小半徑曲線隧道盾構施工地表沉降分析

劉亞輝， 王亞飛， 黃運生， 尹忠輝， 陳磊杰

(1.中鐵隧道局集團路橋工程有限公司， 天津 300300； 2.安徽建筑大學 土木工程學院， 安徽 合肥 230601； 3.安徽省城市建設和地下空間工程技術研究中心， 安徽 合肥 230601)

隨著我國城市化水平的提高，地下空間開發利用規模增大，隧道建設成為地下空間開發中的重要方式[1]。理想的城市地鐵線路由直線和少量曲線組成，但受城市區域內錯綜復雜的地上和地下建筑物影響，地鐵線路常需避開障礙物，不可避免地出現小半徑曲線隧道。與直線型隧道相比，小半徑曲線隧道盾構施工時更易出現超(欠)挖，造成盾體被卡、管片破損、隧道侵限和地面沉降等問題[2]。過大的地面沉降將造成建筑物傾斜、地基穩定性破壞，影響地面建筑物的正常使用。因此，施工過程中最大程度減少對地表及鄰近建筑物的干擾，正確預測及有效監測施工帶來的沉降，確保施工安全有序進行顯得尤為重要。

鄧皇適[3]基于鏡像法推導小轉彎半徑盾構施工引起地表沉降計算公式，地層損失模型合理且地表沉降分布與實際情況一致。路林海[4]通過Peck公式修正后得到曲線隧道的地表沉降預測公式，并將計算結果與工程實測數據進行了對比分析。肖昭然[5]通過數值建模及工程現場實測，研究曲線隧道中地鐵列車荷載對隧道結構的影響。張雁[6]研究發現曲線半徑小于300 m時地表沉降將隨著半徑變小而顯著增加。劉攀等[7]通過現場實測與理論計算相結合的方式分析曲線隧道施工中的襯砌控制措施。黃雪梅等[8]研究盾構在曲線下穿多軌道鐵路群時的地表沉降，總結了相關盾構施工控制措施。

本文以合肥地鐵4號線天水路站-翠柏路站區間段為背景，利用有限元軟件Midas GTS NX模擬盾構動態開挖過程，研究不同超挖量下地表沉降的變化規律，并將數值計算結果與實際監測數據進行分析對比，為合肥地鐵建設提供技術參考，完善施工。

1 工程概況

合肥軌道交通4號線翠柏路站-天水路站區間段采用盾構法施工，平面呈“S”型，區間總長約2 773 m。區間線路出翠柏路站后以R=350 m平曲線從銅陵北路與泗水路交口進入銅陵北路，沿銅陵北路自北向南前行一段距離后，以R=350 m平曲線下穿合肥東編組站42股道群，最終到達天水路站。區間隧道平面圖如圖1所示。

圖1 區間隧道平面圖

天水路站-翠柏路站區間位于江淮波狀平原，南淝河二級階地之上，地形較平坦。隧道采用單層裝配式襯砌結構，襯砌圓環內徑5.4 m，外徑6.0 m，另有14 cm的注漿層，隧道開挖直徑為6.28 m。盾構穿越合肥東站股道群處的覆土厚度(至道床頂)為14.35～15.59 m，隧道左右線間距為11.82～16.39 m。

根據勘察資料，隧道穿越區段為工程地質V單元，主要可分為第四系人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統沉積層(Q4l)、第四系晚更新統沖洪積層(Q32al+pl)、第四系殘積層(Qel)及上白堊紀統張橋組地層(K2z)。其中，盾構穿越段隧道洞身主要位于第四系晚更新統沖洪積層的黏土和粉質黏土層。

2 盾構隧道三維有限元模擬

2.1 本構關系與計算參數

本模型中，土體采用實體3D單元模擬，采用Mohr-Coulomb本構模型[9]，依據本工程地勘報告進行合理簡化，確定各土層參數，其余材料參數依照實際結合混凝土結構設計確定。襯砌管片與注漿材料采用實體單元模擬，盾殼則采用板單元模擬，注漿壓力選取為200 kN/m2，材料屬性參數如表1所示。

