考慮尾隙的砂層盾構隧道地表沉降數值分析

(江西理工大學建筑與測繪工程學院 江西 贛州 341000)

引言

近幾年來，隨著城市交通建設的發展，地鐵建設工程日益增多，在地下隧道修建過程當中，盾構法施工憑借快速、高效、安全等優勢得到了廣泛的應用[1]。而盾構隧道開挖過程中會造成地表沉降，對周邊道路、建筑及管道等造成一定程度的影響。盾尾空隙的存在造成土體損失，引起上層土體擾動，并向下層空隙移動產生沉降。尤其在砂性土中，這種沉降更為明顯。因此，對砂層盾構隧道開挖尾隙引起的地表沉降的研究具有重要的現實意義。

目前，國內外對于地表沉降的研究方法有很多，如經驗公式法、數值模擬法、理論解析法等等。朱才輝[2]總結了大量國內外的關于地鐵施工引起地表沉降的預測公式，為工程設計人員提供更加豐富全面的參考資料；徐良[3]利用有限元軟件數值模擬進行地表沉降變形規律分析；黎春林[4]采用ANSYS進行數值分析，揭示了盾構隧道施工對建筑物沉降的影響規律；江英超[5]采用離散元軟件對砂卵石地層滯后沉降過程進行了模擬；Peck經驗公式法由于簡單實用，是目前應用最廣的方法。而對于隧道施工開挖過程中，引起地表沉降的因素很多，經驗公式法具有一定的局限性[6]，而數值模擬分析可以綜合考慮較多因素對地表沉降的影響，更加準確預測隧道開挖引起的地表沉降。

本文主要從尾隙引起的地層損失出發，利用離散元軟件PFC建立隧道-土體顆粒流模型，對砂層盾構隧道上部地層擾動及地表沉降進行研究分析。

一、離散元計算模型

(一)參數選取

參照張冬梅[7]建立的隧道-土體離散元模型，對其進行改進：考慮到砂土的角粒效應[8]，在PFC采用由三個圓形clump組成的橢圓顆粒來模擬砂土，如圖1所示。

圖1 砂土顆粒單元示意圖

本文采用線性接觸模型，砂土顆粒級配曲線如圖2所示，具體參數取值參考前人進行砂土顆粒模擬的取值[7-8]，詳見表1

圖2 砂土顆粒級配曲線圖

參數名稱取值顆粒密度)2600顆粒法向剛度)1e8顆粒切向剛度)1e8顆粒間摩擦系數0.4墻體法向剛度)1e9墻體切向剛度)1e9顆粒與墻體間摩擦系數0

(二)建立模型

考慮到對大尺度的土層結構進行模擬，PFC軟件將產生百萬數量級以上顆粒，現有的計算機難以完成。本文參照離心機試驗原理[9]，采用縮小地層模型的方法，并增加重力加速度使之達到真實地層的效果。

數值模型建立步驟：

1.通過分層壓密法生成砂土地層模型。將地層分為四層，目標孔隙率為0.19。首先在第一層區域內通過clump distribute命令按照級配生成顆粒，然后調用編寫好的FISH語言，對第一層土體進行墻體壓密，直到孔隙率達到目標值。同理，在第一次基礎上，生成2-4層土體。最終生成寬0.32m，高0.32m的地層模型；

2.施加100g重力加速度。在重力加速度的作用下運行程序，使模型達到穩定狀態，該模型可以模擬寬32m，高32m的真實地層；

3.盾構隧道模擬。為了真實模擬隧道開挖過程中尾隙引起的土體損失，先將半徑設為0.0313m,埋深0.16的隧道開挖區內的顆粒刪除，在該位置生成半徑為0.031m的顆粒代表盾構隧道，尾隙值由隧道與開挖區之間的差值來表示，本文分別取3cm,10cm,12cm進行分析。在100g重力加速度的作用下，該顆粒可以模擬直徑6.2m,埋深16m的盾構隧道。隧道-土體離散元模型如圖3所示。

4.在盾構隧道和尾隙生成之后，運行程序，使其在100g重力加速度的作用下達到穩定狀態。

圖3 隧道-土體離散元模型圖

二、數值結果分析

(一)盾構隧道上部土體擾動分析

隧道開挖穩定后，隧道上部土體的位移云圖，如圖4所示。由圖可知，由于尾隙的存在，產生了土體損失，隧道上部土體在重力作用下下沉，隨著深度的增加，土體下沉量越大，隧道兩側頂部三角形區域的土體位移最明顯。隧道中軸線兩側1.5倍洞徑區域為土體擾動主要范圍，該結論與前人得出的研究結論[10]相符合。

圖4 土體擾動位移云圖

(二)地表沉降分析

圖5為地表橫向沉降曲線圖，由圖可知，隧道開挖引起的沉降在地表呈槽形分布：地表沉降沿著隧道中軸線兩側對稱分布，中間沉降量最大，隨著與隧道中軸線的距離增大，沉降量在逐漸變小。該結論與前人進行Peck公式的理論計算得出的結果[11]相吻合。

圖5 不同尾隙的地表橫向沉降曲線圖

三、結論

通過離散元法進行數值模擬對砂層盾構隧道地表沉降進行了研究，得到以下幾個結論：

(1)由于尾隙的存在產生的土體損失，造成隧道開挖后上部土體產生擾動，從地表到隧道頂部，隨著深度增加，土體位移逐漸增大，隧道兩側頂部三角形區域的土體位移最明顯，隧道中軸線兩側1.5倍洞徑區域為土體擾動主要范圍，因此在一定程度上可以通過增加隧道埋深來減少對地表沉降的影響；

(2)由土體損失造成的地表沉降呈槽形分布，沿著隧道中軸線向兩側減小；隨著尾隙的增大，造成了更大的土體損失，地表沉降量也逐漸增大，因此在隧道開挖注漿過程中，要嚴格控制尾隙的大小，盡可能減少尾隙產生的土體損失對地表沉降的影響；

(3)本文建立的隧道-土體模型能夠考慮隧道開挖中存在的因素，揭示地表沉降及底層擾動的一般規律，為實際工程中隧道開挖地表沉降的預測分析提供一定的參考。