基于ABAQUS模型的轨道交通盾构施工引起地表沉降分析

张宝良，李大华，徐子方，周冬青，李季佩

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230601；2.国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽合肥23000）

基于ABAQUS模型的轨道交通盾构施工引起地表沉降分析

张宝良1，李大华1，徐子方2，周冬青1，李季佩1

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230601；2.国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽合肥23000）

盾构施工造成的地表沉降越来越受到重视，在开挖的过程中如何保证土体的稳定和严格的控制地表沉降是当前研究的重点.以合肥地铁一号线为工程背景，利用ABAQUS软件进行模拟，对盾构施工引起地表沉降的因素进行分析，并结合地表沉降监测数据，与模拟数值做比较，结果表明：盾构掘进压力越大，地表沉降越小；盾构衬砌的同步注浆层厚度越大，对盾构施工产生的缝隙填充效果就越好；地表沉降量随着开挖深埋的增加而减小；注浆层弹性模量越大，地表沉降越小.最后将模拟数值与监测数值进行对比，结果基本吻合，说明该研究具有一定价值.

地铁盾构；数值模拟；地表沉降；ABAQUS

目前我国城市处在快速发展时期，城市土地被高度利用，建筑物密集，人流量大，尤其在繁华地段交通压力急剧增大.地铁盾构施工时，会对邻近的建（构）筑物、管道及道路造成不利影响；结合实际的复杂工况，地铁盾构施工的难度系数骤增.近年来，地铁坍塌事故已发生多起，例如在北京，上海和广州的地铁都发生过类似的事故，为此，学者们进行众多盾构施工引起地表沉降方面的研究，这对指导工程施工具有重要意义［1-3］.骆建军等依据建（构）筑物结构相应部位的破坏值，来制定地面沉降基准指标［4］；韩煊等以Peck经验理论为基础，利用预测建筑物沉降的刚度修正法，对建筑物结构安全稳定进行了分析［5］.

目前盾构法施工已做了很多研究工作，但由于地质条件复杂多变，根据现场工况施工条件的不同，使得不少研究成果都具一定的局限性.目前对盾构法隧道掘进施工引起的地表沉降分析及预测方法主要有：经验公式法、解析法、理论分析法、模型试验法和数值分析等［6-7］.以合肥地铁一号线的盾构施工为工程背景，分析盾构施工中引起地表的沉降及其影响因素，通过实际监测数据行了研究，为今后类似工程施工提供参考.

1 工程概况

1.1 工程位置及周围环境概况

合肥地铁一号线葛大店站～望湖城站区间由平行的两条隧道构成，隧道开挖截面为圆形，每条隧道单线贯通，右线里程：K12+683.900～K14+113.612，全长1 428.1 m.左线里程：K12+683.900～K14+152.612，全长1 467.1 m.区间在K13+186.793处设联络通道，在K13+584.6处设置联络通道兼废水泵房，线间距12.00～15.20 m，最大纵坡25.437‰，隧道直径6 m，拱顶埋深9.12～16.62 m，采用盾构法施工.

1.2 现场水文地质条件

场地地下水类型以上层滞水为主，区间广泛分布着黏土层，层总厚度较大，埋深浅，地下水水位标高20.22～30.36 m，水位埋深2.60～6.00 m，段内富水性较弱，主要为泥质砂岩，基岩裂隙水总体较贫乏，段内地下水总体不发达.

盾构区间主要穿越：（1）第一层粉质粘土层；（2）第二层杂填土；（3）第三层粘土①；（4）第四层粘土②；（5）第五层粘土③.

（1）第一层粉质粘土层：呈褐黄色、灰黑色、杂色.化学成分复杂，堆积时间短，稍经压实，局部见砂及碎石块，土体堆积极不稳定，施工期间容易发生坍塌，土层厚度一般为0.5～2 m.

（2）第二层杂填土：灰、灰褐色，土质较纯，含少量铁锰氧化物结核、高岭土，切面光滑，无摇震反应，干强度高，不连续分布，韧性中等.

（3）第三层粘土①：褐黄色、黄褐色，含氧化铁、高岭土，铁锰结核，切面光滑，干强度高，局部含铁锰质结合富集.

（4）第四层粘土②：灰褐色、灰黄，土质不均，硬塑状，切面较粗糙，韧性一般，段内分布不均匀，局部含有风化颗粒.

（5）第五层粘土③：全风化泥质砂岩，全风化，紫红色，粉粒结构，岩芯风化呈土柱形状，遇水易软化，易钻进，岩质软，段内不连续分布，原岩结构大部分已遭到破坏，全部钻孔未能穿透该土层，最大目标深度-25.01 m.

