长沙地铁1号线盾构掘进参数对地表沉降影响分析*

周 轲，谭红霞，梁新权，屈畅姿，杨胜蛟

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105；2.长沙市轨道交通集团有限公司，长沙 41000)

长沙地铁1号线盾构掘进参数对地表沉降影响分析*

周 轲1，谭红霞1，梁新权2，屈畅姿1，杨胜蛟1

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105；2.长沙市轨道交通集团有限公司，长沙 41000)

为了研究长沙地铁施工中土压平衡盾构掘进参数对地表沉降的影响，本文基于长沙地铁1号线北辰三角洲站～开福寺站盾构区间隧道工程实例，统计了土压平衡式盾构在该区间段的部分掘进参数，并初步分析了参数之间的关系，进而通过数值模拟的方法分别探讨了地层种类、掘进压力、盾尾注浆压力等不同施工工况下的地表沉降响应.研究结果表明：测点沉降值随着隧道范围内圆砾或卵石成份含量增多而增大，但增大趋势总体上在减小；掘进压力对地表沉降的影响小，但地表隆起值与掘进压力成正相关，当掘进压力超过0.3 MPa后，隆起的幅度急剧增大；盾尾注浆压力提高1倍，地表沉降可减少10%以上，但过高压力值反而会引起管片应力急剧增大. 关键词：长沙地铁1号线；土压平衡盾构；掘进参数；地表沉降

当城市地铁这个系统内部或者外部环境发生急剧变化时，原有的平衡系统将被打破，随即发生了各种事故.据统计[1-2]可知，地铁施工时地面塌陷和沉降灾害占到发生事故比列的61%，而其中70%的事故均来自区间隧道施工，其中地面坍塌归根结底也是由于施工对地层的扰动使其产生沉降位移，而沉降位移的最直观反应即为地表沉降.本文实际施工中，盾构穿越开福寺附近区域时，不均匀沉降导致地表被击穿，随后使润滑盾构的泡沫剂溢出地表如图1所示，周边围墙开裂如图2所示.所以本文通过数值模拟的方法探讨施工参数对地表沉降的影响，并提出了控制沉降的相应施工措施.

图1 泡沫溢出地表

图2 开福寺围墙开裂

1 工程背景

长沙地铁1号线北辰三角洲站～开福寺站区间采用盾构法施工，本研究段右线区间里程为：YDK14+400～YDK14+470；盾构下穿开福寺附近区域时，主要地质为(13-1-2)强风化板岩、(13-1-3)中风化板岩，上部覆土地质为(1-2-1)杂填土、(1-2-2)素填土、(2-1)粉质粘土、(2-9)卵石，各土层特性值参考地质勘查报告.每当盾构机在含有圆砾层或者含有卵石层的地层中掘进时，地表沉降一般较大，沉降监测数据多次报警，迫使盾构机临时停止掘进.

2 盾构掘进参数

统计YDK14+400～YDK14+470范围内的施工掘进参数：推力，扭矩，土舱压力，同步注浆量，注浆压力，试图探求各参数之间的关联性.

图3 推力、扭矩、土舱压力

图4 注浆量和注浆压力

(1)①在YDK14+434～YDK14+436(强风化板岩地层)中为推力宜设置大一些；在YDK14+462～YDK14+470隧道内地层全为单一板岩地层，且上部分层均匀，所以推力值趋于稳定，约为12800 kn左右；本研究段推力偏度值为0.48>0，峰度值为1.16>0，且曲线为右偏态，分布呈尖峰状态，表明量值更集中.②在YDK14+411～YDK14+416段隧道内上2 m粉质粘土，下4 m强风化板岩，扭矩呈现较高位值，说明在软硬不均地层中应适当提高刀盘扭矩；扭矩离散程度较大，扭矩偏度值为0.15>0，峰度值为-1.19<0，曲线为右偏态且量值比较分散，波动幅度大.③在YDK14+434附近土舱压力变化最大，表明强风化板岩中土舱压力变化大，进入中风化板岩后波动幅度变小但量值有所提高；软硬不均地层中压力在平均值附近波动，且其平均数、众数、中位数基本一致，约1.2 bar，偏度值为0.31>0，峰度值为-0.6<0，曲线为右偏态，量值较推力分散，较刀盘扭矩集中.④推力与扭矩呈正相关，在单一的板岩中规律最明显.土舱压力在地层变化的交界处均急剧增大，一般处于高位值可确保掌子面的稳定.