表1 材料屬性參數表

2.2 模型建立

將隧道隧區層、管片層和注漿層設置為R=350 m的圓曲線來模擬隧道開挖情況[10]。隧區層為后續需要鈍化的土體，直徑5.4 m，管片層厚度0.3 m，注漿層厚度則為0.14 m。開挖進尺選取一個管片的長度，即開挖步長1.5 m[11]。最終模型尺寸為：X向取88 m，Y向取75 m，Z向取60 m。隧道頂覆土高度為16.9 m，隧道間距為20 m。根據郝潤霞[12]所推導曲線段盾構理論超挖量計算公式，通過改變曲線隧道內側超挖量δ，研究曲線隧道發生不同超挖量與地層損失率對地表沉降的影響[13]。將超挖層設為0 mm、25 mm、50 mm，分別對應于無地層損失(即理想狀態曲線開挖)、地層損失率0.8%、地層損失率1.6%。盾構下穿合肥東編組站股道群的三維數值計算模型如圖2所示。

(a)曲線隧道模型 (b)計算模型

2.3 結果分析

隧道開挖完成后地表沉降云圖如圖3～圖5所示。對比理想曲線開挖狀態下與發生地層損失情況下的地表沉降云圖，地層損失率對地表沉降存在明顯的影響。在不發生超挖即理想開挖的情況下，模擬地表沉降最大沉降為-4.30 mm；地層損失率為0.8%時，最大沉降為-6.39 mm；當地層損失率為1.6%時，地表沉降最大沉降-10.80 mm。相比于理想曲線開挖地表沉降，發生0.8%和1.6%的地層損失率后，地表沉降分別增大了48.6%和151.1%。由此可見，地層損失對地表沉降的影響十分明顯，地層損失量越大，地表沉降也越大。

圖3 理想曲線開挖位移云圖

圖4 地層損失率0.8%時開挖位移云圖

圖5 地層損失率1.6%時開挖位移云圖

將3種工況下的地表沉降進行整理后得到沉降對比圖如圖6所示。隧道為小半徑曲線，呈曲線向右彎曲，因此地表沉降的最大值分布在隧道左右線隧道之間，但是沉降最大值更接近于隧道右線上方。總結前人對雙線平行直線隧道的沉降規律后可以得出，雙線曲線盾構施工所引起的地表沉降情況與直線隧道的開挖沉降類似，主要表現為“V”形，即位移沉降中間大兩端小。地表沉降隨開挖距離變化圖如圖7所示，隨著盾構機的不斷掘進，地表沉降最大值也隨之變大。同時隨著地層損失率的不同，地表沉降的變化也不同，地層損失率越大，地表沉降變化速率也越快。在不改變盾構掘進其他參數的情況下，盾構發生地層損失將明顯導致地表沉降變大。因此合理控制盾構掘進姿態，減少土體損失在實際施工中顯得尤為重要。

圖6 3種工況下地表沉降量對比圖 圖7 地表沉降量隨開挖距離變化圖

3 原位測試

3.1 監測實際數據

在區間盾構掘進過程中，由于外界復雜因素的影響，很難單純從理論上預測工程中遇到的問題，而且理論預測值也不能全面而準確地反映工程的各種變化。所以，在理論指導下進行現場施工監測十分必要。本文選取左線隧道中心、右線隧道中心和軌道南側12 m處地表共42個沉降監測點的數據，將其與數值計算所得結果進行對比分析。監測點布置如圖8所示。地表沉降與盾構雙線路基沉降監測點監測所得數據如表2所示。

圖8 監測點分布示意圖

表2 盾構雙線路基沉降監測數據

3.2 與模擬數據對比分析

實測左線隧道、右線隧道路基的沉降如圖9所示。由圖可知，在盾構掘進過程中，左右線中心上方地表沉降數據并不完全相同，但整體來看沉降相差不大。實測地表沉降介于數值計算土體不超挖與超挖25 mm之間，實測地表沉降大小滿足地面沉降控制要求，由此推斷盾構機在下穿合肥東編組站股道群的掘進過程中，存在部分超挖情況，但盾構姿態整體控制良好[15]。

(a)左線 (b)右線

4 結 語

以合肥地鐵4號線天水路站-翠柏路站小半徑曲線區間隧道盾構工程為背景，利用有限元軟件Midas GTS NX模擬盾構動態開挖過程，研究不超挖、超挖25 mm、超挖50 mm共3種情況對小半徑曲線隧道地表沉降的影響，并將數值計算結果與現場實測數據進行對比，結論如下：

(1)小半徑曲線隧道盾構開挖過程中，隧道周圍地表沉降分布曲線主要表現為“V”形，中間大兩端小。與直線隧道開挖后沉降不同的是，曲線隧道地表沉降的最大值會向轉彎半徑內側偏移。

(2)超挖對地表沉降影響十分明顯，超挖量越多，地表沉降越明大，且地表沉降變化速率也越快。

(3)左右線中心上方地表沉降數據并不完全相同，但沉降變化相差不大。