2 计算模型建立

以合肥地铁一号线为背景，盾构开挖采用三维有限元软件ABAQUS建模，沿x正轴为隧道盾构宽度方向，沿y正轴为土体深度方向，沿z负轴为隧道轴线方向，整个模型中用三维实体单元构成，模型土体土层分为5层：第一层粉质粘土层，第二层杂填土，第三层粘土①，第四层粘土②，第五层粘土③，因为盾构隧道开挖造成土体应力应变的影响，故在距隧道中心轴线约3～5倍的开挖直径范围内会对土体有较为明显的影响，3倍开挖直径范围内的应力应变变化约为10%，超过5倍的开挖直径时，应力应变变化会降到约3%以下［8］.区间盾构隧道覆土埋深16 m，距地表较浅.推进步数取20步，步距为1.5 m，总长30 m；严格按实际工程确定模型的尺寸为80 m×40 m×30 m（长×宽×深），盾构机长8 m，盾构机刀盘直径6.28 m，衬砌管片外径6 m，厚度为30 cm.建立模型图步骤是首先要建立原始的地层模型，然后施加边界约束条件，采用迭代计算直至系统平衡，在模拟地层初始应力状态后删除盾构所在位置的单元土体，进而建立相应单元体，在进行迭代计算使之土体应力重新平衡，则有限元分析模型图（见图1）.

图1 有限元分析模型图

衬砌管片处理：衬砌管片视为弹性材料，依据泊松比、弹性模量来计算单元刚度，管片采用C50 P12混凝土，每环衬砌宽1.5 m.隧道衬砌采用高强度膨胀螺栓连接，通过考虑隧道衬砌接头对结构刚度的影响，对衬砌的材料参数进行折减，按0.15折减系数进行折减［9］.建立有限元模型中的土体材料参数见表2.

表2 土体材料参数

3 模拟结果

3.1 盾构开挖在不同掘进压力条件时对地表沉降的影响

掘进压力设置为T=200 kPa，T=300 kPa和T=600 kPa三种情况分别进行讨论，隧道覆土埋深12 m，注浆厚度0.3 m，盾构推进步距1.5 m，共开挖30 m，进行计算分析后可得出不同掘进压力地表横向沉降位移曲线图（见图2）.

当掘进压力依次按上述设置，则得出地表沉降峰值依次为28.01 mm、23.93 mm、19.16 mm（见图2）.经比较发现掘进压力越大，地表沉降越小，当盾构掘进压力在600 kPa时，地面纵向位移开始出现突变，这是由于盾构开挖时引起前方开挖面的压力值大于盾构前方土体中应力的释放，使开挖面前方土体受到挤压而出现土体隆起，且地表最大沉降的点位置是在隧道正上方中心处，区间的盾构掘进压力不能超过600 kPa为宜.

图2 z轴-15 m处地表横向沉降位移曲线图

图3 z轴-15 m处地表横向位移沉降曲线图

3.2 盾尾的不同注浆层厚度对地表沉降的影响

模型等代层厚度分别取：r=0.2 m、r=0.3 m和r=0.5 m三种情况分别进行讨论，隧道覆土埋深12 m，掘进压力300 kPa，盾构推进步距1.5 m，共开挖30 m，进行计算分析后可得出盾尾的不同注浆层厚度地表横向位移沉降曲线图（见图3）.

地表沉降量是随着注浆层厚度的增加而减少，并且注浆层厚度越大，对隧道盾构施工产生的缝隙填充效果越密实，使土体应力释放的影响越小，造成的地层损失越少，引起的地表沉降变形越小（见图3）［10］.由此可知通过改变注浆层的厚度能够有效地控制地表沉降.盾构衬砌同步注浆层的厚度如果太大，会造成土体局部压力过大而引起土体内部结构的破坏，使土体周围产生具有一定的劈裂扩散效应,因此实际工程中的注浆厚度值取0.3 m较为合适.

3.3 盾构开挖的不同埋深对地表沉降的影响

隧道拱顶埋深分别设置为12 m、15 m，两种情况分别进行讨论，掘进压力300 kPa，注浆厚度为0.3 m，盾构推进步距1.5 m，共开挖30 m，进行计算分析后可得出隧道盾构开挖不同埋深地表横向位移沉降曲线图（见图4）.

地表沉降量是随着隧道开挖深埋的增加而减小，峰值从25.6 mm减小到23.6 mm，并且随着开挖深度的增加，对土体的扰动越小，引起土体横向沉降的影响范围却有所增大，原因是地表沉降主要由地层损失和土体的固结沉降引起的，而固结沉降是在隧道开挖完成以后才开始的，故在整个开挖阶段影响地表沉降的主要方式是地层损失.因此盾构开挖的埋深越大，地层受扰动越小，引起地层的损失越小，造成的地表沉降值就越小（见图4）.

