土仓压力对盾构下穿公路引起地表变形的影响分析

梁 伟，席培胜

(1.安徽建筑大学 安徽省建筑结构与地下工程重点实验室，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

土仓压力对盾构下穿公路引起地表变形的影响分析

梁 伟1，席培胜2

(1.安徽建筑大学 安徽省建筑结构与地下工程重点实验室，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

为了研究土仓压力对土压平衡盾构施工引起地表沉降的影响，以合肥轨道交通2号线青阳路站到西园路站区间盾构施工为背景，基于Midas/GTS软件，建立了盾构下穿南一环道路的三维数值模型。通过模拟结果与现场监测结果的对比分析，得出以下结论：盾构施工对隧道纵向上地表变形的影响主要发生在监测点前后20 m范围，且地表沉降速率随着开挖面的接近而增大，远离而减小，直至沉降量趋于稳定；土仓压力的大小与地表变形具有一定的线性关系，既地表沉降量随着土仓压力的增大而减小，地表隆起量随着土仓压力的增大而增大；数值模拟结果与实测结果的沉降规律较吻合，模拟效果较好，这对合肥地区以后的类似工程具有一定的借鉴意义。

土仓压力；数值模拟；地表沉降

随着城市地下空间的大规模开发与利用，城市地铁网络也在不断发展与完善，而地铁的修建往往需要下穿既有建(构)筑物，比如深圳地区地铁一期工程天虹一岗厦区间隧道与民房桩基距离仅为0.31 m[1]。在地铁隧道施工中，最主要的问题就是控制施工对周围土体、地层的扰动，从而减轻施工对既有建(构)筑物的影响。地层变形是盾构施工对既有建(构)筑物的主要影响，控制地层变形显得尤为重要，而影响地层变形的因素很多，主要有土仓压力、注浆压力、材料参数等。针对地层变形的影响问题，国内学者进行了大量的研究：周必凡[2](P208)等通过研究得出地层变形表现为地表沉降，沉降主要是隧道衬砌结构与土体间的空隙引起的；陈亮[3]、李倩倩[4]等通过统计分析地表变形监测数据，得出了地层与既有建(构)筑物的变形特征；纪梅[5]等利用有限元方法建立了三维数值模型，分析了圡仓压力的大小对地表沉降的影响。

本文主要以合肥地铁2号线青阳路站到西园路站区间盾构施工为背景，采用数值模拟方法，并将模拟结果与监测数据对比，来研究土仓压力的变化对地表变形的影响，为合肥地区以后类似工程土仓压力的设置提供参考。

1 工程概况

合肥市地铁2号线青阳路站到西园路站区间隧道工程采用盾构法双线施工，隧道右线里程：YSK25+496.237～YSK26+763.793，全长1 267.556 m，在YSK26+606.222～YSK26+763.793段下穿南一环道路。

隧道下穿采用土压平衡式盾构施工，隧道圆外径为12.56 m，隧道衬砌管片厚0.3 m，宽1.5 m，管片外径6.0 m，设计强度为C50，抗渗等级为P12，管片采用3+2+1错缝拼装的方式进行安装。盾构下穿南一环道路主要穿越的地层为人工填土、黏土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中等风化泥质砂岩。

2 模型建立

2.1 模型尺寸及边界条件

数值模拟选取里程为右线YSK26+699.529～YSK26+759.529路段，使用Midas/GTS软件进行三维有限元建模及计算。计算模型尺寸根据力学原理应取为隧道直径的3倍以上，才能消除边界的影响，按照隧道直径12.56 m，模型尺寸取为50 m×60 m×50 m，隧道拱顶埋深18 m，如图1所示。模型上表面为自由面，模型前、后、左、右侧边界施加水平法向约束，模型底面施加竖向法向约束，初始应力条件按岩土体自重考虑[6]。

2.2 本构模型及屈服准则

在低应力情况下，岩土体的应力应变关系基本符合理想弹塑性模型，屈服规律符合Mohr-Coulomb 屈服准则。因此，在本次数值模拟过程中，各岩土体的本构模型取弹塑性模型，屈服准则选用Mohr-Coulomb屈服准则。管片、桩变形主要处于弹性阶段，它们的本构模型采用线弹性本构模型。

