盾構開挖對地表沉降的模擬分析

童雪雪，沈 曼，胡元超

（安徽新華學院城市建設學院土木系，安徽合肥 230088）

0 引言

位于隧道四周的土體，當盾構推進時，使得地層產生損失，進而使原狀土體受到擾動，應力得到釋放，進一步引起地層的變形，導致地表發生不同程度的沉降.由于盾構對原狀土體擾動而產生的地層沉降按照區段劃分為五個部分：初始沉降階段、盾構工作面前方的沉降、盾構通過的沉降、盾尾空隙沉降及土體次固結沉降[1-2].土體的開挖使得土體中原有的應力釋放，并發生重分布從而達到新的“平衡”，這個過程引起的即為初始沉降；而盾構開挖面的反向作用土壓力過大而隆起或過小而沉陷，也就是我們看到的工作面前方的沉降；土層的擾動使得盾構與土體之間發生剪錯，此時若出土量比較多，當盾尾通過時產生的沉降即為盾尾通過的沉降；盾尾間隙通常需要注漿時間來填補，如果注漿不及時或者注漿量不足或者壓力不合適也會引起沉降；土體次固結沉降則是由于土體后期蠕變引起的[3]，在盾構推過以后，土體的壓縮變形并未停止，應密切關注盾構上方的土體沉降.也有學者指出隨道地層的初始應力、開挖形成的空間效應和開挖支護過程等都會對地層沉降和水平位移產生影響[4].

關于盾構開挖對地表沉降的影響分析，孫會良[5]等人指出盾構施工過程中誘發地表沉降變形的主要因素為地層條件和盾構速率；次要影響因素為盾構掘進參數、掌子面穩定性及周邊環境影響；趙振偉、吳波[6]采用三維數值分析，總結出采用盾構施工時，地層變形遵循的規律，同時對于注漿壓力對地表變形的影響給予一定的討論；魏綱[7]等人研究了盾構隧道施工引起的地面變形計算方法，總結出在盾構隧道掘進過程中，地面通常是先隆起、后沉降，地面是否隆起是由正面附加推力、摩擦力和土體損失這3 個因素共同決定的.在現場實際施工時，推進速度和艙內土壓都應該嚴格進行控制，通過保持艙內外土壓的平衡可以有效地減小地表沉降數值[8].盾構推進不同階段時地面沉降的特征有所不同，基于此，王建秀[9]等人討論了盾構法施工引起地面沉降機理，同時將現場施工的實際監測數據與理論分析的地層損失率計算結果相對比，探索地面沉降、地層損失率以及施工參數之間的關聯性，進而采取適合的施工參數，實現地面沉降量的合理控制.

上述研究大多采用數值分析模擬隧道開挖，并對地表沉降進行分析研究.對于利用MIDAS/GTS 模擬在盾構隧道的施工過程中因土質情況、土體相關參數以及每循環推進進尺的不同對地表沉降影響的數值模擬研究仍然不多.為此，本文通過利用MIDAS/GTS 對以上幾種因素在相應變化量下進行模擬分析研究，得出了不同變量下的地表豎向沉降規律.

1 模型的建立及土體參數的選取

采用三維模型模擬，并運用MIDAS/GTS 數值模擬軟件模擬某地鐵區間段施工過程引起的地表沉降變化規律，采用控制變量法得出不同土質、不同土體力學參數以及不同開挖進尺情況下的地表沉降曲線形式與規律.

土體單元設定為3D，材料屬性設定為莫爾-庫倫，不勾選結構，初始應力參數K0測定值設為0.5；管片模型定義為3D 實體單元，模型類型設定為彈性，初始應力參數K0測定值設置為1；注漿層模型類型設定為彈性，但應勾選結構.掘進模型如圖1 所示，其中土體模型長100 m，寬30 m，高70 m，隧道埋深25 m，外徑D 為6.4 m.為開挖方便，每1.5 m 為一個開挖進尺.

圖1 盾構模型

2 盾構掘進過程的模擬

MIDAS/GTS 軟件中以單元的“鈍化”和“激活”來模擬土體的開挖與襯砌的施作及注漿的過程.施工模擬過程中要注意以下幾個環節.

2.1 位移清零

在利用建模助手建立施工段時，在“激活”原有土體、邊界約束力以及自重的同時要將各單元節點初始應力場清零以模擬初始應力場的情況.