图4 z轴-15 m处地表横向位移沉降曲线图

图5 z轴-15 m处地表横向沉降位移曲线图

3.4 盾构开挖的不同注浆弹性模量对地表沉降的影响

假设在盾构注浆开始阶段，注浆弹性模量设置为E=0.18 GPa；当注浆完成以后注浆体在短时间内固化，此时注浆的弹性模量设置为E=1.8 GPa；当注浆体完全固化后，注浆的弹性模量设置为E=18 GPa.将这三种情况分别进行讨论，掘进压力300 kPa，注浆厚度0.3 m，隧道埋深12 m，盾构推进步距1.5 m，共开挖30 m，进行计算分析后可得出不同注浆的弹性模量地表横向沉降位移曲线图（见图5）.

当注浆层弹性模量为0.18 GPa时，地表沉降峰值为24.9 mm；当注浆层弹性模量为1.8 GPa时，地表沉降峰值为21.3 mm；当注浆层弹性模量为18 GPa时，地表沉降峰值为19.9 mm（见图5）.经比较发现注浆层弹性模量越大，地表沉降量越小，是因为在盾构同步注浆开始时，注浆体短时间内无法固化，造成注浆体强度不够，使弹性模量较小，注浆体无法对隧道周围土体形成有效的支护，同时土体应力的释放会造成注浆体变形，引起地层损失，造成地表沉降.当注浆体渐渐进入固化阶段后，注浆体强度骤升，弹性模量变大，此时能对隧道周围土体产生较好的支护，注浆体和衬砌管片达到新的应力应变平衡，则地表沉降基本稳定.因此当盾构开挖时，应及时进行同步注浆，使注浆体达到一定的早期强度，这对控制地表沉降是十分有利的.

4 模拟数值与实际监测值比较分析

实际地表沉降量监测最大值为29.9 mm，小于地表基准值30 mm，地面交通能正常运营，模拟数值最大值为24.6 mm，对比得出：模拟数值与实际监测值差不大，差值约为5.5 mm（见图6）［11］.地表沉降量模拟数值基本吻合实际监测值，模型模拟数值可以为工程施工作为指导.由于模型进行了理想化的假设、简化，施工参数选取的不合理，以及施工作业人员在施工过程中操作的不合理等都会使模拟数值比实际监测值小.

5 结语

（1）盾构掘进压力应控制在一定的范围内，适当的增大掘进压力能够减小地表沉降，但超过一定值时会引起地表隆起，区间的掘进压力宜采用600 kPa.

（2）注浆层厚度越大，盾构施工产生的缝隙填充效果越密实，造成的地表沉降变形就越小,工程中的注浆厚度值宜取0.3 m.

（3）盾构隧道开挖埋深越大，地层受扰动越小，引起地层的损失越小，则地表沉降值就越小.

（4）在盾构掘进过程中，在保证其它参数不变的条件下，通过改变注浆层弹性模量的大小，能较好的控制地表沉降.

（5）模拟数值基本吻合实际地表监测沉降值，模拟数值可以为工程施工作为指导.

图6 模拟数值与实际监测值的对比

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Based on ABAQUS Model of Rail Transit Shield Construction Causes the Surface Subsidence Analysis

ZHANG Bao-liang1，LI Da-hua1，XU Zi-fang2，ZHOU Dong-qing1，LI Ji-pei1
（1.School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601；2.Institute of Economics and Technology，Anhui Electric Power Corporation，Hefei 230000，Anhui，China）

The ground settlement caused by shield construction has been more and more taken seriously.How to ensure the stability of the soil in the process of excavation of and strictly control the surface subsidence is the focus of current research.Based on the engineering background of Hefei subway line one，using ABAQUS software to simulate，of shield construction，this paper analyzes the factors which cause the surface subsidence，combined with the surface subsidence monitoring data，and simulation numerical comparison，and the results show that the surface subsidence is smaller with the greater pressure of shield tunneling;the shield lining of shield construction gap filling effect is better with the greater synchronous grouting layer thickness;the surface subsidence decreases with the increase of excavation depth;the surface subsidence is smaller with the greater grouting layer modulus of elasticity. Finally，by the comparison between the simulation and monitoring values，the results are basically consistent，suggesting that the study has a certain reference value.

the subway shield；numerical simulation；the surface subsidence；ABAQUS

TU475+.9

A

1007-5348（2017）06-0054-05

（责任编辑：欧恺）

2017-03-15

国家电网安徽省电力公司资助项目（1P12001500010681000000）.

张宝良(1986-)，男，黑龙江哈尔滨人，安徽建筑大学土木工程学院初级工程师，硕士；研究方向：建筑与土木工程.