(2)在单一板岩中,注浆量与注浆压力变化呈正相关且量值较为稳定；在含卵石的地层中掘进时，由于孔隙率和空隙率大，在2.2 bar这种低注浆压力下，注浆量仍可高达6.8 m3；在YDK14+411～YDK14+422粉质粘土地层中，由于土质的致密性和高含水率可抵抗浆液的渗透和扩散，且土层受扰动后没卵石灵敏，所以注浆量最少仅为5.9 m3.

综上，各施工参数受地层条件影响最大；推力值范围：8500～17000 kN，注浆压力值范围：2～4 bar(其中1 bar=0.1 MPa)；为后续模拟时提供参数选取依据.

3 盾构掘进过程模拟

3.1 基本假定

由于右线隧道施工时，左线隧道并未施工且其掌子面与右线掘进面距离300 m以上，所以本文重点研究右线隧道掘进施工影响.进行数值模拟时做如下假定：(1)盾构开挖过程中忽略土体变形的时间效应；(2)土体(DP材料)[3]结构相对疏松且地铁隧道埋深较浅，可以忽略构造应力，只考虑自重应力场；(3)将土体简化成均质水平层状分布的土层，并将土体视为理想的弹塑性材料；(4)盾构管片(C50)为各向同性的线弹性材料，沿开挖方向均匀且连续，并忽略接头的影响；(5)盾构在开挖过程中的施加顶进压力来模拟开挖面的土体移动，掘进压力为均布荷载，沿开挖面均匀布置；(6)在土体和管片之间施加一定厚度的实体单元来模拟注浆作用.

3.2 有限元ANSYS建模及参数介绍

岩体、注浆层、管片均采用实体SOLID65单元来模拟，模型共10920个单元，12264个节点.管片内径为5400 mm，管片厚度为300 mm.x方向为60 m,y方向计算尺寸为40 m,z方向计算尺寸为60 m.计算模型的位移边界条件：计算模型的上边界无位移约束，下边界施加y方向位移约束，左右两侧边界x=-30 m与x= -30 m施加x方向位移约束，而前后边界z=0 m与z= -60 m施加z方向位移约束.土体采用摩尔库伦模型，各参数参考长沙地铁1号线相关施工资料.有限元模型如图5所示.

图5 有限元计算模型

3.3 实测与模拟对比

图6 测点YDK634沉降曲线图

①地表轻微隆起阶段：测点YDK634实测值0.32 mm，模拟值0.048 mm；测点YDK643实测值0.6 mm，模拟值0.13 mm；②当盾构机离测点距离较远时，测点沉降小且表现较为平稳，之后随着盾构机向前推进，测点进入盾构掘进影响范围，地表沉降急剧增大，最后趋于平稳.③沉降急剧增大阶段：测点YDK634实测沉降增大值约为8 mm，模拟值约为4 mm；测点YDK643实测增大值0.87 mm，模拟值6.6 mm.④通过监测的结果与模拟值对比，发现曲线形状与走势较为吻合，模拟结果合理；由于现场环境复杂，且易受天气的影响、以及测量时的一些误差以及软件本身的局限性，使得沉降量值稍有差异.

图7 测点YDK643沉降曲线图

4 不同工况下的地表沉降响应

隧道地表沉降曲线[4]类似呈正态分布曲线，一般中心点的沉降最大，所以本文均只选取中心轴线对应的地表节点进行沉降分析.

4.1 盾构穿越不同地层影响

当盾构穿越不同地层时，地表测点的沉降响应各不相同.取与实际掘进基本相符的几种地层种类进行模拟分析，以求进一步探讨隧道范围内地质原因对地表沉降的影响，具体地层种类见表1.

