盾构穿越始发段土体加固区时土体沉降扰动分析*

刘文黎吴贤国王彦玉★曾铁梅张立茂

盾构穿越始发段土体加固区时土体沉降扰动分析*

刘文黎1吴贤国1王彦玉1★曾铁梅2张立茂1

（1.华中科技大学土木工程与力学学院，430074，武汉；2.武汉地铁集团有限公司，430030，武汉//第一作者，博士研究生）

在整个盾构的掘进施工过程中，其始发段施工是事故频发的危险区段。为此，以武汉市地铁江汉路到积玉桥越江段施工为背景，选用FLAC3D软件对盾构穿过始发段全过程的土体扰动规律进行分析。数值仿真分析结果表明：在始发阶段盾构经过土体加固区时，土体横断面沉降槽呈现正态分布规律；将土体加固后，加固区的地表沉降很小，表明加固区土体受到的盾构施工扰动效应较非加固区明显减小；盾构中部通过加固区和非加固区分界面时地表沉降增加速率最大，盾构机前部和尾部通过时地表沉降增加的速率较小；盾构掘进过程中非加固区土层的沉降槽均呈现正态分布，盾构掘进主要影响盾构开挖洞口横向两侧18～22 m范围内土体，以及纵向15～20 m范围内的土体。

盾构施工；始发段施工；土体扰动；数值模拟；沉降规律；端头加固

First-author′s addressSchool of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，430074，Wuhan，China

在整个盾构掘进施工中，其盾构始发阶段的安全风险极大。大量施工事故表明，始发段施工的成败严重影响着整个盾构施工的安全［1］。受土仓压力、泥浆和易性、推进力等施工参数和周围环境的影响，盾构始发段施工有很大的安全风险，易出现洞门塌方、地下水涌入始发井等事故。盾构始发段施工是整个地铁施工的核心环节，直接关系着整个地铁施工的安全。

盾构施工中，土体沉降有一定的特点，根据盾构机的掘进阶段，其特点大致可分为以下5种情况：盾构机前部未通过分界面的沉降；盾构机前部通过分界面的沉降；盾构机中部通过分界面的沉降；盾机尾部通过分界面的沉降；盾构机尾部通过分界面后后续沉降。

在盾构施工中，造成土体扰动的因素很多，如隧道覆跨比、洞口尺寸、盾构机选型、周围土质条件等。盾构掘进对周围土体的扰动主要包括土体的水平和竖向位移，从而引起地表沉降。国内外对盾构掘进对土体的扰动分析的研究很多。文献［2］研究了新建地铁盾构隧道和既有隧道的相互作用关系。文献［3］利用FLAC3D模拟盾构开挖过程对周围土体的影响。文献［4］采用数值模拟方法，给出了合理的开挖面支护压力。文献［5］分析了地铁施工对邻近桥梁的安全影响。文献［6］利用有限元软件模拟了在表面变形的影响下而产生的内部形变及流体特性。文献［7］用FLAC3D分析了新建隧道施工对已建隧道的作用规律。文献［8］通过对武汉广电大楼进行跟踪监测，分析各施工阶段对大楼的影响。文献［9］等指出有限元方法是研究软弱地基内层压力的有效评价方法。文献［10］针对盾构法隧道始发与到达施工特点，通过理论研究、力学试验和模型试验等手段，研究了加固土体的力学特性，研究了预控和应急措施等风险控制措施。

上述研究主要集中在盾构正常掘进阶段对周围环境的影响方面，而针对始发段的研究较少。武汉市轨道交通2号线是武汉市第一条穿越长江的地铁线路，其施工过程的多个阶段都具有较大的探索性。本文以武汉市地铁江汉路到积玉桥越江段的始发段施工为背景，结合特定的工程条件，对盾构始发段施工三维数值模拟，研究土体扰动规律。结合实际工程，针对盾构始发段施工阶段进行分析，利用FLAC3D软件构建盾构机掘进的数值模型，得到盾构掘进全过程的地表沉降及土体扰动规律，其研究结果可为类似的工程提供参考。

1 工程概况及施工方案

1.1 工程概况

武汉市地铁江汉路到积玉桥越江段，是武汉市重要的过江通道，其隧道连接江汉路站和积玉桥站。该隧道工程采用6.5 m的泥水盾构机施工，掘进距离为3.1 km。因为隧道越江，故盾构掘进时周围土体的含水量较高，在长江底部施工时，水压力达到0.6 MPa。在如此高承压水的工况下，采用泥水平衡盾构施工具有极大的难度，而其中的盾构始发施工阶段更是具有极大的挑战性。