图1 盾构下穿公路三维数值网格模型

2.3 模型计算参数

结合青阳路站到西园路站的地质报告及类似工程的材料参数，得出本次模型的材料力学参数如下表1和表2。

表1 土体物理力学参数

表2 各材料物理力学参数

2.4 模型计算方案

模拟右线隧道纵向长度为60 m，管片宽1.5 m，把两个管片的宽度作为一次开挖的长度，模型共划分为20个开挖节段，如图2所示，盾构掘进过程采用三阶段法[7]循环进行，直至右线开挖结束。

图2 盾构隧道模型

3 结果分析

3.1 监测点布置

为了随时关注盾构下穿过程中对地表变形的影响，施工单位在隧道上方路面布置了监测断面。模型选取横断面DBC53～DBC56进行模拟计算，如图3所示，横断面之间距离20 m，每个横断面方向(横向)设置9个监测点，5号测点位于下穿隧道中央，各监测点距离3～6 m不等。

图3 监测断面图

3.2 土仓压力值设定

通常，土压平衡盾构施工时，盾构施工时的土仓压力会按刀盘前方的地层土压力与静水压力之和进行设定，从而使开挖面地层保持稳定。根据纪梅等对土仓压力值得研究分析[5]，土仓压力P与土体的自重应力σz有如下关系：

(1)

式中:k0为假定的土仓压力P与土体自重应力σz的关系系数。

为了分析土仓压力的大小对地表沉降的影响，模型对k0为0.3、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0时的土仓压力进行了模拟计算。

3.3 对比分析

3.3.1 实测对比

盾构施工中，土仓压力的取值应等于或接近刀盘前方岩土体的静止土压力，取k0=0.7时的土仓压力进行模拟并与实测结果进行对比，结果如图4和图5所示，从图中可以看出，由于数值模型中各材料的参数和本构关系的选取与实际略有出入，以及实际监测过程中出现的误差，导致了模拟与实测结果的差异性，但整体沉降趋势上表现一致，证明了数值模拟结果的可靠性。

图4 横断面DBC54与实测对比结果

图5 横断面DBC55与实测对比结果

3.3.2 土仓压力影响分析

隧道中轴线上方监测点DBC54-5和DBC55-5在不同的土仓压力下随着盾构掘进造成地表变形特征如图6和图7所示。

图6 监测点DBC54-5地表变形曲线

图7 监测点DBC55-5地表变形曲线

从图6和图7可以看出，监测点地表变形主要发生在监测点前后(隧道纵向)20 m范围。图6中，隧道开挖到距离监测点前20 m时，k0取0.3、0.5、0.7、1.0时，监测点地表发生轻微的沉降；k0取1.5和2.0时，监测点地表首先发生轻微的隆起；图7中，除了k0取0.3时监测点地表发生沉降外，k0取其它值时，地表都是发生轻微的隆起，以k0取2.0时隆起最大。 而导致这两幅图形差异性的原因主要是因为模型选取的开挖面与DBC54断面之间的距离只有20 m，这样就忽略了盾构在距离断面20 m之前施工的影响。从两幅图形中可以发现，随着开挖面到监测点之间距离的减小，地表沉降速率不断变大，当开挖面到达监测点正下方时，地表沉降速率达到最大，地表沉降最快。随着开挖面远离监测点，地表沉降速率不断减小直至为零，当距离监测点超过20 m后，监测点的沉降趋于稳定，基本保持不变。

图8和图9是监测断面DBC54和DBC55在不同土仓压力下的地表变形情况。从图中可以看出，k0的取值对地表变形的影响很大，当k0取0.3时，监测断面DBC54、DBC55的最终沉降量最大，没有发生隆起；而当k0取2.0时，监测断面的最终沉降量最小，且监测断面DBC55发生了轻微的隆起。k0取0.5、0.7、1.0以及1.5时，监测断面DBC54表现为k0越大，沉降量越小；而监测断面DBC55表现为沉降曲线基本重合。造成两幅图差异性的原因主要是由于数值模拟时忽略了距离监测断面20 m之前的影响，造成监测断面整体隆起量较小，沉降量偏大。当土仓压力取值过小或过大时，都会对盾构刀盘前方土体造成无法挽回的沉降或者隆起，并对既有建(构)筑物造成极大的破坏，选取合适的土仓压力对盾构施工的安全和效率至关重要。

