盾構(gòu)隧道各施工階段沉降三維數(shù)值模擬分析

陳炳渠 （合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隧道開挖實際上是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，盾構(gòu)機盾頭處掌子面上支持力的大小、盾構(gòu)機的形狀、盾構(gòu)機盾尾空隙的大小、注漿壓力的大小以及襯砌施加的及時與否等等因素都會對隧道實際開挖的整個過程有影響。在這個過程中土體經(jīng)歷了復(fù)雜的位移變化過程，二維數(shù)值模擬等其它方法更多的是用來模擬某斷面處地表沉降[1-3]，并不能很好的說明沿隧道開挖方向上土體的位移規(guī)律，也并不能很好的體現(xiàn)各施工因素對隧道開挖各個過程的影響，因此有必要建立三維模型對隧道開挖的整個過程進行研究。

然而從研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)階段三維數(shù)值模擬中仍存在以下問題：①有些文章雖然用的是三維數(shù)值模擬，其采用的方法是等代層法或者應(yīng)力釋放法，這兩種方法的關(guān)注點通常是隧道的最終地表沉降，而不是沉降的過程，因此并沒有模擬實際施工各個因素[4-5]；②有些三維數(shù)值模擬中考慮的因素并不全面，大多考慮了掌子面支撐力、襯砌、盾尾注漿等的影響，而對盾構(gòu)機形狀、注漿體凝固、注漿壓力的梯形分布等因素考慮的較少[6-7]。

因此，本文使用有限差分軟件FLAC 3D，通過精細化建模來模擬隧道的三維開挖過程。

1 工程背景

1.1 工程概述

法國里昂市軌道交通D號線的延線位于Gorge du Loup站至Vaise站之間[8]，延線總長950 m。考慮到軟土可能出現(xiàn)較大沉降，采用盾構(gòu)法施工。

為了減少軟土的擾動，盾構(gòu)機開挖刀盤位于盾頭的內(nèi)部，開挖時不會產(chǎn)生超挖，隧道開挖的主要支撐為8m長的圓錐形盾構(gòu)機，如圖1所示，該錐形盾構(gòu)機由長2m半徑3.135m的盾頭，長3m半徑3.125m的盾身和長3m直徑逐漸從3.125m到3.12m的盾尾組成，盾尾空隙為13.5 cm，每環(huán)襯砌長1m厚0.35m。

圖1 盾構(gòu)機簡化圖

1.2 工程地質(zhì)概述

隧道土層由上到下分布分別為：①素填土層厚0～3 m；②棕色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚3～5 m；③淡棕色淤泥質(zhì)粉土層厚5～8 m；④黃褐色淤泥質(zhì)粉土層厚8～12 m；⑤灰色黏土層厚12～15 m；⑥砂礫土層厚15～18.4 m；⑦18.4 m以下全部為片麻巖。

隧道區(qū)間開挖主要涉及土層為黃褐色淤泥質(zhì)粉土土層，灰色黏土土層和砂礫土土層。地下水位線為-3.3 m，隧道中軸埋深為-13.6 m。

從隧道開挖區(qū)間的拱頂?shù)降乇恚蟛糠譃橛倌噘|(zhì)土層，且該隧道埋于地下水位線以下，因此很容易受到擾動。

1.3 隧道施工階段劃分

為了考慮錐形盾構(gòu)機在隧道開挖過程中對土體位移的影響，參考其它文獻[6,8]的階段劃分，將隧道開挖過程分為3個階段，如圖3所示。

圖3 地表沉降發(fā)展圖

第一階段為盾頭通過目標掌子面時，該階段影響地表沉降的主要因素是掌子面上的支持力。當掌子面上的支持力足夠時，地表沉降較小；支持力不足時，地表沉降較大，支持力過大時，地表會隆起。

第二階段為盾尾通過目標掌子面時，該階段影響地表沉降的主要因素是盾構(gòu)機的形狀。由于盾構(gòu)機為錐形，此階段盾構(gòu)機周圍的土體會繼續(xù)向隧道內(nèi)側(cè)位移，地表沉降增加。

