盾構隧道開挖過程地表變形分析

張明麗

（阜陽市茨河鋪樞紐工程管理所,安徽 阜陽 236000）

1 引言

隨著我國城市化建設的快速發展,地下空間的利用得到了大幅提高。以隧道為例,隧道在開挖過程中會對周圍環境產生影響,導致地表發生變形和沉降,影響隧道的安全運營。目前隧道開挖的方式主要為盾構施工。相比其他方式,盾構法對地層的擾動更小,但不可避免的對周圍巖土體造成擾動。因此如何有效地預測和控制隧道施工過程中對地層產生的不利影響,是目前國內外研究的熱點和難點。

葉友林和路志旺[1]基于數值模擬研究了沈陽地區砂礫地層淺埋盾構隧道開挖對地表變形的影響,結果表明,拱頂覆土厚度、土體強度對地表變形影響很大,因此合理地進行選取初始注漿彈性模量在一定程度上可改善地表變形。丁靜澤和陳建平[2]基于現場變形監測數據和數值模擬研究了武漢地鐵隧道地表沉降規律。結果表明,隧道開挖施工過程中地表沉降可分為3 個階段：分別為初期沉降階段、快速沉降階段和沉降收斂階段,各階段中快速沉降階段地表沉降量占總沉降量的67%。孫國慶[3]基于FLAC3D 數值有限元研究了淺埋隧道開挖對地層變形影響。結果表明,隧道的地表沉降均小于10 mm,隧道施工過程較為安全,穩定性較好。馬樂民等[4]基于現場監測數據和數值模擬研究了隧道左右線洞口段施工時序對隧道地表沉降的影響。結果表明,地表沉降量受洞口段地形高低、隧道開挖及支護時間等多因素疊加影響。徐新星[5]依托某隧道工程實例,利用有限元軟件建立模型進行數值計算,研究了隧道兩種斷面開挖施工方法引起不同方向的土體變形。結果表明,數值模擬得到的土體變形與實測數據相近,文中提出的地表沉降變形預測模型是合理的。張彪等[6]采用物理模型試驗研究了不同樁基長度對隧道開挖地層的變形影響。結果表明,隧道周圍土體變形隨樁體的長度增大而先增大后減小,中長樁基對于隧道頂部的水平和豎向變形有良好的控制作用。劉俊生等[7]基于數值模擬研究了雙線盾構隧道開挖地表沉降變形規律。結果表明,雙線盾構開挖相互擾動效應明顯,實際施工中應采取支護措施,減小擾動影響。張天奇等[8]基于模型試驗和數值模擬研究了砂土隧道開挖引起的地表及深層土體變形規律。結果表明,隧道開挖過程中,隧道周圍土體的體積響應與應力路徑關系密切,即不同應力路徑下的土體體積響應有所不同。

本文基于數值模擬手段研究了盾構隧道開挖過程地表變形規律,分析土體的彈性模量以及厚度變化工況下,地表水平和豎向位移的分布規律。

2 工程概況與數值模型建立

2.1 工程概況

本文研究隧道地處高中山地貌,隧道的最大和最小埋深分別為500 m 和80 m 左右,高程位于940 m~1500 m 之間。地形起伏較大,斜坡坡度介于10°~30°之間。隧址區地層主要由粉質黏土和斷層角礫巖為主。地質構造復雜,發育有較多的斷裂構造,對隧道施工影響較大。隧道施工主要包括開挖,襯砌和注漿填充。在盾構掘進過程中,應力部分釋放,隨著襯砌拼裝,地應力全部釋放并達到穩定。

2.2 數值模型建立

采用FLAC3D 建立隧道開挖數值模型見圖1。其中模型的長度為60 m,寬度為40 m。襯砌結構采用Shell 單元模擬,折減系數取值為0.75。襯砌結構與土體采用接觸面模擬,其中,接觸面參數法向剛度和切向剛度取值分別為Kn=109Pa /m、KS=109Pa/m。巖土體和襯砌結構材料的物理力學參數根據室內土工試驗取值,具體見表1。隧道埋深為15 m,外徑和內徑分別為6 m 和5.4 m。襯砌厚度為0.3 m。巖土體采用摩爾-庫倫本構計算。襯砌假定為各向同性彈性體。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 模型有限元網格劃分圖

