盾構施工對地表沉降影響數值模擬研究★

唐光生 田雪萍

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.長安大學，陜西 西安 710061)

0 引言

地鐵隧道盾構法施工由于對周圍巖土地層產生了擾動，使得隧道四周巖土體應力得到釋放，從而導致土體發生位移，引起地表沉降。目前，對于盾構單線隧道施工情況下，地表沉降規律、沉降槽的形式和地表沉降預測方法[1-7]，國內外許多研究者各自提出了相應的研究成果。唐曉武等[8]通過研究實際工程中的粉砂土層，分析盾構與土體之間相互作用引起的地表沉降特性，得出盾構施工中拱起的產生與盾構機殼的摩擦直接相關，而地表沉降與盾尾空隙相關。魏綱[9-11]指出土體損失率與土質情況、施工質量和隧道埋深直接相關，建立了盾構法隧道統一土體移動模型，并對盾構法隧道地面沉降槽寬度系數的取值進行了研究。姜忻良等[12]以框架結構樓為對象，利用ANSYS建立三維數值模型，按照結構—土體—隧道共同作用分析了盾構施工對臨近建筑物的影響。朱偉等[13]利用FLAC3D對砂土隧道盾構開挖中開挖面支護力與開挖面的穩定性之間的關系進行了分析，為盾構隧道開挖面支護應力的控制提供了參考；同樣，郭小云[14]首次對黃土地區盾構施工地鐵隧道建設引起的土體位移運用ANSYS軟件進行了模擬，分析了盾構施工引起的地層變形和地面沉降規律。韓煊[15]基于工程監測數據，深入分析了隧道盾構施工引起的地層損失、地表位移和建筑物變形規律，并結合上述規律提出了相適應的預測方法和模型。

以上是通過數值方法對盾構隧道的施工過程引起的地表沉降的研究，但是對于利用ABAQUS模擬在盾構隧道的施工過程中因土質情況、土體相關參數、單線盾構推進進尺以及上部結構剛度的差異對地表沉降影響的數值模擬研究仍然較少，本文通過利用ABAQUS對以上幾種因素在相應變化量下的分析研究，得出了不同變量下的地表豎向沉降規律。

1 有限元模型相關參數

考慮到模擬需要還原真實工況，本次模擬采用三維模型。運用ABAQUS數值模擬軟件模擬某地鐵一號線東部市場至拱星墩區間盾構施工過程中引起的地表沉降變化規律，引入土體力學參數、結構剛度和開挖距離等因素，采用控制變量法進行對比分析，研究各種因素在相應變化量下地表沉降曲線形式與規律。

土體和建筑物均采用三維八節點線性實體單元，管片采用八節點線性實體、非協調模式的薄壁結構。在分析盾構注漿中，在盾構掘進過后，土體與盾尾空隙之間注漿填充一層均勻的彈性體，賦予其一定量值的彈性模量并簡稱為等代層。

盾構模型參數如表1所示。

表1 盾構模型參數

2 盾構隧道施工沉降影響數值模擬研究

2.1 模型及土體相關參數

模型尺寸取130 m×90 m×60 m，整體模型圖如圖1所示。盾構隧道軸線埋深為h=20.3 m。土體相關參數如表2所示。

表2 土體相關參數

2.2 不同土質條件對盾構隧道施工沉降影響數值模擬研究

不同種類土質因其相關力學參數的不同所引起的地表沉降值也有所區別。以下運用表1中通過現場測試所得到的5種不同特性土質在隧道開挖過程中引起的地表沉降曲線進行研究，分析地表沉降曲線規律。不同力學性質的土體引起的地表豎向沉降值和沉降槽寬度系數如圖2，表3所示。

