不同盾構掘進參數下的土層擾動數值分析

摘 要：本文以大連地鐵5號線中華路站至泉水東站區間段施工為背景，分析了在不同推進速度和出土速率下盾構掘進過程中的地表沉降規律。運用離散元軟件對盾構掘進過程進行數值動態模擬，得到了不同掘進參數下地表變形規律，由此得到最適合的盾構參數。在此基礎上，利用經驗公式計算的地層損失率模擬橫截面土層沉降位移，同時模擬地層拱效應。研究發現，對大連地鐵項目最合適的推進速度為1mm/s，最合適的相對出土速率為0.66。當地層損失率為1%時，地表最大沉降約為20mm，沉降形狀與Peck曲線基本吻合。

關鍵詞：地表擾動；盾構施工；地層損失率；盾構參數

中圖分類號：TU 43 " 文獻標志碼：A

隨著我國經濟的發展和城市化的加劇，盾構隧道的建設越來越廣泛。在一些復雜地層中進行盾構作業的過程中，由于土體切削，初始地應力發生變化，因此使盾構區間出現隆起或沉降。為確定地表沉降問題，很多學者對地表沉降進行了一系列研究。方恩權等[1]基于Peck公式提出了一種利用插值法、最小二乘法的預測模型，并將該模型應用到信息系統進行地表沉降預測。李建斌等[2]依托廈門地區盾構隧道工程，基于隨機場理論，采用蒙特卡洛策略和有限差分模擬計算相結合的方法，對地層變形進行分析。郝如江等[3]選取對盾構施工地表沉降較為敏感的參數，建立神經網絡預測模型，結合差分進化蟻群算法，預測地表沉降。

本文對大連地鐵5號線中華路站至泉水東站區間的地層進行離散元軟件建模分析，結合地質勘察資料，對盾構機掘進過程進行模擬。分析盾構機推進速度、螺旋出土機出土速率等因素對地層擾動的影響，根據模擬結果分析隧道開挖100mm[4]后的地表沉降和隆起位移等指標的變化規律。

1 工程概況

大連地鐵五號線全長為23.8km，車站18座。中華路站～泉水東站區間以中華路站為起點，由南向北下穿石灰石礦體育場、在光明路跨泉水河橋西側下穿泉水河、沿規劃道路向北到達泉水東站。本區間設計范圍包括中華路站～泉水東站正線區間及區間范圍的附屬結構工程。附屬結構包括一座聯絡通道兼泵房。

大連市地處遼東半島最南端，東瀕黃海，西臨渤海，南與山東半島隔海相望，北依遼闊的東北平原。山地丘陵多，平原低地少，整個地形為北高南低，北寬南窄。地勢由中央軸部向東南和西北兩側的黃、渤海傾斜，面向黃海一側長而緩。本區為千山山脈南延的丘陵區，長期受地質構造、風化剝蝕及水流侵蝕堆積等內外營力的作用形成了不同地貌單元，地形復雜多變。場地為低丘陵溝谷地貌，早期為入海口，后經人工回填，地勢整體較為平坦。區間場地孔口標高為16.90～18.46m，最大相對高差為1.56m。

隧址區內未見規模較大的褶皺構造，但常見小的層間褶曲和揉皺，它對巖體的完整性會產生有不良影響。

2 施工數值模擬

本文使用PFC軟件對經過塊石處理后的土體進行動態模擬，記錄不同掘進參數下的地表擾動情況，總結地層擾動規律，找到最合適的盾構掘進參數，為盾構高效掘進參數設定提供參考。

2.1 宏細觀參數標定

與連續介質力學分析方法相比，基于顆粒細觀力學行為，以牛頓第二運動定律為準則的顆粒流程序PFC更能準確反映作為散粒體結構的土體，在荷載作用下的細觀結構變化[5]。PFC參數標定以地勘報告為準，由原位試驗和室內試驗確定含水率、天然重度、孔隙比內摩擦角、內聚力等土樣物理力學性能指標。根據上述地勘報告，使用三軸數值試驗對模型土樣進行參數標定，對比兩種結果，進一步調整最合理的細觀參數。經過標定后的顆粒流數值模擬參數見表1，其中，顆粒半徑服從0～1均勻正態分布。

