盾构施工引起土体位移的数值模拟分析

严 峻， 席培胜， 齐天龙， 李 博

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

0 引 言

随着我国经济和城市建设的发展，地铁在缓解城市交通上起到了中流砥柱的作用。现今在地铁建设中运用较为广泛的是盾构施工法。盾构法本身具有自动化程度高、施工快速、对周围环境影响小、施工安全等优点。虽然盾构法施工技术随着盾构性能的改进有很大的发展，但仍然会不可避免地引起周围土体的位移，土体位移在地表上主要表现为引起地表不均匀沉降［1］，所以运用相关软件模拟施工过程，分析对周围土体的影响，了解土体位移的状况，掌握位移变化的趋势，及时做好支护，从而减少地面沉降是非常有必要的。本文主要是对周围土体竖向位移的模拟计算来反映盾构施工对土体位移的影响。

目前，盾构施工引起周围土体的位移的问题已引起了国内外学者的极大兴趣。凌贤长等基于拟建的哈尔滨松花江隧道，采用有限元数值模拟分析技术，研究了因盾构法掘进施工而引起的隧道周围土体位移的变化规律［2］。赵华松等以上海轨道交通明珠线二期工程某区间隧道为研究背景，建立了盾构法隧道施工的三维有限元分析模型，分析了隧道周围土体移动规律和体表沉降规律［3］。天津城市建设学院的张宇基于天津地铁3号线某区间隧道开挖引起地面沉降的实测资料，并结合理论计算与有限元数值模拟，利用有限元软件ABAQUS，分析了下穿隧道盾构施工对地表沉降及其上既有隧道变形的影响［4］。

1 工程背景及模型参数

以合肥地铁一号线繁华大道站～高铁南站区间段为工程背景，圆形盾构外径为6．0m，衬砌厚度为0．3m，内径为5．4m，埋深为12m。根据隧道开挖的影响范围参考已有的计算经验，取左右边界为隧道外径的3倍，即18m，隧道底部取隧道外径的1．5倍，即9m，最后整个计算模型宽42m，高27m，纵向深度取30m。具体平面布置见图1。

图1 圆形隧道断面布置图

本工程在合肥地区是属于膨胀土地区，故土体采用 Mohr－Coulomb模型，土层分为4层。具体见表1。

表1 土体数值模拟计算参数

隧道衬砌结构用的管片采用C50混凝土，将衬砌结构管片单元设置为孔模型（Null），支护时，将盾构管片设置为各向同性弹性模型（Elastic），具体参数见表2。

表2 盾构管片混凝土材料计算参数

2 模型的建立及模拟步骤

2．1 模型的建立

FLAC3D模型尺寸选为42（X方向）×30m（Y方向）×27m（Z方向），共划分了22680个单元，24428个节点，首先建立整体计算模型，其次再建立开挖后的模型，如图2、3。

图2 整体计算模型

图3 开挖后的计算模型

2．2 模拟的步骤

本文只对单孔圆形隧道进行模拟，模拟盾构施工过程对竖向位移的影响。

具体模拟步骤如下:

①首先建立三维模型，随后计算土体自重应力下的竖向位移；

②得到土体的初始应力场后，土体位移值赋零，为后面开挖做好准备；

③采用零模型（model null）进行分步开挖，每6m为一个开挖步，共五个开挖步，先计算整体开挖未支护情况下的竖向位移，然后分步计算开挖支护情况下的竖向位移，计算步距均为3000步。这里做简化处理，即假定盾构隧道开挖后随即进行支护。

④循环第（3）步，直至开挖完成，模拟过程结束［5］。

2．3 自重应力场下的竖向位移

首先模拟了土体在自重应力场下的土体的竖向位移。

图4 自重应力场下的竖向位移

3 整体开挖未支护的竖向位移

由于假设了盾构隧道开挖后随即进行支护。所以这里不需要将开挖未支护的每一步计算出，只需要计算整体开挖未支护的竖向位移。通过计算得出了盾构在整体开挖未支护时的竖向位移。如图5。

图5 整体开挖未支护的竖向位移

从图5中可以看出:最大竖向位移为－20．652cm，发生在拱顶位置。

4 开挖支护后的竖向位移

由于本工程地质条件复杂，所以本工程衬砌支护方式主要采用喷射混凝土来支护。在数值模拟中通过用壳结构单元来实现。

通过数值模拟计算得出了盾构在开挖第一、二、三、四、五步时的开挖支护后的竖向位移。如图6至10。

图6 第一步开挖支护后的竖向位移

图7 第二步开挖支护后的竖向位移

图8 第三步开挖支护后的竖向位移

图10 第五步开挖支护后的竖向位移

为了更好地分析盾构施工对地表隆沉位移的影响，将盾构施工分为五步，然后在地表位置上取点监测进行分析得到如图11。

图11 盾构施工对地表隆沉的竖向位移

5 结 论

将计算出来的竖向位移，找出最大竖向位移进行比较，结合图11得出周围土体竖向位移影响的得出如下结论:

（1）整体开挖未支护的最大竖向位移为20．65cm方向向下，表示下沉。产生这一现象的原因是由于盾构掘进引起开挖面土体位移，以及受扰动土的固结沉降。整体开挖支护后的最大竖向位移为2．592cm方向向上，表示隆起。得出这一结果的主要原因是由于假定了开挖后立即支护，没有等开挖后土体沉降完成后再进行支护，所以有了计算结果地表隆起的现象。

（2）通过计算得出整体开挖后未支护的竖向位移达到了20．65cm。对施工以及施工安全均造成很大影响，开挖支护后的最大竖向位移为2．592cm，说明支护效果明显。

（3）综合图11，可知盾构施工对地表竖向位移的影响最主要的表现为对地表的隆起且隆起的最大竖向位移一般多发生在拱顶上方地表位置。所以要特别注意对这些位置的隆起的防护。

1 李围．隧道及地下工程FLAC解析方法［M］．北京:中国水利水电出版社，2009（1）:239．

2 凌贤长，王丽霞，吴立新．盾构施工触发隧道周围土体位移变化规律的数值模拟分析［J］．中国公路学报，2003（2）:79－81．

3 赵华松，周文波，刘涛，等．双线平行盾构施工引起的土体位移分析及其软件开发［J］．上海大学学报，2005（4）:418－422．

4 张宇．软土地区近距离下穿隧道盾构施工对地表沉降及既有隧道变形影响分析［D］．天津:天津城市建设学院，2010．

5 范德伟，宋晓光．盾构开挖对地下管线影响的数值分析［J］．燕山大学学报，2009（3）:247－253．