本文假定隧道開挖方式為應力釋放法[9]。為研究多層土中各層土厚度比值以及各層土剛度比值對地表變形的影響,本文將模型中的土層劃分為兩層和三層（圖2）。各層土的厚度分別表示方法見圖2。其中各層土厚度之比定義為厚度比,下文中統一用A 表示,各土層之間的彈性模量比值定義為剛度比,下文中統一用B 表示。

圖2 模型有限元網格劃分圖

3 計算結果與分析

3.1 土層厚度比的影響

圖3 匯總得到固定土層剛度比B=0.13 情況下,土層厚度比分別為0.29、0.42、0.6、0.82 和1.11 工況下,地表的水平和豎直向位移分布規律。結果表明,地表水平向位移隨距隧道中心距離的增大呈高斯分析形態。當剛度比不變時,厚度比越大,水平和豎向位移越大。當土層厚度比小于0.82 時,水平和豎向位移變化速度比較小,當厚度比為1.1 時,位移顯著增大,其最大水平位移為7.1 mm,豎向最大位移為20 mm。總體結果表明,對于較小彈性模量的土層厚度不斷增大,土層整體的有效剛度逐漸減小,而較小的剛度導致較大的地表變形。

圖3 兩層土地表位移分布規律

圖4 匯總得到固定土層剛度比B=8 情況下,地表的水平和豎直向位移分布規律。與圖3 結果相比。土體的水平向位移和豎直向位移隨上層土厚度的增大而減小。且減小幅度明顯小于圖3 位移增大幅度。水平位移在距隧道中心15 m 處達到最大,最大值為7.5 mm；豎向位移在距隧道中心0 m 處達到最大,最大值為42 mm。導致這一現象的主要原因也可以用有效剛度理論解釋,即隨著較大彈性模量的土層厚度增大,整個土體的有效剛度增大,從而減小了土體的變形量。此外,由于土體的有效彈性模量對地表的位移影響不同。彈性模量減小導致引起的地表位移大于彈性模量增加而引起的地表位移。因此,即使土層厚度比相同,但由于不同彈性模量的土體層厚度增大或者減小,也會導致地表水平和豎向變形發生差別。

圖4 兩層土地表位移分布規律

圖5 匯總得到固定剛度比B=0.25,三層土層厚度變化工況下地表位移分變化情況。結果表明,地表水平和豎向位移隨中間土層厚度的減小而逐漸增大,但增加速率較小,水平和豎向位移曲線近似服從高斯分布曲線。水平位移在距隧道中心15 m 處達到最大,最大值為6 mm；豎向位移在距隧道中心0 m 處達到最大,最大值為17 mm。但由于土層層數不同不會改變地表形態,因此變形曲線都服從相同的分布規律。

圖5 三層土地表位移分布規律

3.2 土層剛度比的影響

圖6 匯總得到土層厚度比固定為0.6 時,剛度比變化對地表水平和豎向位移的影響規律。結果表明,當上層土的彈性模量為3 MPa 時,地表水平和豎向位移隨剛度比的增大而減小。產生這一現象的原因有兩方面：（1）當剛度比改變時,土體的有效彈模增大,進而導致土體的變形減小；（2）隧道開挖對地表變形的影響存在一定的影響范圍,在該影響范圍之內,隧道周邊土體的的變形起到控制作用,隨著剛度比減小,控制影響區內的土體彈模增大,土體處于硬化階段,隧道地表水平和豎向位移減小[10]。

圖6 兩層土地表位移分布規律

4 結論與建議

本文基于FLAC3D 數值有限元,在平面應變的假定條件下,建立數值有限元模型,計算并分析了土層厚度比變化和土層剛度比變化對地表水平和豎向位移的影響,得到如下結論：

（1）當剛度比較小且保持不變時,地表水平和豎向位移隨厚度比的增大而增大；當剛度比較大且保持不變時,地表水平和豎向位移隨厚度比的增大而減小,造成結論相反的原因是由于剛度比不同導致土體的有效彈性模量改變,進而導致地表位移發生改變。

（2）對于三層土情況,盾構隧道施工對地表變形的影響仍然受有效彈性模量和影響區的控制。但無論何種情況,地表位移曲線均呈現出高斯分布形態。

（3）根據本文的研究,隧道施工過程中需關注影響區范圍對地表變形的影響,建議在隧道周圍增加地表變形監測儀器,隨時關注地表變形動態變化；隧道開挖過程中及時進行襯砌拼裝和注漿加固處理。