2.2 建立模型

綜合考慮離散元計算效率，本文數值模擬過程將三維盾構掘進過程簡化為二維狀態，根據研究可知，只要隧道直徑與顆粒直徑之比大于10就可以消除顆粒尺寸效應，離散元模型采用等效縮放模型，隧道直徑D=6m，顆粒最大粒徑為0.009m，滿足要求。計算范圍（x，z）選取2×2m的矩形空間，x為隧道掘進方向，z為與隧道垂直的豎向。由地勘報告得知，所處土層主要是素填土，為模擬土樣狀態，根據表1數據，用均質砂土顆粒線性接觸模型，采用砂雨法生成地層。

2.3 盾構掘進過程模擬

在顆粒流軟件PFC中，用墻體單元模擬盾構機刀盤及邊界，在水平地表設置101個測點，用來檢測位移和速度情況。通過賦予墻體x軸方向速度控制推進速度，用支護面板推進代替盾構機推進，對進入螺旋出土機的顆粒進行刪除，模擬土體運出的狀態。通過控制土倉內顆粒體積模擬不同出土速率下的推進情況。

3 計算成果分析

3.1 推進速度分析

當隧道位移增至85mm時，隧道表面會發生較大的顆粒變形，這表明該區域的土壤開始失效，并且可以觀察到地表沉降/隆起。為便于觀測地表的位移情況，選擇推進距離為100mm。分別對推進速度為1mm/s、3mm/s、5mm/s、7mm/s這4種工況進行模擬。地表位移與推進速度關系圖如圖1所示。

由圖1可知，盾構機推進速度越快，對地表的擾動影響也越大。當速度超過5mm/s時，地表位移超過20mm，根據掌子面顆粒狀態可知，此時掌子面已經失穩，地基承載力下降，顆粒發生重分布，沉降位移不再繼續增加，而是趨于穩定。分析不同速度位移的均方差，當速度為1mm/s時，均方差為45.5mm2，當速度為3mm/s時，均方差就達到了65mm2。可以發現推進速度對地層影響極為明顯，為保持掘進過程中的地表穩定，推進速度一般不能超過1mm/s。

3.2 出土速率分析

通過調整土顆粒在螺旋出土機中的常態高度來模擬螺旋機出土速率變化，以顆粒高度為0模擬土速率大于推進速率，改變常態土顆粒高度分別為0m、0.05m、0.1m、0.15m，模擬4種不同工況出土速率下的地表擾動情況。4個不同的高度為右側離開螺旋出土機的4種土壓力，用掘出土顆粒的體積表征出土體積，其相對出土速率分別為1、0.66、0.44、0.38。

螺旋出土機出土速率對地層的擾動包括刀盤前方的地面隆起和沉降，隨著出土速率增加，位移先減少后增加，其中，最佳狀態是保證開挖速率的同時減少地層擾動。當推進速度為1mm/s時，對應的最佳出土速率為工況0.05m，因此施工時，應提前確定不同的推進速度的最佳出土速率。

螺旋機出土速率對地層的影響小于推進速度。但仍然是控制地層擾動的關鍵因素，因此控制好出土速率對維持地層穩定極為重要。

3.3 地層橫截面沉降與拱效應分析

盾構法施工逐漸應用廣泛，對盾構法施工引起的地面沉降的相關研究也日益增加。目前有很多計算盾構法施工引起地面沉降的方法，當前可以通過Peck公式計算地層損失率。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下，所有沉降槽的體積應該與地層損失的體積相同，如果地層損失在隧道長度上均勻分布，那么地面沉降的橫向分布為正態分布。地表沉降的橫向分布如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：S（x）為沉降量；vi為地層損失量；Smax為隧道中心線處最大的沉降量；i為沉降槽寬度系數。

i的計算方法有很多，常用的attewell計算，如公式（3）所示。

i=r（z/2r）0.8 "（3）

式中：r為隧道半徑；z為隧道的中心埋深。

地層損失率的計算過程如公式（4）所示。

R=v1/v （4）

式中：v為盾構的截面積。

PFC模型參數選取見表1，采用剛性墻wall來模擬隧道，由于wall不會因外力而產生位移或變形，因此必須手動確定地層損失率。假設襯砌已經因為重力下沉，開挖面和襯砌相切，則模型試樣如圖2所示。

