土層參數對盾構隧道引起的地表沉降影響分析

苗占府

(邢臺道橋建設工程有限公司 邢臺市 054001)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，很多城市均將地鐵建設納入到城市建設規劃當中，在我國南方沿海城市，由于土質較軟且特殊土分布廣泛，加劇了隧道施工的難度，為了改變原有土體的強度以減小地鐵施工帶來的危害，國內學者進行了一系列研究，主要有：蘭慶男[1]、張達棟[2]采用Flac3D軟件模擬盾構開挖過程，基于摩爾-庫倫屈服模型，采用控制變量法分別對不同彈性模量、內摩擦角和粘聚力土體進行模擬；張印濤等[3]采用數值分析模型模擬了隧道盾構開挖引起的地表沉降的發展過程，分析了地表橫向和縱向沉降的動態變化規律，并基于Peck公式對地表沉降模擬值和工程實測資料的沉降槽參數進行了對比分析；劉菁等[4]以某區間地鐵隧道開挖為例，利用有限元軟件對地鐵盾構隧道施工開挖過程進行數值模擬與分析，分析了隧道地表沉降沿橫向、縱向及不同深度處地層的分布隨盾構推進的變化規律，通過預測的結果提出了控制地層變形的措施；劉建國等[5]以西安地鐵為研究對象，基于土力學理論對引起地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降的因素進行分析，然后利用半解析法以及數值分析法分析各因素對地表沉降的影響規律；楊天亮等[6]基于上海地區地鐵隧道盾構施工引發的工程性地面沉降機理分析，采用數值分析和數學擬合方法對盾構埋深、地層損失率、盾構半徑和穿越土層性質等因素與地面沉降影響范圍和最大沉降量之間的基本規律分別進行了深入的分析研究，給出了它們之間各自的定量關系式，并在盾構施工實例中進行了分析和驗證，等等。

本文主要以某城市隧道施工為例，采用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬，將實測數據與數值結果進行了分析對比，并對土層參數的影響進行了詳細分析，研究分析結果可為土體的加固設計和施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

某地鐵隧道工程采用盾構法施工，隧道中心設計埋深約17.0m，隧道外徑為6200mm，襯砌采用50cm預制管片，在研究區段內，從上至下依次分布著雜填土、黏土、淤泥質土、淤泥質黏土以及粉砂土等，隧道開挖面主要出于淤泥質黏土當中，土層厚度以及隧道斷面具體如圖1所示。

圖1 土層分布圖

2 數值建模

如圖1所示，采用大型有限元軟件ABAQUS建立計算模型，模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束，計算過程中土體的本構模型均采用摩爾-庫倫本構模型。模型的長×寬×高分別為60m×50m×60m，網格共計12768個，均采用實體單元，由于對稱性，圖2僅給出了隧道的左半側。隧道的各層土體參數取值如表1所示。表2給出了隧道襯砌和等代層的相關參數，襯砌采用C50混凝土，襯砌厚度取50cm，襯砌與土體之間的泥漿采用等代層進行模擬，所謂等代層，即在施工過程中為減小地層損失常常在管片拼裝之后，在管片里側進行注漿加固形成的一層注漿層，文中等代層厚度取25cm，如圖3所示。

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

表2 襯砌及等代層的力學參數

圖3 等代層示意圖

3 數值結果分析

3.1 現場監測與數值模擬結果對比分析

如圖4所示，為開挖之后的隧道豎向位移云圖，由圖可知，隧道開挖導致周圍土體松動，其中隧道拱頂以上發生沉降，拱底以下發生隆起，拱頂最大沉降值為70.7mm。為了驗證數值結果的可靠性與適用性，如圖5所示，將現場實測地表沉降數據跟數值模擬監測到的地表沉降數據進行對比分析，可以發現，實測地表沉降和數值得到的地表沉降槽均呈現出高斯分布形式，其中實測最大沉降值為14.8mm，數值模擬最大沉降值為15.1mm，從曲線的吻合度來說，二者吻合良好，說明數值模擬結果是正確且適用的。

圖4 開挖后的豎向位移云圖

圖5 實測地表沉降數據與數值分析對比圖

3.2 土層參數改變對地表最大沉降的影響分析

土層特性是影響隧道開挖穩定性的重要因素之一，影響土層特性的參數主要有壓縮模量、粘聚力以及內摩擦角等。本節通過改變原有模型的壓縮模量、粘聚力以及內摩擦角，以此探究各因素對地表沉降的影響。在建模過程中，土層分布如前節不發生改變，通過成倍的增加和減小各土層的參數取值，并取土層參數的加權平均值作為橫坐標，以隧道拱頂正上方地表處最大沉降作為豎坐標繪制圖形。

如圖6所示，通過改變土體的壓縮模量并監測最大地表沉降，將數據點繪于圖中，之后采用線性形式進行擬合，得到擬合直線的關系式如式(1)。由此可知，采用線性擬合時相關系數達0.87，即隨著土體壓縮模量的增大，地表最大沉降基本會線性減小，且每當壓縮模量增大1MPa時，地表最大沉降會減小7mm，說明通過增大土體壓縮模量可以有效地減小地表沉降。

y=-7.0x+74.9 (R=0.87)

(1)

圖6 壓縮模量對地表最大沉降影響

如圖7所示，通過改變土體的內摩擦角并監測最大地表沉降，將數據點繪于圖中，之后同樣采用線性形式進行擬合，得到擬合直線的關系式如式(2)所示。采用線性擬合時相關系數為0.34，雖然二者相關性不是很強，但從圖中可以看出即隨著土體內摩擦角的增大，地表最大沉降整體上出現減小的趨勢，即通過增大土體內摩擦角可以一定程度上來減小隧道施工引起的地表沉降。

y=-2.8x+69.0 (R=0.34)

(2)

如圖8所示，通過改變土體的粘聚力并監測最大地表沉降，將數據點繪于圖中，之后采用線性形式進行擬合，得到擬合直線的關系式如式(3)。采用線性擬合時相關系數達0.90，即隨著土體壓縮模量的增大，地表最大沉降基本會線性減小，且每當土體粘聚力增大1kPa時，地表最大沉降會減小5mm，說明通過增大土體的粘聚力可以有效地減小地表沉降。

圖7 內摩擦角對地表最大沉降影響

圖8 粘聚力對地表最大沉降影響

y=-5.0x+109.7 (R=0.90)

(3)

工程中改變原有地層的強度參數是常用的加固地層施工方法之一，尤其對于隧道在軟黏土中施工時，可以采用置換原有土體或者注漿加固等措施，本文的參數分析結果可為土體的加固施工提供一定的參考和借鑒。

4 結論

以某城市隧道施工為例，采用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬，將實測數據與數值結果進行了分析對比，并對土層參數的影響進行了詳細分析，得到以下結論：

(1)將現場實測地表沉降數據跟數值模擬監測到的地表沉降數據進行對比分析，發現實測地表沉降和數值得到的地表沉降槽均呈現出高斯分布形式，其中實測最大沉降值為14.8mm，數值模擬最大沉降值為15.1mm，且二者吻合良好，說明數值模擬結果是正確且適用的。

(2)增大土體的壓縮模量、內摩擦角和粘聚力時，地表沉降基本上呈現出線性減小，采用線性函數進行擬合時，三者的相關系數分別為0.87、0.34和0.90。

(3)對于隧道在軟黏土等特殊土中施工時，本文的參數分析結果可為土體的加固設計和施工提供一定的參考和借鑒。