表1 隧道范围内土层种类分布

(1)选取隧道中心轴线对应的部分地表节点进行沉降分析：

1)穿越强风化板岩时，沉降较小，基本可控制在0.5 mm以内，分别为-0.2 mm(850号)、-0.34 mm(4938号)；当有4.4 m中风化板岩侵入时，对地表沉降基本无影响，测点沉降曲线基本一致；2)当强风化板岩地层中侵入2 m圆砾后，此时变成了上软下硬型地层，由于盾构姿态难以控制，且土体受力容易不均衡，掘进对土体扰动大，沉降值有所提高.850号节点沉降急剧增大6倍，从- 0.2 mm增大到-1.4 mm，4938号节点沉降增大了12倍；3)盾构刚掘进时，在圆砾层中掘进比在卵石层中掘进引起的沉降值大18%，但在卵石层中隆起值明显，随着盾构的掘进，两种地层下施工时沉降将趋于一致.

(2)圆砾或卵石成份的含量对地表沉降分析：

图8 850号节点(Z= -3 m)沉降

图9 4938号节点(Z= -24 m)沉降

图10 沉降量与地层种类关系

由图10可知，穿越圆砾或者卵石层时沉降变化较为一致，沉降值随着隧道内圆砾或卵石成份的含量增多而增大，但增大的趋势总体上在减小，由其在3 m至4 m段沉降速率突然增大，之后随着含量的增加，增大趋势急剧减小.当含量从4 m增大至6.4 m时，2018号(z= -9 m)节点相对沉降速率低至：0.01 mm/m，基本无变化，而4938号节点沉降速率为0.26 mm/m.由于土体自身流塑性等特点，变形十分复杂，当有软弱不均匀地层侵入时沉降会立即加大.

所以实际施工时需要研究不同地层下的沉降规律，改良圆砾(卵石)层属性[5]可有效控制地层变形.

4.2 掘进压力影响

分别施加3种不同的掘进压力：工况一0.1 MPa、工况二0.3 MPa(实际统计值)、工况三0.9 MPa，依次换算推力值如文献[6]、文献[7]为：3100 kN、9400 kN、28000 kN，测点沉降曲线图如图11～图12所示.

图11 2018号节点(Z= -9 m)沉降

图12 3186号节点(Z= -15 m)沉降

①增大或者减少掘进压力对地表沉降的影响微乎其微，并未表现出一定的规律性，如图11就出现了掘进压力越小沉降反而越小的现象；②当掘进压力增大至0.9 MPa时，2018号节点最大隆起值为1.3 mm，3186号节点最大隆起值急剧增大至2.1 mm，掘进压力的增大导致施工对地表的影响范围增大，且随着盾构机的不断前进，后方测点受施工扰动时间长，累积沉降值大于前方测点.③隆起值与推力成正相关，当掘进压力超过0.3 MPa后，隆起的幅度急剧增大.

4.3 盾尾注浆压力影响

合理的注浆压力可以控制支护结构的变形,并使其变形达到最小，进而对地表沉降的影响也小，所以需要了解注浆压力对地表沉降的影响[8].分别施加3种不同的盾尾注浆压力：工况一0.1 MPa、工况二0.3 MPa(实际统计均值)、工况三0.6 MPa.

(1)选取隧道中心轴线对应的部分地表节点进行沉降分析：

由图13～图14可知，工况二比工况一注浆压力提高了2倍，使得850号节点沉降最大幅度可减少31%，4938号节点沉降减少幅度小，约为11%.工况三比工况二注浆压力提高了1倍，地表沉降减少15%左右；而4938号节点各工况之间数据接近，表明注浆压力的提高对减少地表沉降的作用减弱.

图13 850号节点(Z= -3 m)沉降

图14 4938号节点(Z= -24 m)沉降

(2)部分施工阶段管片应力图如图15～图17所示.

由图15～图17可知，工况三中由于注浆压力过大，注浆体与管片相互作用，导致管片等效应力急剧增大35%，量值达到1.09 MPa，过大的应力容易造成管片拼接处开裂，进而引起隧道结构漏水，所以减少地表沉降和管片受力应综合考虑.

图15 工况一管片应力/Pa

图16 工况二管片应力/Pa

图17 工况三管片应力/Pa

综上可得：刚开挖时距离850号节点为3 m，一开挖立即产生沉降响应，开挖至27 m(时间步为19)时，沉降基本稳定；距离4938号节点为24 m，当开挖至15 m时(时间步为11)地表才开始较大沉降，越远的测点越延迟响应；沉降影响范围为刀盘前方10 m、盾尾后方约25 m左右，该规律与实测地表沉降规律较为一致.