2.2 材料屬性的變化

本文在施工階段分析中，間隙土的特性會發生改變，由于后期注漿的過程，間隙土的特性由原來的土的屬性改為注漿體的屬性.

2.3 注漿過程模擬

考慮到對地層的變形影響，開挖后及時進行注漿，但由于注漿有硬化的過程，因此在開挖第八步時，進行了注漿層邊界組的激活.

3 模擬結果分析

3.1 地表沉降變化

地表沉降等值線圖如圖2 所示，盾構推進結束，由隧道正上方向隧道兩邊曲線的走向可以看出，地表的沉降值呈現遞減趨勢，開挖中線正上方，沉降量是最大的，這說明隧道開挖對周圍的影響范圍是有限的，距離隧道軸線越遠，所受到的影響就越小，整個等值線走向近似服從Gaussian 正態分布.

圖2 地表沉降等值線圖

3.2 不同土質對地表沉降的數值模擬

本次模擬分別選擇了四種不同的土層進行模擬，各參數見表1.根據不同土質情況下得出的地表沉降值繪制圖3，由圖3 可以看出不同土質情況下沉降槽曲線均近似符合概率論中Gaussian 正態分布，但相應的沉降值不同.這主要是由于不同土的相應的力學參數不同所引起的，如土體的彈性模量、粘聚力、內摩擦角、容重及泊松比.將圖3 中的四條曲線進行比較，經分析可以得出：隨著土體參數的增加，土體沉降的范圍逐漸減小，隧道開挖時，盾尾的空隙不會被立即被填滿，土體會在自重作用下向下產生變形進而向著隧道底部位移，導致較大沉降發生；反之，當土體相關參數較小時，土體由于開挖受到擾動，應力得以釋放而向著隧道中心移動，部分土體無支撐作用，進而向著初襯聚集，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.[10]此外，從圖3中還可以看出，沉降曲線兩側出現輕微地隆起現象，這主要是由于盾構開挖面的平衡壓力比開挖面前方的水土壓力要大，導致開挖面前面的土體由于擠壓作用背向盾構移動，最終導致前上方土體隆起.

表1 模型中的土體參數

圖3 不同土質的地表沉降

3.3 不同開挖步驟地表沉降的變化

整個開挖模擬過程分為二十步，從中選取第三、九、十二、十八步的開挖地表沉降云圖，如圖4 所示.隨著盾構的推進，整個沉降槽曲線均近似符合概率論中Gaussian 正態分布，地表沉降最大值越來越大；距離軸線越遠，地表的沉降也越小.

圖4 不同開挖步驟地表沉降變化云圖

3.4 不同土體參數對地表沉降的影響

不同土層情況下對應的地表沉降不同，這主要是由于不同土層的土體參數不同所導致的.下面采用控制變量法，土層定量參數選擇表1 中的土層三，依據變量泊松比、內摩擦角、彈性模量以及粘聚力繪制沉降曲線如5—8 圖.

從圖5—8 中可看出，不同的力學參數下地表豎向沉降曲線在形態上基本相同，其沉降值隨著土體參數的增大逐漸減小，而沉降的影響范圍是有所增大的.從變化趨勢看，土體的彈性模量、粘聚力和泊松比的變化導致的地表最大沉降值變化較大，隨著土體的內摩擦角變化，地表的沉降變化量相對不大.這主要是由于在隧道開挖過程中，土體較大的內摩擦角容易形成拱效應，抵消一部分沉降.

圖5 不同泊松比的地表沉降

圖6 不同內摩擦角的地表沉降

圖7 不同彈性模量的地表沉降

圖8 不同粘聚力的地表沉降

4 結論

本文通過一系列的模擬結果得出如下結論：

（1）隧道開挖時，隧道中心線向兩端的地表沉降是逐漸減小的，開挖中心線最上方的地表沉降量是最大的，即沉降槽槽底，整個沉降槽曲線近似符合概率論中Gaussian 正態分布.

（2）開挖對地表沉降的影響范圍是有限的，本模型中，在距離中線48 m 左右的時候，沉降趨于穩定.

（3）不同土體參數對地表沉降的影響不同，土體的彈性模量、粘聚力和泊松比的變化導致的地表最大沉降值變化較大，相對來說，當土體的內摩擦角發生變化時，地表的沉降變化略小.

模擬過程基本考慮了施工范圍段土質參數，結論可靠，可利用上述結果指導該施工段施工中地表沉降的控制.