图8 监测断面DBC54地表变形曲线

图9 监测断面DBC55地表变形曲线

4 结论

(1)本文利用三维数值模型对盾构下穿公路引起地表沉降进行了数值模拟，得出了与现场实测数据比较吻合的结果，对合肥地区以后类似工程具有一定的借鉴意义。

(2)通过模拟与实测数据的对比分析，得出了盾构施工对隧道纵向上地表变形的影响主要发生在监测点前后20 m范围内，且引起地表最大沉降一般发生在隧道中央上方。监测点沉降速率随着开挖面的接近而增大，远离而减小，直至沉降趋于稳定。

(3)土仓压力的大小直接影响到工程及既有建(构)筑物的安全性，当土仓压力取值过大时，会造成盾构刀盘前方土体的破坏性隆起；土仓压力过小时，会造成沉降量过大，这两种情况都会对地表及建筑物产生一定的安全隐患。通过模拟结果与实测结果的对比分析，盾构下穿南一环道路过程中的适当土仓压力的k0建议取值在0.5～1.0之间，这时的土仓压力对地表隆起和沉降量的影响都较小，可以有效的保证道路和盾构施工的安全性。

[1]杨永平，周顺华，庄丽．软土地区地铁盾构区间隧道近接桩基数值分析[J]．地下空间与工程学报，2006，2(4)：561-565.

[2]周必凡，李德基，罗德富，等．泥石流防治指南[M].北京：科学出版社，1991.

[3]陈亮，黄宏伟，王如路．近距离上部穿越对原有隧道沉降的影响分析[J].土木工程学报，2006，39(6)：83-87.

[4]李倩倩，张顶立，房倩，等．浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变形特性分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33(增2)：3911-3918.

[5]纪梅，谢雄耀.大直径土压平衡盾构掘进引起的地表沉降分析[J].地下空间与工程学报，2012，8(1)：161-166.

[6]胡众，邵迅.盾构隧道下穿既有城市隧道施工力学分析[J].四川大学学报(工程科学版)，2016，48(增2)：52-59.

[7]张恒.下穿立交桥盾构隧道掘进控制技术研究[D].成都：西南交通大学(硕士学位论文)，2009.

Analysis on the Impact of Surface Deformation Caused by the Earth Pressurein Soil Warehouse when the Shield Machine Undercrossing Highway

LIANG Wei1, XI Peisheng2

(1.AnhuiProvincialKeyLaboratoryofBuildingStructureandUndergroundEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China;2.CivilEngineeringSchool,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

In order to study the effect of stratum displacement of EPB shield construction caused by the earth pressure in soil warehouse. The three-dimensional model of shield undercrossing the south ring road highway is established based on Midas/GTS in the background of shield driving through Hefei metro line 2 Qingyang Road station to Xiyuan Road station interval. By comparing the simulation results with the field monitoring results, the following conclusions are drawn: The influence of shield construction on the longitudinal deformation of the tunnel is mainly in the range of 20m before and after the monitoring points, and the surface subsidence rate increases with the approaching of the excavation surface, and away from decreases until the settlement becomes stable. The size of the earth pressure in soil warehouse and surface deformation showed a linear relationship, the size of the earth pressure decreases with increasing the amount of surface subsidence，the surface uplift amount increases with the increasing the size of the earth pressure. The numerical simulation results agree well with the measured results, simulation effect is better, for the future similar project has some reference significance.

shield tunneling; the earth pressure in soil warehouse; ground settlement

2017-03-31

合肥市轨道交通建设安全风险控制课题研究(2014CGFZ3107)。

梁伟(1992-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向：地下结构工程；席培胜(1969-)，男，安徽滁州人，博士，教授，硕士生导师，研究方向：地下结构工程、地基处理和环境岩土工程。

TU941

A

1009-9735(2017)02-0138-04