EPB隧道掘进对软岩地层地表影响分析

陈 卓

(中铁二局工程有限公司城通分公司， 四川成都 610083)

在城市隧道修建过程中，盾构法隧道施工技术以其独有的智能化、安全、快捷等特点与优势，越来越得到广泛的推广和应用。虽然盾构法取得了斐然成绩，但此法施工不可避免地引起地表沉降。地表沉降过大时，会影响到盾构隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用。特别是穿越城市复杂软岩环境的隧道工程的掘进，易造成施工进度缓慢，经济损失严重等问题，其许多技术难题有待解决。

周尚荣[1]分析了砂砾石地层中盾构开挖面压力的平衡原理和影响因素，总结了土压平衡盾构施工土压力的确定方法和土压平衡状态的建立方法以及土压大小和地表沉降的关系;通过对同步注浆和二次注浆的分析，结合施工工艺及施工材料的选择分析了盾尾注浆对沉降的影响以及对地表沉降更有效的控制措施。众多学者和专家利用现场地表沉降的监控量测数据进行地表沉降的曲线拟合，然后利用大型有限元对施工过程进行了三维有限元动态施工模拟，分别得出了拟合沉降曲线和计算沉降曲线[2-5]。张宏博等[6]对隧道穿越建筑物桩基过程进行研究，从变形及力学特性方面，分析隧道施工过程对桩基及隧道结构的影响。王旭[7]利用FLAC3D数值分析软件建立盾构进、出站工程模型，研究基坑开挖、隧道掘进以及盾构进、出站期间的地表隆沉变化及地应力演化规律。

但目前关于EPB隧道掘进对地表影响分析仍然较少，尤其是在地质条件复杂的软岩地层。因此，进行土压平衡盾构模式掘进对软岩地层地表影响的研究十分必要。一方面解决隧道建设中存在的问题，确保盾构隧道和地表建筑物的施工安全；另一方面进一步完善和发展隧道设计理论与施工技术，为确定合理的土压平衡盾构掘进参数提供依据，最大限度地减小盾构产生的负面效应。

1 隧道结构设计概况

本文依托工程为城际快速轨道南京南站至禄口机场站1号盾构井段。区间隧道左线设计起终点里程为ZDK0+671.000～ZDK2+669.910，左线长度为1 998.97 m；右线设计起终点里程为YDK0+671.000～YDK2+670.000，右线长度分别为1 999 m。隧道拱顶覆土5.6～19.4 m。该段线路纵坡设计为“W”型坡，最大纵坡 7.5 ‰，坡长913 m，最小竖曲线半径R=3000 m，隧道拱顶覆土5.6～19.4 m。

区间需穿越的禄口机场现状停机坪和滑行道现处于使用状态，进出港航班较多，社会影响大；且穿越距离长达 370 m，穿越段施工风险较高。盾构区间地面位置和穿越段地面情况如图1、图2所示。本文通过对此区间的盾构隧道建模，来研究土压平衡盾构模式掘进对软岩地层地表的影响。

图1 盾构穿越禄口机场概貌

图2 禄口机场穿越段地面情况

2 地表变形影响因素

盾构法隧道施工引起地表变形的影响因素可归纳为：

(1)土仓压力。隧道掘进过程中，掌子面很难达到理想平衡状态，土仓内的土压力可能小于或大于掌子面土压力，掌子面前方土体会产生下沉或隆起。

(2)同步注浆效果。由于盾壳有一定厚度和刀盘存在超挖的影响，管片在脱离盾尾时，围岩与管片外侧之间会存在一环形间隙，若没及时跟上注浆或注浆效果不佳，围岩将向这一间隙发生位移，而引起地表沉降

(3)出碴量管理。若出碴量大于实际开挖量(乘以松散系数后)，或出碴成分包含有盾构机上方地层的特性时，证明已经出现超挖，很可能引起地表坍塌；反之，出碴量小于实际开挖量，则可能引起掌子面前方地表出现隆起。

在施工时，上述影响因素中，土仓压力、出碴量可以人为控制，而盾尾间隙、土体向盾尾间隙的自然填充及注浆后浆体的分布情况对地表位移影响较大又难以确定。因此，本文采取三维有限元模拟计算盾构掘进时土仓平衡压力引起的盾构上方的地表变形值，引入不同地层损失率来模拟盾构注浆效果好坏和出碴量多少引起的地表变形值。

3 数值模拟分析

本文采用FLAC 3D显式有限差分软件进行三维数值模拟分析，模型范围为横向取80 m；纵向取370 m；上边界取至地表，下边界取至隧道底部以下30 m。除上边界以外各边界施加该面法线方向约束，上边界为自由面。初始地应力仅考虑自重应力场。管片视为弹性匀质圆环，为体现环向接头的影响，引入刚度折减系数η(η<1)。模型采用壳单元模拟管片；地层视为服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性材料，；注浆层考虑为弹性材料，地层和注浆层均采用实体单元模拟。最终的计算模型见图3。

图3 三维模型

各土层及支护结构的物理力学参数如表1所示。在数值模拟中，土体是典型的弹塑性材料，众多的本构关系能表征其弹塑性，但其侧重点皆不相同，其中Mohr-coulomb屈服准则不仅能反映土体的抗剪、抗压强度，而且简单实用。准则中所需土体参数φ和c通过简单试验即测得，因此，本文土体选用此本构关系，表达式为：