表3 沉降槽寬度系數 m

從圖2得出，不同土質情況下盾構施工引起的地表豎向沉降曲線有所不同，但都近似符合Peck所提出的正態曲線分布。這是由于土體相關力學參數(粘聚力、內摩擦角、彈性模量和泊松比)的不同導致的，具體可以理解為當土體較軟(土體相關參數較小)時，盾構開挖后因土體受到擾動，應力得以釋放而向著隧道中心移動，無支撐作用的較軟土體向著初襯聚集，并填滿盾尾空隙，到達初襯后在襯砌支撐下土體沉降將會減小，但沉降范圍有所增加；相反，當土質較硬時，隧道四周土體雖會向襯砌移動，但盾尾空隙不會被迅速填滿，土體會在自重作用下向下產生變形向著隧道底部位移，導致較大沉降發生[16]。另外，從圖2中還可以觀察到，沉降曲線左右兩翼處有隆起產生，這是因為在盾構施工中相對于土體，隧道襯砌管片和盾尾空隙填充物(等代層)的彈性模量等物理參數太大，盾構機穿過后得到應力釋放的巖土體將其自身的壓力作用在襯砌管片上，致使管片產生豎向擠壓的同時也引起了側向(水平向)的變形，管片的側向變形力會對土體產生側向擠壓，使得左右兩側土體向背離隧道中心方向產生移動，進而引起土體在一定范圍發生隆起。

從表3可以看出不同土質的沉降槽寬度系數存在著一定差異，它主要取決于土體的相關參數，正如以上分析中提到的，土質較軟的地層在盾構施工中一般不易引起較大的地表沉降，但沉降范圍較廣；相反，土質較硬的地層發生的地表沉降較大，地層沉降范圍較小。

2.3 土體相關參數變化對盾構隧道施工沉降影響數值模擬研究

對不同土質下盾構開挖引起的沉降影響分析，其本質是各類土體相關參數的不同導致土體沉降曲線有所差異，以下對土體的相關力學參數做進一步模擬分析。不同彈性模量、粘聚力、內摩擦角、泊松比引起的地表豎向沉降值分別如圖3～圖6所示。

從圖3～圖6可以得到，地表豎向沉降值隨著土體相關力學參數的增大而減小，同時，沉降影響范圍有所增大。土體自身不同的力學參數所引起的地表沉降曲線在形態上基本相同，其中彈性模量和泊松比的變化所導致的沉降值變化較大，并且變化趨勢也越來越快，反映出這兩個參數對土體沉降影響較大。例如，由圖3可知土體最大和最小彈性模量(70 MPa和10 MPa)所引起的地表豎向沉降值相差3.7×10-2m；由圖6土體最大和最小泊松比(0.4和0.1)所引起的地表豎向沉降值相差7.91×10-2m。

而土體的內摩擦角和粘聚力對地表豎向沉降影響并不明顯，這是由于內摩擦角相對較大的土體在盾構隧道開挖時容易形成拱效應，使得盾構開挖過后受到擾動的土體應力釋放范圍較小；而對于黃土等較硬土質來講，其沉降寬度大、深度較淺，開挖過后沉降影響范圍較大。

2.4 單線盾構推進進尺對盾構隧道施工沉降影響

土體發生沉降的實質是地層的損失和土體受擾動后應力釋放進而在自重作用下向襯砌和隧道底部移動的過程。在盾構施工過程中，盾構機在進行土體挖掘前進的同時，會對隧道四周地層進行不同程度的擾動，所造成的土體應力釋放程度和釋放空間范圍也有所不同，這往往取決于推進距離的大小，因此，不同的盾構推進距離所引起的地表沉降也必然有一定的區別。本次模擬采用五種不同的推進距離(推進進尺分別為6 m，9 m，15 m，18 m和22.5 m)來分析其對地表沉降的影響規律。不同推進進尺引起的地表豎向沉降值如圖7所示。不同推進進尺引起的地表最大豎向沉降值如圖8所示。

