盾構隧道施工對地表沉降影響研究

賈建強

（山西省博大正昊工程勘察設計咨詢有限公司，山西 太原 030032）

引言

隧道開挖會誘發地表沉降，合理控制地表沉降對保護鄰近地表構筑物具有重要的意義。近年來，國內學者對此進行了一些研究，李小青和馮國冠等[1-2]以盾構隧道開挖引起地表沉降變形為研究對象，采用有限元數值分析軟件模擬盾構隧道施工過程，分析盾構隧道引起的土體應力場和位移場變化，對隧道施工引起的地表沉降變形規律進行了分析并對不同影響因素的敏感性進行了研究。孫闖和金明等[3-4]采用FLAC3D軟件對上海某越江隧道施工過程進行了數值模擬，分析注漿壓力對管片上浮的影響。楊圓等[5]依托某地鐵區間工程，研究盾構施工參數的選取對隧道開挖附近的地表沉降及土體變形的影響，并提出相應控制措施，采用Abaqus有限元軟件對該工程典型掘進段進行精細化仿真得到沉降模擬值，并運用三維Peck公式得出沉降計算值，最后與施工過程中典型監測點的沉降監測值進行對比，總結施工參數對地表沉降的影響規律。祝和意[6]認為盾構法施工作為一種安全高效的隧道施工方法具有施工速度快、洞體質量比較穩定、對周圍建筑物影響較小等特點，然而在盾構法施工過程中刀盤與盾體，盾體與管片存在間隙，在同步注漿無法及時跟上的情況下，容易造成地表沉降。

1 工程概況

隧道直徑為6 m，隧道中心埋深為15～26 m，區間范圍內主要以素填土、黏土、泥灰巖、細粉砂等為主，工程區內不考慮地表和地下水存在的影響。為了分析盾構隧道施工對地表沉降的影響，選取3個典型斷面進行分析，分別為DK3+006斷面、DK4+124斷面和DK4+375斷面, 見圖1。

圖1 3個斷面土質分布/m

2 現場沉降監測

為了監測隧道施中引起的地表橫向沉降，給出了地表橫向監測點布置見圖2，每個斷面上設置5個監測點，其中中間位置的地表監測點位于隧道軸線正上方。

圖2 水泥穩定碎石的運輸

圖2 地表橫向監測點布置

DK3+006斷面、DK4+124斷面和DK4+375斷面的實測地表沉降數據見表1。

表1 斷面現場實測數據

3 數值模擬對比分析

3.1 模型建立

DK3+006斷面采用有限元軟件PLAXIS建模分析，見圖3。DK3+006斷面隧道中心埋深為17.0 m。由于隧道埋深較淺，建模時模型上表面即為地表，模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束，土體本構模型采用摩爾庫倫本構模型，混凝土本構模型為線彈性模型。由于對稱性，僅建立左側半邊模型，模型長、寬、高分別為80 m、20 m和30 m，網格共計3 764個。

圖3 數值模型

表2給出了模型從上至下的土體物理力學參數。

表2 土體物理力學參數

隧道支護為預制管片支護，襯砌采用結構單元，力學參數見表3。

表3 管片、盾殼及注漿材料的力學參數

3.2 不同工況下模型豎向位移分析

在模擬過程中，以模型中部斷面為監測面，為了分析隧道開挖過程中的監測面的位移變化規律，給出掌子面距離監測面10 m、8 m、6 m和0 m時的隧道豎向位移結果，此時還未進行壁后注漿，見表4。

表4 隧道開挖過程中豎向位移結果

（1）當隧道掌子面距離監測面10 m時，監測斷面發生較小的沉降，而在隧道底側管片壁后注漿位置處，由于圍巖應力釋放，發生了較大的隆起，最大隆起值高達2.8 mm。（2）管片壁后進行注漿，掌子面繼續向前，當掌子面距離監測面8 m時，監測面最大沉降達8.7 mm。（3）當掌子面距離監測面6 m時，監測面最大沉降達9.6 mm。（4）當掌子面達到監測面時，監測面最大沉降達10.7 mm。之后，當盾構機繼續向前時，監測面地表沉降仍會繼續增大，直至最終趨于穩定。

3.3 現場監測與數值模擬結果對比分析

為了驗證數值模擬過程和結果的合理性，給出了DK3+006斷面、DK4+124斷面和DK4+375斷面3個斷面現場實測地表沉降與數值模擬沉降對比，見圖4。

圖4 現場監測與數值模擬結果對比曲線

由圖4可知，3個斷面的模擬值均與現場實測值吻合良好。（1）對于DK3+006斷面，現場監測與數值模擬最大值分別為12.5 mm和13.1 mm，二者誤差約為4.8%。（2）對于DK4+124斷面，現場監測與數值模擬最大值分別為12.7 mm和12.4 mm，二者誤差約為2.4%。（3）對于DK4+375斷面，現場監測與數值模擬最大值分別為13.2 mm和12.8 mm，二者誤差約為3.1%。綜上，3個斷面誤差均不超過5%，說明數值模擬結果的合理性。

圖4 水泥穩定碎石壓實成型

4 結語

對典型的3個斷面的監測和數值數據進行了對比分析，得到結論：（1）由于圍巖釋放作用，盾構開挖離監測面越近，隧道上部土體發生沉降越大，當掌子面分別距離監測面8 m、6 m和0 m時，監測面最大沉降分別為8.7 mm、9.6 mm和10.7 mm。之后，當盾構機繼續向前時，監測面地表沉降仍會繼續增大，直至最終趨于穩定。（2）DK3+006、DK4+124和DK4+375 3個斷面的數值模擬地表沉降值均與現場實測值吻合良好，3個斷面的數值模擬與現場實測值誤差均不超過5%，說明數值模擬結果的合理性。