第三階段為施加襯砌階段，由于襯砌的施加使得隧道周圍土體的擾動逐漸達到平衡，地表沉降達到最大值。

圖4 各階段地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.4 現(xiàn)場監(jiān)測概述

復(fù)雜的地質(zhì)條件需要精確的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行研究，地鐵延線的監(jiān)測點布置有兩處：現(xiàn)場First Site和Second Site。對于First Site處，有2個監(jiān)測斷面，分別位于Vaise站31 m處和65 m處。Second Site位于距離Vaise 800 m處。本文取First Site處的監(jiān)測斷面二為研究對象，隧道周圍土中監(jiān)測點布置如圖2黑點所示。各施工階段的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。

第一階段：監(jiān)測數(shù)據(jù)中地表沉降的最大值約為0.59 mm，約占最大沉降值的22.8%。

第二階段：監(jiān)測數(shù)據(jù)中地表沉降的最大值約為0.70 mm，相對于上一階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)值，新增沉降值0.11 mm，約占最大沉降值的4.2%。

第三階段：監(jiān)測數(shù)據(jù)中地表沉降的最大值約為2.59 mm，相對于上一階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)值，新增沉降值1.89 mm，約占最大沉降值的73%。

2 數(shù)值模擬

2.1 隧道開挖有限元模型及參數(shù)

本文使用FLAC 3D對盾構(gòu)隧道的開挖過程進行精細化模擬。圖5為盾構(gòu)隧道模型，模型尺寸在水平方向長為104 m，在豎直方向為23 m，隧道中軸埋深為-13.6 m，隧道直徑為6.27 m，地下水位線為-3.3 m。模型左右兩側(cè)約取開挖隧道直徑的7倍。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用均質(zhì)圓環(huán)假設(shè)，為線彈性模型，楊氏模量E取30GPa，泊松比v取0.2，采用板單元來模擬。所建模型一共有實體單元190560個，節(jié)點198372個。盾構(gòu)隧道模型上表面為設(shè)置為自由約束，下表面設(shè)置為全約束，左右兩邊邊界沿隧道開挖方向施加法向約束，前后兩個面沿截面方向施加法向約束。對整個盾構(gòu)隧道模型施加方向為豎直向下的重力。整個盾構(gòu)隧道開挖模型由四部分組成，分別是隧道開挖的圓柱體單元、注漿體的殼單元、襯砌的殼單元以及周圍土體部分。隧道開挖處附近的土體，網(wǎng)格劃分加密，遠離隧道開挖處的土體，網(wǎng)格劃分稀疏。

2.2 土體本構(gòu)模型選取

圖5 三維數(shù)值模擬網(wǎng)格

MC模型參數(shù) 表1

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 盾頂土體位移

沿開挖方向，盾構(gòu)機盾頂處（即埋深10.465m處）土體位移如圖6所示。

圖6 沿開挖方向盾構(gòu)機盾頂處土體位移

由圖6可以得到

①盾構(gòu)機盾頭前方。盾構(gòu)機盾頭前方10m范圍內(nèi)發(fā)生了較為明顯的隆起，最大隆起值接近2mm，隆起范圍約1.6D（D為盾構(gòu)機盾頭處直徑）。

②盾構(gòu)機范圍。盾構(gòu)機盾頭處（28～30m），土體位移為0；盾構(gòu)機盾身處（25～28m），土體沉降為10mm；盾構(gòu)機盾尾處（23～25m），土體沉降從10mm到13.4mm呈線性變化。

③盾構(gòu)機盾尾后方。盾尾后方2～4m內(nèi)（18～22m），土體位移逐漸變大，最高點沉降約為1.98mm；盾尾后方4m之后（6～18m）的土體位移基本趨于穩(wěn)定，且土體沉降穩(wěn)定在2.6～3mm之間；土體在1～6m內(nèi)的位移受邊界固定位移等因素的綜合影響，土體沉降逐漸減小，沉降變化范圍為3-3.8mm之間。