由地质勘查以及钻孔抽样显示，施工区域的土层分布依次为：人工填土层（Qml）；冲积层（Q4al）；粉土层（3-1a）；黏土层（3-1）；粉质黏土层（3-2）；粉质黏土层（3-30；粉土层（3-4）；粉砂互层（3-5）；粉细砂层（4-2）；泥岩层；泥质粉砂岩层。隧道越江段施工主要通过黏土层（3-1）和粉质黏土层（3-2），部分穿过两者分界面。

1.2 盾构始发段施工方案

使用三重管法高压旋喷桩对盾构的始发井土体进行加固，旋喷桩采用φ900@600 m，桩间搭接200 mm，浆液采用R32.5普通硅酸盐水泥和自来水配制，水灰比1:1。根据现场加固效果监测试验，加固土体的抗压、抗拉强度和抗剪强度分别选取1.2、0.12和0.2 MPa。

盾构始发段土体加固范围的确定过程中，既要考虑工程的安全性，也要考虑其经济性。结合工程中的相关参数情况，得出了加固土体范围为12.2 m（横向）×9 m（纵向），竖向深度为12.2 m，如图1、2所示。

图1 质构始发段土体竖向加固范围

图2 质构始发段土体水平加固范围

2 盾构始发段施工模拟

盾构机直径6.52 m、长度9.4 m。在盾构始发段，其左右两条线路之间的间距为15 m，隧道埋深为12.6 m，盾构开挖面底部距地表距离为16 m。由于始发段处土体的土质含水量大、水压大，故而盾构始发会对周围土体的应力发生作用，也会对积玉桥地铁站产生影响。

为模拟盾构始发的影响，本文进行数值模拟。首先进行模型简化，模型选取盾构行进45 m，总长65 m，取竖直向上为Z方向，与Y和Z垂直的横向为X方向；根据圣维南原理，各边界选取隧道直径的3～5倍，即模型选取竖向区域至隧道下部24.3 m，选取水平区域至隧道外28.5 m，这样选取X、Y和Z方面尺寸分别为80 m、65 m和40 m（模型尺寸如图3所示）。模型中左边的隧道为盾构右线隧道，右边的隧道为盾构左线隧道。计算模型边界约束条件为：模型前后两个面约束Y向位移，两侧约束X向位移，底部固定，顶部为自由端。

为了降低盾构行进过程中的摩擦力，在盾构刀盘选型时，需选用直径大于盾构机外壳的刀盘，这样有利于盾构机的顺利行进。但由于过大的刀盘直径会使盾构壳外围出现一层超挖间隙δ，又由于盾构机的下沉作用，其顶部的间隙最大可达2δ（见图4）。参考相关文献，将盾构机的外壳直径简化为6.48 m，同时模拟由超开挖产生的盾壳外的环状空隙层1，考虑顶部间隙最大的情况，取顶部间隙为40 mm。衬砌管片的直径选为6.2 m；同样考虑到由于盾构机和管片外径不同也会产生一定的空隙，本文构建了空隙层2，取其间隙厚度为28 mm（见图5）。由于主要研究盾构行进过程对周围土体的影响，故而将周围的土体单元划分的较为细密，因此，模型共有134 400个单元，140 709个节点。

图3 计算模型示意图

由于盾构行进区域附近土层的土质条件没有显著变化，故而假设各层土体横向各向同性，且土质沿水平方向没有变化（见图6）。通过现场监测报告，各层土体土质参数如表1所示。同时，盾构管片选用C50混凝土，其弹性模量为34.5 GPa，体积质量为24.5 kg/m3，泊松比为0.2。

采用Mohr-Coulomb模型进行模拟，其中隧道开挖用空模型。首先，在受重力荷载作用下，得到场地原状土的初始应力状态；其后，在隧道开挖面施加支护压力，作用于盾壳外部的土体，采用壳单元模拟盾构机，低弹性模量材料模拟空隙层，同时隧道底部土体施加盾构机0.1 MPa的均布力；接着，在开挖面9 m后的第一环内采用壳单元模拟管片，空隙层1内施加等效均布力来模拟同步注浆；最后，开挖12 m后，重新设定注浆层材料的本构模型为弹性本构模型，用以模拟凝固后的注浆体，注浆材料弹性模量为100 MPa，泊松比为0.2，体积质量为2 000 kg/m3。

图4 隧道开挖实际空隙层示意图

图5 隧道开挖模拟空隙层示意图

图6 隧道区域土层土质竖向分布图

3 计算结果分析

3.1 模拟值与实测值对比

利用数值模拟得出盾构机行进到39 m处，盾构机开挖直径为6.52 m，盾构机全长为9.4 m。通过FLAC3D软件得到的土体竖向位移等值线（见图7）可知，在隧道顶部出现了最大土体竖向位移为73 mm，在隧道底部出现了最大土体隆起为58 mm。由于始发段土体加固的作用，土体沉降在离始发井9 m的区域里较小，而在此之外的非加固区较大。土体距隧道开挖面越近受到的扰动影响效果越大。在盾构行进过程中，周围土体存在向隧道方向的位移。

