天津地区盾构施工对地层沉降的影响

智 鹏，张建新 ，孙益欢，张 明，姬奎香

(天津城建大学 a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

近年来，盾构工法因其施工速度快、对周围环境影响小、机械化程度高等优势在软土地区修建地铁隧道中得到了广泛应用.但限于盾构工法自身的特点和各种复杂的地质条件，即使在盾构技术已相当成熟的今天，盾构施工仍不可避免地要对周围土体造成扰动[1-3].如何预测这种对周围环境不利的土层位移成为了亟待解决的问题.目前，国内外预测地层变形的方法主要有半理论半经验估算法、基于监测成果分析的预测法和数值模拟分析法.数值分析法能较为全面地考虑影响土层变形的各种因素，且能同时反映地表及深层土体位移的变化情况，因此对盾构施工进行模拟可较好地分析其对周围环境的影响规律[4-7].本文以天津地铁2号线某盾构隧道施工区间为背景，通过数值分析方法，研究盾构施工引起地表和深层土体变形的规律，以期能为天津地区日后盾构施工提供有益借鉴.

1 工程实例

天津地铁2号线某隧道盾构段全长4485 m，盾构外径 6.34 m，隧道直径 6.2 m，埋深在 11.0～28.8 m，管片宽度为 1.2 m.隧道施工采用土压平衡盾构机推进，同时采用同步壁后注浆技术.根据勘察报告可知，盾构施工主要涉及的土层有：①填土；④黏土；⑥4粉质黏土；⑧1粉质黏土；⑧2含黏性土粉砂；⑨1粉质黏土；4粉砂.各土层主要土性参数见表1.

表1 各土层主要物理力学参数

2 有限元模型的建立

数值模拟分析采用ABAQUS软件.考虑研究问题的对称性，模型取一半进行计算[1].模型的几何尺寸定为横向30.0 m、纵向60.0 m、竖向50.0 m.边界条件取以X轴为法线的模型左右面施加X方向的位移约束，以Z轴为法线的模型前后面施加 Z方向的位移约束，模型的底面取为固定边界.考虑到衬砌接头对衬砌结构刚度的降低，管片刚度取 0.15的折减系数.根据实际管片环宽，各开挖步土体宽度均取为1.2 m，共设立40个开挖步.土体本构模型采用莫尔-库伦模型.模拟时首先计算土体在重力作用下的初始应力场，并实现地应力平衡，然后进行隧道开挖和管片拼装等步骤.模型网格划分情况见图1.

图1 模型网格划分

基于该工程实际施工情况，初步进行模拟计算，并将其结果与实测结果进行了对比.图2为现场实际沉降监测点布置示意图，图3为本工程在开挖至21.6 m时地表沉降实测结果与数值模拟结果的对比曲线.由图3可知，两条曲线的沉降趋势相同，数值基本吻合，该模型满足问题分析的精度要求.

图2 现场沉降测点布置

图3 掘进至21.6 m时各测点沉降量对比曲线

3 盾构施工引起地层变形规律分析

3.1 盾构施工对地表隆沉的影响

图4为第10环断面经历不同掘进过程时各测点的隆沉变化情况.土体在纵断面上的位移变化情况列于表2.

图4 不同掘进状态下第10环断面竖向位移

表2 土体在纵断面上的位移

当盾构掘进至2环，即开挖面距离10环断面为10 m时，被考察面出现位于隧道轴线上方的最大隆起值为6.3 mm；当盾构掘进至6环，地表竖向位移由隆起变为沉降，但沉降值很小，最大沉降为1.5 mm；盾构掘进至考察断面后，地表沉降开始增大，并且随着盾构的不断掘进，被考察面上各测点的沉降量都随之增大；当掘进至35环时，断面上的最大沉降量为14.5 mm，位于隧道轴线上方；盾构掘进至40环时，断面沉降曲线与35环时基本重合，表明盾构掘进至35环时，被考察面上各测点位移已经趋于稳定.从整个过程来看，一个断面在盾构施工过程中要经历先隆起后变为沉降，沉降量逐渐增大直至稳定的过程.