τn=σntanφ+c

同时，通过库仑摩擦理论在盾构机身和周围土体上设置摩擦接触面，来考虑盾构盾壳与地层的相互作用，在接触面切向设为摩擦接触。土压平衡盾构工作面的稳定主要靠土仓压力的支撑，土仓压力的大小对工作面前方土体的影响显著，是盾构掘进中控制的重点。理论上土仓压力大小应等于土体的初始侧向应力，因此，在盾构施工中，土仓压力视为梯形分布荷载。

表1 各土层及支护结构的物理力学参数表

4 结果分析

4.1 土仓压力对地层沉降的影响分析

土仓压力是盾构施工对周围环境影响的主要因素之一。本节仅考虑土仓压力对软弱围岩段的地表沉降影响，具体土仓压力值分别取 0 MPa、0.01 MPa、0.03 MPa、0.05 MPa、0.10 Mpa、0.12 MPa 等6种工况计算。图4中为不同土仓压力时的地表纵向沉降曲线。

图4 不同土仓压力时的纵向地表沉降曲线

由图4可知，空仓掘进，即土仓压力为0 MPa时，在工作面前方15 m处就出现约为5 mm地表沉降，在工作面后方20 m以外，地表沉降趋于稳定，最大沉降值约为42 mm。当土仓压力为0.03 MPa时，工作面对地表沉降的影响主要集中在工作面前方10 m和后方15 m，沉降值从3 mm增加到18 mm。当土仓压力为0.1 MPa时，最大地表沉降可控制在5 mm以内，且未见地表隆起。当土仓压力大于0.1 MPa后，地表沉降已有向上隆起趋势。

4.2 同步注浆效果对地层沉降的影响分析

盾构施工过程中为防止围岩的收缩变形卡住机身或土体与机身的摩擦增大，减慢盾构推进速度，刀盘切削轮廓一般大于管片衬砌外轮廓，这种扩大部分称为超挖。超挖部分一般通过盾尾同步注浆及二次注浆来填充。一般填充难以达到理想的填充量等于超挖量，超挖与填充存在差值，称为施工中的土体损失量。围岩与管片之间的间隙将引起围岩向管片收缩，最终影响传至地表，以地表沉降的形式反应出来。

为研究同步注浆效果对地表沉降的影响，选取注浆率分别为0 %、20 %、40 %、60 %、80 %、90 %等6种工况进行计算分析。当盾构在软弱围岩中掘进时，根据计算结果，6种工况下的掌子面前后地表沉降规律及单洞横向沉降槽分别如图5、图6所示。

图5 不同注浆率下的纵向地表沉降曲线

图6 不同注浆率下的单洞横向沉降槽

由图5可知，盾构施工引起的地表沉降范围集中在掌子面前方10 m、后方15 m范围之内，且随注浆率的增加，影响范围减小，沉降量值减小。

具体的各个注浆率下的计算沉降值详见图6的横向沉降槽分布。图中显示所有沉降槽均呈正态分布。显然，注浆率越大(注浆效果越好)，地表沉降越小。

不同注浆率下的最大地表沉降值见表2。从表2中看出，在不进行同步注浆的情况(注浆率为0)下，最大地表沉降121 mm，远远超出地铁施工地表沉降控制标准；而在注浆率超过80 %以后，最大地表沉降在14.6 mm以内，施工风险处于可控状态。

表2 不同注浆率下的最大地表沉降值 m

4.3 出碴量对地层沉降的影响分析

盾构机出碴量过大或过小造成的地表变形值，难于用基于连续体假设的有限元来模拟计算。出碴量小于理论开挖量，即进入土仓的碴土多于输出量，则必然使土仓土压增加；出碴量大于理论开挖量，要么土仓压力出现下降，要么盾构前上方的土层进入土仓，即碴土成分包含有非盾构机所在土层的其他成分。对于后者也可以理解为出现了大的地层损失，很容易引起地表塌方。

尽管出碴量对地层沉降的影响难以用数值计算模拟分析，但是对该因素的控制目标是很明确的，尽量使出碴量等于理论开挖量，且该因素的现场控制一直以来都是一个重难点。为使出碴量控制的更为合理有效，从测量管控单位长度上进行改进：以往一般以一环管片(约1.5 m)的出渣量进行测量核对控制，本工程中要求体积测量按每掘进10 cm的出碴体积(填满碴车程度)控制，基本可以达到实时测量的效果。

5 结束语

(1)盾构掘进时，地表沉降影响范围在工作面前15 m，后方20 m范围内，随着土仓压力的增加，地表沉降减小，同时掘进对地表沉降影响范围减小。对于土压平衡盾构机而言，当土仓压力等于或略高于掌子面土压力时，地表的变形值很小。当土仓压力大于掌子面土压力时，地表隆起值增大；反之，当土仓压力小于掌子面土压力时地表沉降值增大。因此，盾构掘进时，减小地表变形的主要有效方法之一就是控制好平衡土压。

(2)盾构掘进造成的地表沉降范围集中在掌子面前方10 m、后方15 m范围之内，且随注浆率的增加，影响范围减小，沉降量值减小。

(3)在出碴量方面，本工程中要求体积测量按每掘进10 cm的出碴体积控制，基本可以达到实时测量的效果。