图7 隧道周围土体竖向位移等值线图

数值模拟得到的最大地表沉降位于离端头21 m处，最大沉降为46.9 mm。因盾构掘进而产生土体沉降的模拟值与实测值对比见图8，图中的横坐标表示该点与盾构始发井的距离，纵坐标为隧道轴线上方地表沉降值。由图8可以看出，两条曲线的趋势较为一致，说明了数值模拟的准确性，模拟计算值较实测值偏大，可见计算结果偏于安全。

图9为离盾构始发井28.5 m处的截面的土体沉降云图，由图可知非加固区隧道周围土体的竖向位移分布情况：以隧道轴线为中心，土体两侧的竖向位移对称；隧道上方土体竖向位移为41 mm，为最大值，越接近地表，土体沉降值越小；隧道底部土体的隆起值为46 mm，为最大值，离隧道越远，土体隆起值越小。

图10为距始发端28.5 m处土体的沉降模拟值与实测值的对比图，其中横坐标X=0的点为左右两条隧道轴线距离的中点，即X=-7.5 m为右线隧道的轴线位置。图中X=-7.5 m处的土体沉降值为41 mm，为最大值。地表沉降在横截面上呈近似正态分布，随着土体离隧道轴线水平距离越远，其沉降逐渐减小。由于在模型建立过程中，做了简化处理，将地层上的各项参数简化为水平均匀分布，因此，在得到的模型沉降曲线中，其沉降值在隧道两侧呈现均匀对称分布，而实测值的对称性较模拟值稍弱。

图8 隧道上方地表沉降值的模拟值与实测值对比

图9 离盾构始发井28.5 m处截面土体沉降云图

图10 横截面土体沉降曲线模拟值与实测值对比图

由图10可知，通过模型得出的地表沉降规律与实际情况展现出的规律基本吻合，但是计算值比实测值偏大。分析原因有：模型简化后无法完全模拟真实的工程环境；通过仿真计算很难完全量化和精确模拟出在各种综合因素的作用下的现实状况。实测值较模拟值小，这样能保证按照模拟结果进行的分析具有足够的安全性。

3.2 始发段加固区应力及沉降分析

模型在重力影响下的初始竖向应力云图如图11所示。由于加固土体单元处于三向受压状态的初始条件，而在盾构机穿过门洞后，其应力分布发生了改变，始发井外部的土有向内部运动的趋势。由模型计算得出其最大竖向压应力为0.76 MPa，最大位移为5.2 mm，X与Z的位移均小于1 mm。

图11 盾构始发段竖向应力等值线图

土体的剪应力最大值比较小，为0.18 MPa，在加固土体承载力极限值0.2 MPa的范围内。土体大部分处于受压状态，最大拉应力仅为0.026 MPa，在加固土体的抗拉强度极限值0.12 MPa的范围内。因此，始发端附近的土的受拉、受剪稳定性能得到保证。

图12质构始发段加固区土体竖向位移云图

图12 为右线隧道始发段附近加固区土体竖向位移云图。由图12可知，土体的最大竖向位移位于加固区与非加固区交界处的隧道轴线上部附近，其值为11 mm；最大土体隆起在交界处的隧道轴线下部附近，其值为5.9 mm。土体有向隧道集中的趋势，离隧道越近，土体受到的盾构施工扰动作用效果越大。

3.3 盾构通过分界面土体沉降分析

以土体的加固区与非加固区为界，分析盾构机穿过此分界面时，土体沉降的纵断面和横断面情况如图13所示。由图13 a）可知，随着盾构行进距离的增加，加固区土体沉降和非加固区土体沉降之间的差值逐渐增加。图13 b）为该分界面附近未加固土体随盾构掘进的沉降曲线。

图13 盾构通过分界面过程地表沉降曲线

由图13可以得出盾构机掘进过程中土体沉降的特征。质构机掘进于加固区时土体的位移变化很小；至9 m时，此时仍在加固区范围内，周围土体的竖向位移均很小，说明此时盾构施工周围的扰动影响很小；至9～12 m时，盾构机已经驶入非加固区，此时周围土体的竖向位移开始变大，说明此时盾构对周围土体的影响开始逐渐变大；掘进至13.5 m时，盾构机有一半驶入非加固区，此时周围土体的竖向位移显著增加；13.5 m到18 m时，盾构机已全部穿过加固区，此时引起的周围土体的竖向位移较小。从而可以得出，在盾构机穿过分界面的整个过程中，盾构机中部通过分界面时沉降速率最大，盾构机前部和尾部通过分界面造成的沉降速率较小。