由圖7，圖8可以得出，隧道盾構最大和最小推進進尺所引起的地表最大豎向沉降值分別為1.68×10-2m和1.52×10-2m，兩者之間豎向沉降值差為1.6×10-3m。進而分析得出，在盾構隧道深度、直徑和隧道四周土質條件等一定的情況下，盾構推進距離的變化對于地表豎向沉降值的影響不大，但兩者之間存在著一定的正相關性，即地表最大豎向沉降值隨著開挖距離的增大呈線性增長趨勢。這是由于盾構推進距離較大時，對周圍土體的擾動也越多，受擾后的土體由于應力得到充分釋放而向著隧道中心移動的距離也相對較大，最終造成地表沉降值較大；相反，當盾構推進距離較小時，對四周土體的擾動也較少，受擾土體的應力并沒有得到完全釋放而使得其向隧道中心移動的距離相對較小，造成地表沉降值也較小。

2.5 上部結構剛度對盾構隧道施工沉降影響研究

建筑物結構的剛度對地層土體起到控制制約作用，限制土體發生位移，造成地層移動與天然狀態相比有所不同[20]。本次模擬中土體上部設計帶有結構剛度的建筑物，并通過改變土體上部建筑物結構的彈性模量進行計算分析，取0 MPa，10 MPa，102MPa，103MPa和104MPa五種情況。考慮到土體沉降影響范圍，建筑物長度方向尺寸取60 m，并以雜填土為例進行分析。不同結構剛度地表豎向沉降值如圖9所示。

從圖9得出，在盾構隧道上方存在一定剛度的建筑物結構時會對地表沉降產生較大影響，可以明顯看到，在建筑物長度方向上地表豎向沉降有兩種不同的變化規律，即以隧道中心軸線為起始端，左右兩側約15 m(沉降槽寬度系數)范圍內地表豎向沉降值隨著土體上部結構剛度的增大而減小；而在隧道中心兩側15 m～30 m范圍內地表豎向沉降值隨著土體上部結構剛度的增大而增加。這是由于上部建筑物結構通過地基基礎來協調與土體的變形之間的關系，土體上方存在建筑物時，盡管地表沉降數值有所差異，但沉降曲線形態與上方不存在建筑物結構時相類似，其原因在于建筑物地基基礎的變形與土體沉降相互協調，沉降槽變化相對均勻。在隧道開挖過后，地層土體的損失雖然導致了土體向著隧道開挖的方向緩慢地移動，但是在高層建筑物的基礎與地層土體的相互作用下，土體移動的趨勢平緩。

同時，可以發現在沉降曲線兩側有隆起現象，隆起剛好發生在隧道中心兩側30 m處，即土體上部建筑物長度方向的邊緣，其原因在于建筑物基礎的剛度相對于土體而言過大，建筑基礎不易發生較大變形，在盾構開挖過后土體向著襯砌管片發生位移，而使建筑物基礎中部失去支撐作用而產生彎矩，進而建筑物為了與土體位移相協調而向下擠壓土體并發生變形，使得左右兩側土體受到側向擠壓而發生形變，造成基礎邊緣土體產生向上的隆起。

可以得出，盾構隧道上方存在建筑物時，建筑物的整體結構剛度會對地表沉降起到控制和制約的作用，所表現出的沉降曲線形狀較寬較淺，這也側向說明在建筑物剛度的影響下地表沉降值在隧道中心兩側建筑物長度方向范圍明顯減小。

3 結語

1)盾構施工在不同土質條件下引起的地表豎向沉降值、沉降槽寬度系數以及沉降影響范圍都有較大差異。地表豎向沉降值隨著土體相關力學參數的增大而減小。

2)盾構開挖過程中，不同的推進距離引起的地表豎向沉降值有一定差異，隨著盾構推進距離的增加地表豎向沉降值在增大，并且呈一定的線性關系。

3)在盾構隧道上方存在一定結構剛度的建筑物時，地表豎向沉降值與天然地面相比大小有所不同，但沉降曲線形式相類似。在上部建筑物結構剛度的影響下，建筑物基礎與土體變形相互協調，起到相互制約的作用，最終在隧道中心兩側較大范圍內產生較小沉降。