5 结论

基于实际掘进参数分析以及对盾构掘进过程的有限元模拟，进一步研究地铁盾构参数与地表沉降的关系，可得出以下结论：

(1)板岩地层中侵入2 m圆砾后，沉降急剧增大6～12倍；最初开挖时，在圆砾层中引起的沉降值比在卵石层中大18%，但随着盾构掘进，两种地层下施工时沉降将趋于一致；测点沉降值随着隧道范围内圆砾或卵石成份含量增多而增大，但增大趋势总体上在减小；必要时可针对该土层进行袖阀管注浆加固改良.

(2)增大或者减少掘进压力对地表沉降的影响微乎其微，并未表现出一定的规律性；隆起值与掘进压力成正相关，当掘进压力超过0.3 MPa后，隆起的幅度急剧增大.

(3)在类似地层中掘进时，盾尾注浆压力选取为0.3 MPa左右较为合理且与实际值吻合；注浆压力提高1倍，地表沉降可减少10%以上；可适当提高注浆压力的方法来保护某个区域，但过高压力值反而会引起盾构管片应力急剧增大；盾构施工纵向沉降影响范围为刀盘前方10 m、盾尾后方约25 m左右.

[1] 蔚 朋. 地铁施工灾害事故致因因素之间的非线性映射关系研究[D].天津理工大学硕士学位论文, 2014.

[2] 胡群芳.2003-2010年地铁隧道施工事故统计分析[J].地下空间与工程学报,2013,9(3): 705-710.

[3] 何本国. ANSYS土木工程应用实例[M].北京: 中国水利水电出版社, 2008.[4] Peek,R.B. DeeP Excavations and Tunneling in Soft Ground[A].In:Petrasovitsq MeesiJ,Proeeedings of the 7th Intemational Conference on soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. Mexico,State of the Art Volume,Soeiedad Mexieana de Mecanica de Suelos,A.C,Mexieo City1969,225-290.

[5] 胡 敏. 砂卵石土物理力学特性及盾构施工响应的数值模拟研究[D]. 广州: 华南理工大学硕士学位论文, 2014.

[6] 刘红兵. 土压平衡盾构隧道施工引起的地表沉降三维数值模拟[D]. 长沙: 中南大学硕士学位论文, 2007.

[7] 张 励. 盾构掘进参数对地表沉降影响分析[D]. 北京: 北京交通大学硕士学位论文, 2011.

[8] 邓宗伟, 陈建平, 冷伍明.盾构隧道壁后注浆作用机理的计算研究[J].塑性工程学报,2005,12(6).

Influence of Shield Driving Parameters of Changsha No.1 Metro Line on Surface Subsidence

ZHOU Ke1,TAN Hong-xia1,LIANG Xin-quan2,QU Chang-zi1,YANG Sheng-jiao1

(1.School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2.Changsha Metro Group Co., Ltd., Changsha 41000, China)

To investigate the influence of shield tunneling parameters on surface deformation, and based on Changsha No.1 Metro Line North Star Delta Station-Kaifu Temple station shield tunnel engineering, the statistical driving parameters of earth pressure balance shield in dome interval segment are given. Furthermore, the relationship between different driving parameters is also analyzed. In addition, the numerical simulation method is used to disusses the influence of several parameters on surfface settlement, namely formation types, driving pressure, and tail shield grouting pressure. The results show that the settlement of measuring point increases with the increase of the content of gravel and scree in tunnel, but there has been a downward trend; driving pressure has a slight influence on surface settlement; nevertheless, surface uplift value has positive correlation withthe driving pressure. Horeover, uplift amplitude increases sharply when the driving pressure is greater than 0.3 MPa; tail shield grouting pressure has doubled and surface settlment reduces more than 10%, but the high pressure would bring an increasing segment stress.

Changsha No.1 Metro Line; earth pressure balance shield; driving parameters; surface subsidence

2016-04-23

湖南省教育厅资助科研项目(13C934).

周 轲(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：岩土体变形研究.

谭红霞(1969-)，女，博士，副教授，研究方向：大跨度桥梁理论.

U455.43

A

1671-119X(2016)04-0074-06