3.4 不同深度土体沉降分析

由3.3节的分析发现，由于盾构机的长度为9.4 m，以加固区和非加固区的接触面为界，可以将土体沉降分为5个阶段：盾构机前部未通过分界面的沉降，盾构机前部通过分界面的沉降，盾构机中部通过分界面的沉降，盾构机尾部通过分界面的沉降，盾构机尾部通过分界面后的后续沉降。

当盾构开挖面距始发端6 m时，此时盾构机在土体加固区掘进，土体沉降值较小，最大沉降为深度为2.5 mm（8.6 m处）。

图14、15、16为盾构至掘进15 m、24 m、33 m时不同深度的土体沉降情况曲线，分别体现了盾构机前部通过分界面时、盾构机尾部通过分界面、盾构机尾部通过分界面后的土体沉降。

盾构机掘进至15 m时，盾构机有一半驶入非加固区，此时周围土体的竖向位移显著增加，而且土体的离地面的距离越远，其沉降值越大；盾构机掘进从15 m到24 m再到33 m，土体沉降值随之持续增大。分析发现：盾构施工主要影响距离开挖面约15～20 m的土体，土体经过加固后，其受到的施工效应的影响显著降低。

图14 盾构掘进至15 m不同深度土体沉降曲线图

图15 盾构掘进至24 m不同深度土体沉降曲线

图16 盾构掘进至33 m不同深度土体沉降曲线

盾构机掘进至33 m即距始发端21 m时，横断面不同深度的土层沉降曲线如图17所示。由图17可知：①若土层的所处深度一致，离隧道轴线水平距离越近的土体沉降越大，若土层的深度不一致，随着土层深度的增加，沉降量增大，同时其沉降曲线的宽度有所减小，总体上土体位移呈现的是向隧道集中的趋势；②土体越靠近隧道开挖面，其受的施工影响越大；③各层土体的横截面沉降呈现正态分布规律；④盾构掘进主要影响隧道轴线两侧约18～22 m内的土体。

4 结论

本文以武汉市地铁越江段为背景，利用有限差分软件FLAC3D构建数值模型，对盾构机穿越始发段时土体扰动规律进行分析，得到以下结论：

图17 质构掘进至33 m土体横向沉降曲线

（1）通过FLAC3D软件构建数值模型得出的地表沉降特征与实际情况展现出的特征基本吻合，说明了数值模拟的合理性。同时计算值较实测值偏大，可见模拟结果偏于安全，这说明利用数值模拟结果能为实际工程提供决策支持。

（2）盾构始发段加固区地表沉降很小，附近的土受拉、受剪的稳定性得到保证。实际盾构穿越加固区时施工顺利，表明本工程始发段加固方案合理。

（3）盾构机的一半进至非加固区时，引起土体的沉降速率最大，盾构机前部和尾部通过加固区分界面时引起的沉降速率较小。盾构施工影响距开挖面一定范围内的土体，土体经过加固后，其受到的扰动效应及范围明显减小。

（4）盾构掘进时非加固区各层土体的横截面沉降呈现正态分布。若土层的所处深度一致，离隧道轴线水平距离越近的土体沉降越大；若土层的深度不一致，随着土层深度的增加，沉降量增大，同时其沉降曲线的宽度有所减小，总体上土体位移呈现的是向隧道集中的趋势。盾构掘进主要影响隧道轴向两侧约18～22 m内的土体，纵向沉降主要影响距开挖面约15～20 m内的土体。

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Analysis of Soil Disturbance in Launching Section Reinforced Area Caused by Shield Tunneling

LIU Wenli，WU Xianguo，WANG Yanyu，ZENG Tiemei，ZHANG Limao

In the whole tunnel construction，shield construction in launching section is prone to accidents.Based on the Jianghan-Jiyu Under-river Tunneling Project of Wuhan metro Line 2，program FLAC3D is adopted for numerical simulation of the soil disturbance regularity in the reinforced area of the launching section.The result shows that settlement trough in soil cross-section takes on a normal distribution during the shield construction in launching section.The soil settlement turns into diminution after soil reinforcement，showing smaller influence on the disturbance in the reinforced area than in the non-reinforced area.When shield machine passes through the interface of the reinforced and non-reinforced areas，the rate of soil settlement acceleration in the middle part is faster than it in the forepart and tail parts.When shield passes through the non-reinforced area，the soil settlement curve underground appears a normal distribution:the main impacts of the process act on 18～22 meter in the transverse range，15～20 meter in the longitudinal range.

shield construction；launching section construction；soil disturbance；numerical simulation；settlement regularity；end reinforcement

U455.43；TU433

10.16037/j.1007-869x.2017.08.002

2015-10-19）

*国家自然科学基金项目（51378235；71571078；51308240）；湖北省自然科学基金重点项目（ZRZ2014000104）

*王彦玉为本文通讯作者