小（見圖4）.

圖4 z軸-15 m處地表橫向位移沉降曲線圖

圖5 z軸-15 m處地表橫向沉降位移曲線圖

3.4 盾構開挖的不同注漿彈性模量對地表沉降的影響

假設在盾構注漿開始階段，注漿彈性模量設置為E=0.18 GPa；當注漿完成以后注漿體在短時間內固化，此時注漿的彈性模量設置為E=1.8 GPa；當注漿體完全固化后，注漿的彈性模量設置為E=18 GPa.將這三種情況分別進行討論，掘進壓力300 kPa，注漿厚度0.3 m，隧道埋深12 m，盾構推進步距1.5 m，共開挖30 m，進行計算分析后可得出不同注漿的彈性模量地表橫向沉降位移曲線圖（見圖5）.

當注漿層彈性模量為0.18 GPa時，地表沉降峰值為24.9 mm；當注漿層彈性模量為1.8 GPa時，地表沉降峰值為21.3 mm；當注漿層彈性模量為18 GPa時，地表沉降峰值為19.9 mm（見圖5）.經比較發現注漿層彈性模量越大，地表沉降量越小，是因為在盾構同步注漿開始時，注漿體短時間內無法固化，造成注漿體強度不夠，使彈性模量較小，注漿體無法對隧道周圍土體形成有效的支護，同時土體應力的釋放會造成注漿體變形，引起地層損失，造成地表沉降.當注漿體漸漸進入固化階段后，注漿體強度驟升，彈性模量變大，此時能對隧道周圍土體產生較好的支護，注漿體和襯砌管片達到新的應力應變平衡，則地表沉降基本穩定.因此當盾構開挖時，應及時進行同步注漿，使注漿體達到一定的早期強度，這對控制地表沉降是十分有利的.

4 模擬數值與實際監測值比較分析

實際地表沉降量監測最大值為29.9 mm，小于地表基準值30 mm，地面交通能正常運營，模擬數值最大值為24.6 mm，對比得出：模擬數值與實際監測值差不大，差值約為5.5 mm（見圖6）［11］.地表沉降量模擬數值基本吻合實際監測值，模型模擬數值可以為工程施工作為指導.由于模型進行了理想化的假設、簡化，施工參數選取的不合理，以及施工作業人員在施工過程中操作的不合理等都會使模擬數值比實際監測值小.

5 結語

（1）盾構掘進壓力應控制在一定的范圍內，適當的增大掘進壓力能夠減小地表沉降，但超過一定值時會引起地表隆起，區間的掘進壓力宜采用600 kPa.

（2）注漿層厚度越大，盾構施工產生的縫隙填充效果越密實，造成的地表沉降變形就越小,工程中的注漿厚度值宜取0.3 m.

（3）盾構隧道開挖埋深越大，地層受擾動越小，引起地層的損失越小，則地表沉降值就越小.

（4）在盾構掘進過程中，在保證其它參數不變的條件下，通過改變注漿層彈性模量的大小，能較好的控制地表沉降.

（5）模擬數值基本吻合實際地表監測沉降值，模擬數值可以為工程施工作為指導.

圖6 模擬數值與實際監測值的對比

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Based on ABAQUS Model of Rail Transit Shield Construction Causes the Surface Subsidence Analysis

ZHANG Bao-liang1，LI Da-hua1，XU Zi-fang2，ZHOU Dong-qing1，LI Ji-pei1
（1.School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601；2.Institute of Economics and Technology，Anhui Electric Power Corporation，Hefei 230000，Anhui，China）

The ground settlement caused by shield construction has been more and more taken seriously.How to ensure the stability of the soil in the process of excavation of and strictly control the surface subsidence is the focus of current research.Based on the engineering background of Hefei subway line one，using ABAQUS software to simulate，of shield construction，this paper analyzes the factors which cause the surface subsidence，combined with the surface subsidence monitoring data，and simulation numerical comparison，and the results show that the surface subsidence is smaller with the greater pressure of shield tunneling;the shield lining of shield construction gap filling effect is better with the greater synchronous grouting layer thickness;the surface subsidence decreases with the increase of excavation depth;the surface subsidence is smaller with the greater grouting layer modulus of elasticity. Finally，by the comparison between the simulation and monitoring values，the results are basically consistent，suggesting that the study has a certain reference value.

the subway shield；numerical simulation；the surface subsidence；ABAQUS

TU475+.9

A

1007-5348（2017）06-0054-05

（責任編輯：歐愷）

2017-03-15

國家電網安徽省電力公司資助項目（1P12001500010681000000）.

張寶良(1986-)，男，黑龍江哈爾濱人，安徽建筑大學土木工程學院初級工程師，碩士；研究方向：建筑與土木工程.