用砂雨法生成土樣，模擬自然條件沉積下的土層應力狀態。根據等效縮放理論放大自重應力以貼合實際狀況。開挖后的地層橫截面地表沉降值由隧道中點向四周逐漸減少，最大沉降值在中軸線。由于地層損失，因此圍繞隧道四周土層出現明顯的拱效應，上側應力分布較均勻，沒有明顯的峰值應力，這種效應大大減少了對地表的位移擾動。

對地表位移設置測點進行位移監測可知，地表位移形狀基本符合Peck曲線，最大位移出現在隧道中軸線上，證明地層損失率假定合理，通過限制地層損失率的相關參數，減少地層損失率可有效限制地表位移。由于土樣試驗數據不完整，因此無法完全確定實際位移，但可以此為參考，指導實際工程。根據已有經驗，應將地層損失率控制在1%以下。

3.4 推進過程模擬與分析（速度角度）

刀盤前方的開挖面土體會形成三維松動區域，加上開挖面上方所覆土體的重力作用，土體受到擠壓，有發生松動并向盾構機土艙滑動的趨勢。可以通過螺旋輸送機排出進入盾構土艙的土體，保持土艙內渣土量恒定。由于現場地質情況的不確定性，因此很難保證盾構掘進的動態平衡，當進土過快或者過慢時，易導致開挖面失穩。將PFC2D部分盾構刀盤前方0.5m范圍內的土體顆粒視為開挖面土體，監測開挖面土體顆粒進入土艙的狀態。在模擬過程中，不斷調整耦合模型中的盾構掘進模式，若開挖面土體顆粒進入土艙的速度基本不變，則開挖面穩定，若開挖面土體顆粒進入土艙的速度發生突變，則開挖面失穩。

對推進100mm后的地面擾動情況進行檢測，有效掘進面積與有效出土面積之比為3.9/0.7=5.57，因此出土速率為5.57。初始狀態顆粒速度為0，并以推進100mm時的速度狀態模擬施工推進過程的掌子面狀態，用30mm/min推進，掌子面顆粒運動速度最大達到1.5mm/s，相對擾動可忽略不計，對地層的影響隨深度減少，影響范圍為正前方約45°楔形體。地表顆粒最大速度約為0.2mm/s，可見此狀態對地表影響增加，但整體仍較小，掌子面穩定。地表顆粒最大速度約為0.2mm/s，此狀態下的掌子面顆粒變化較大，但對地表影響不大，地表小范圍出現隆起或沉降現象。用70mm/min推進，掌子面顆粒運動速度最大為3.0mm/s，掌子面處的顆粒受到周圍土體的阻力，速度沒有顯著提高。地表顆粒最大速度約為1mm/s，此狀態下的掌子面顆粒變化較大，但對地表影響不大，地表出現隆起或沉降現象。

4 結論

當使用土壓盾構進行地層施工時，除了可能引起地層變形外，若土倉內支護壓力控制不當，則可能導致開挖面失穩，出現地表坍塌，嚴重影響施工人員、施工機械和周圍環境的安全，給國民經濟造成重大損失。因此選擇合適的盾構掘進參數極為重要。本文針對大連地鐵工程具體參數進行分析，得出以下結論。1）盾構機掘進速度越大，對地表擾動的影響也越大，在速度超過5mm/s后，位移基本達到最大。推進速度對地層的擾動主要體現在刀盤前方地面隆起，隨著推進速度增加，隆起位移也隨之增加。當速度增加時，沉降位移也會增加，但幅度與隆起相比較小。由此可見，速度對地層擾動影響較大，控制好推進速度對維持地層穩定極為重要。由實際項目可知，推進速度不足0.1mm/s，對地表擾動可基本忽略。2）螺旋出土機的出土速率對地層的擾動包括刀盤前方的地面隆起和沉降，隨著出土速率增加，位移先減少后增加，最佳狀態是保證開挖速率的同時減少地層擾動。當推進速度為1mm/s時，對應的最佳出土速率為工況0.05m，因此施工時，應提前確定不同的推進速度的最佳出土速率。3）當地表損失率控制為1%時，地表沉降位移最大為46mm，此時的地表擾動可忽略，對地面建筑基本無影響。根據地層力鏈分布狀況可知，拱效應對維持地層穩定有較大幫助，充分利用地層拱效應可有效減少地表擾動。

參考文獻

[1]方恩權，楊玲芝，李鵬飛.基于Peck公式修正的盾構施工地表沉降預測研究[J].現代隧道技術，2015，52（1）：143-149，162.

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