表 3为沉降稳定时土体位移在横断面上的变化情况.最大沉降位于隧道轴线处；随着测点距轴线距离的增加，其沉降量逐渐减小；当测点距轴线 13 m左右时，即2～2.5倍隧道直径时，测点沉降量极小，表明此时土体基本不受盾构施工的影响.

表3 土体在横断面上的位移

图5为开挖至40环时C2、C4、C6断面上各测点的沉降情况.由图 5可知，沉降曲线都呈正态分布，与Peck经验公式[8]所描述的沉降槽形状吻合.在盾构掘进至40环时，随着C6、C4、C2断面距离40环位置的不断增大，其最大沉降量和沉降槽宽度都有所增加，表明盾构施工对地层的影响具有明显的空间效应，即同一时刻盾构对不同位置土体产生的影响不同.

图5 掘进至40环时各断面沉降量对比曲线

3.2 盾构施工对深层土体隆沉的影响

图6和图7分别为盾构掘进至40环时地下11 m和19 m处各断面土体的竖向位移曲线.由图6和图7可见，盾构施工对深层土体的影响同样存在着空间效应，随着考察断面至开挖面距离的增加，深层土体的最大沉降量和最大隆起量都有所增大.据前述规律，C2断面距开挖面距离已经超过5倍隧道直径，可认为该断面土体的隆沉已达到稳定状态.观察 C2断面土体隆沉情况，看出深层土体的最大沉降发生在隧道的顶部，最大值为28.4 mm大于同断面地表的沉降值.最大隆起发生在隧道的底部，其值为41 mm，随着测点距隧道轴线距离的增大，其隆起量逐渐减小，距轴线6 m以外土体几乎不受影响.

图6 地下11 m处各断面土体竖向位移曲线

图7 地下19 m处各断面土体竖向位移曲线

3.3 盾构施工对不同地层沉降的影响

图8为盾构掘进至40环时土体竖向位移云图.从图8可看出，不同位置、不同深度处土体竖向位移的量级.

图9为盾构掘进至40环时C2断面在地表、地下5 m和地下11 m处的沉降曲线.由图9可知，曲线分布形状都与Peck公式所描述的沉降槽相似.由3条曲线的对比可知，最大沉降发生的位置都在隧道轴线处；随着土体深度的增加，隧道轴线上方土体的沉降量随之增大，但沉降影响范围逐渐减小.从整体来看，越靠近隧道顶，沉降曲线峰值越大，曲线槽幅宽度越窄；越靠近地表，曲线峰值越小，但槽幅宽度越大.

图9 不同深度处的土体竖向位移曲线

正常情况下，浅表层与深层土体的沉降趋势应该是一致的，但深层土体对施工的扰动更为敏感，沉降量更大.所以在地下结构日趋增多的今天，不能把施工的控制标准仅局限于对地表沉降的观测，深层土体位移对地下结构的影响应该受到更多的关注.而且，在城市地铁的修建过程中，城市地表往往存在比下覆土层更为坚硬的路面等设施[9]，所以常常给施工监测造成假象，从而带来潜伏的隐患.作者认为这也许就是造成很多现实工程中地面的监测结果符合国家标准，但周围路面、建筑物却已出现开裂现象的原因所在.

4 结 论

(1)在盾构掘进过程中，地表任一断面土体竖向位移都是一个动态变化的过程.在开挖面距离考察断面大致1.5倍隧道直径时隆起量最大；进入1倍隧道直径后，由隆起变为沉降状态；随着盾构的不断掘进，沉降量逐渐增大，在开挖面超出5倍隧道直径后沉降趋于稳定.

(2)深层土体对盾构施工的扰动响应更为敏感.整个盾构施工过程中，土体的最大沉降发生在隧道顶部位置，最大隆起发生在隧道底部位置.

(3)同一断面不同深度土层的沉降量随深度的增加而增大，最大值都位于隧道轴线位置，但沉降影响范围随深度增加而呈减小趋势.

(4)实际施工时，应充分考虑城市地表硬壳对监测造成的影响，应采取必要措施监测深层土体的位移情况，以减小其对地下建、构筑物的影响.

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