④最初開挖邊界面。在邊界面上（0m處）的位移固定為15mm。

為研究冀北區(qū)中生代巖漿巖密度分布情況，本文選取東經(jīng)114°～120°以及北緯39°00′～42°30′范圍內(nèi)4875件中生代巖漿巖標本，包括3273件侵入巖、1599件噴發(fā)火山巖標本。使用高精度電子天平以及DM-1巖石密度測定儀測定各巖石標本密度。測量時嚴格按照規(guī)范進行，并將絕對誤差控制在0.02×103kg/m3以內(nèi)。

3.2 地表土體位移

地表土體位移如圖7所示。

圖7 沿開挖方向地表土體位移

由圖7可以得到

①盾構(gòu)機盾頭前方。其前方2m范圍內(nèi)地表產(chǎn)生較小的沉降；前方2～4m范圍內(nèi)地表產(chǎn)生較小的隆起；4～9m范圍內(nèi)產(chǎn)生較為明顯的隆起；產(chǎn)生較為明顯的隆起范圍約2.4D。

②盾構(gòu)機位置。盾構(gòu)機范圍產(chǎn)生的土體沉降，近似一條傾斜的直線。

③盾構(gòu)機盾尾后方。1～8m范圍內(nèi)，土體沉降逐漸由大變小，變化范圍（最大值-最小值）約為0.3mm；8～14m范圍內(nèi)，土體沉降曲線近似一條水平直線；14～22m范圍內(nèi)，土體沉降從由小變大的過程，且沉降差值范圍為0.25mm；

④最初開挖邊界面。在0m處的地表沉降為整個開挖方向地表沉降的最大值，約3.13mm。

3.3 地表土體位移

第30m斷面地表沉降圖如圖8所示。

由圖8a可得

①地表沉降最大值約為0.82mm，兩邊隆起的最大值約為0.28mm；

②地表沉降發(fā)生的范圍為-9-9m，約為3D范圍內(nèi)。

圖8 第30m斷面地表土體位移

由圖8b可得

①地表沉降最大值約為3.05mm，兩邊隆起的最大值約為0.93mm；

②地表沉降發(fā)生的范圍為-9-9m，約為3D范圍內(nèi)。

由圖8c可得

①地表沉降最大值約為2.67mm，兩邊隆起的最大值約為1.89mm；

②地表沉降發(fā)生的范圍為-7-7m，約為2.2D范圍內(nèi)。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬對比

地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬對比如圖9所示。

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對比

盾構(gòu)到達目標掌子面階段，監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大沉降值為0.59mm，數(shù)值模擬的最大沉降值為0.82mm，相差0.23mm；隧道兩邊隆起值，監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值為0.41mm，數(shù)值模擬的最大值為0.29，相差0.12mm。數(shù)值模擬的沉降值略大于監(jiān)測數(shù)據(jù)。

注漿體凝固后地表沉降對比。監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大沉降值為2.59mm，數(shù)值模擬的最大沉降值為3.05mm，相差0.46mm；隧道兩邊的隆起值，監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值為0.32mm，數(shù)值模擬的最大值為1.89mm，相差1.57mm。數(shù)值模擬的沉降值略大于監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本章利用三維有限差分軟件FLAC 3D，采用精細化建模的三維建模方法，綜合考慮了在目標掌子面上施加梯形支撐力、盾構(gòu)機錐形形狀、梯形注漿壓力、注漿體的凝固和及時施加襯砌等因素對土體位移的影響。主要得到以下結(jié)論。

①盾構(gòu)法施工引起的土體變形是個動態(tài)過程，具有明顯的三維特征，沿開挖方向，隧道拱頂土體和地表的土體位移隨開挖階段的不同，位移特征相應(yīng)發(fā)生變化；

②精細化三維數(shù)值模擬，可以較為準確的模擬出各階段的土體位移特征；

③盾構(gòu)機盾頭和盾身之間、盾身和盾尾之間形成空隙，從而使得隧道拱頂處土體產(chǎn)生位移，進而影響地表沉降；

④梯形注漿壓力的施加可以使得前期因開挖引起的較大土體沉降減小，是盾構(gòu)法施工中減小土體沉降的方法；

⑤及時的襯砌的施加會使得土體沉降穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，因此實際施工中及時的襯砌施加很重要；

本文研究結(jié)論為同類地鐵隧道的三維數(shù)值模擬方法的選擇提供了參考。