富水流塑软硬复合地层下地铁盾构隧道施工稳定性分析

朱连臣 王渭明

(1.中铁二十五局集团有限公司，510600，广州；2.山东科技大学土木工程与建筑学院，266590，青岛;3.中铁二十五局集团第五工程有限公司，266101,青岛//第一作者，高级工程师)

由于地下工程施工受地下水影响较大，因此关于渗流场的研究尤为重要。文献[1]结合Trasee数值方法，对防水坝中渗流场作用下岩体的受力状态进行了模拟研究。文献[2-3]通过室内实验、理论分析、数值计算和现场试验等手段，探讨了复合地层盾构施工在流固耦合作用下开挖面失稳机理、破坏演化特性、地层内力场的分布及地表沉降槽曲线的变化等问题。文献[4]充分考虑了土压盾构动态施工全过程，建立了离散元模型，研究了隧道掘进对上软下硬地层的扰动特征。文献[5]通过数值模型和室内试验，对隧道开挖面稳定性上限进行了分析研究，并提出相应的注浆加固措施。

综上所述，近年来国内外学者对不同施工方法、不同地层，以及不同水土压力采用不同算法等情况下的隧道围岩、开挖面及地表建筑物的沉降、应力场、孔隙水压力场进行了总结。但绝大多数工程未考虑富水流塑软硬复合等复杂地层流固耦合效应下的盾构施工稳定性及控制方法，计算体系尚不完整。本文以隧道洞周围岩的孔隙水压力场、位移场，以及盾构掘进引起的地表和河堤的沉降作为隧道稳定性判定依据，利用有限差分软件对富水砾石软硬复合地层盾构隧道施工进行了详细模拟分析。

1 工程概况

长沙地铁3号线烈士公园东站—丝茅冲站区间隧道(以下简为“烈丝区间隧道”)距离烈士公园东站约1.13 km，区间隧道右线边线的东侧距离浏阳河大堤约36 m。区间隧道线间距约为12 m，区间侧穿浏阳河大堤段长度约为72 m。具体位置关系如图1所示。

图1 长沙地铁3号线烈丝区间隧道与浏阳河位置关系图

烈丝区间隧道侧穿浏阳河大堤段采用盾构法施工，为双向隧道。盾构机外径为6.0 m，内径为5.4 m，每环衬砌管片厚度为0.3 m，宽为1.5 m，管片采用C50高强度混凝土。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

本次数值模拟以长沙地铁3号线烈丝区间隧道侧穿浏阳河大堤段为研究对象，模型横向范围自两隧道盾构中心轴线向左右两侧各取36 m；竖向范围自地表至隧道拱顶平均埋深取14.2 m，自隧底向下取23.8 m；纵向范围为侧穿浏阳河大堤段,取72 m。因此模型的长度、宽度和高度分别为72 m、96 m、44 m。

采用有限差分软件FLAC 3D对隧道施工进行三维建模分析。三维计算模型如图2所示。

图2 烈丝区间隧道三维数值模型

2.2 计算参数

结合勘察单位和设计单位提供的详细地质勘探报告及设计图纸，确定了模型中各地层的物理力学参数和流体计算参数，详见表1和表2。

表1 模型中各材料的物理力学参数

表2 模型中流体计算参数

2.3 计算工况

为突出流固耦合效应对隧道稳定性的影响，在计算中分3种工况进行模拟计算。其中，工况1为管片刚拼装完成；工况2和3均为管片拼装完成后，经过一段时间的渗流作用，地下水已经形成渗流场作用于管片上，这两种工况应考虑流固耦合效应。

2.4 计算结果分析

2.4.1 围岩孔隙水压力场分析

图3为隧道开挖36 m后所处横断面的围岩孔隙水压力图。由图3a)和图3b)可以清楚地看出，无论左线隧道还是右线隧道先行施工，所得到的围岩孔隙水压力分布形状均较为相似。由图3c)可知，当左线隧道和右线隧道同时开挖后，所得到的围岩孔隙水压力形成以两个隧道为中心的漏斗状，且隧道中线处的孔隙水压力呈中间高、两侧低的形式分布。

2.4.2 隧道洞周位移分析

对左、右线隧道洞周在两种不同工况作用下的洞周不同位置的位移进行数据提取整理发现，在工况1下，左线隧道拱顶、拱肩和拱腰处的位移均大于工况2下同位置的位移。由地下水上浮作用产生的隧道洞周围岩的竖向位移值占总位移值的20%～30%，因此在实际工程中地下水对隧道洞周围岩位移的影响不可忽略。

图3 横断面围岩孔隙水压力场

2.4.3 地表位移分析

选取整体沉降量较大的右线隧道中心地表沉降值做竖向位移变化曲线，如图4所示。

图4将整个掘进过程分为盾构临近期、盾构通过期、盾尾脱出期和固结变形期等4个时期，通过对比分析发现，工况2时地表隆起值较工况1时更大，分析认为产生这种变形的主要原因是由盾构面的支护压力对监测面附近的土体产生了应力扰动导致的。盾构通过期位移值由正变负，说明地表在该时期处于下沉趋势，产生这种变形的主要原因是由盾壳对监测面附近土体的剪切摩擦作用导致的。在盾尾脱出期，两种工况下地表的沉降值迅速增大，其中工况2的沉降值增速更大。固结变形期主要是监测面的土体以及地下水位在受到扰动变化后达到平衡状态的恢复期，这部分变形缓慢进行，产生变形的主要原因是由地层超孔隙水压力消散产生的固结沉降和由土体蠕动产生的蠕变沉降导致的。

3 隧道洞周围岩加固方案及模拟分析

3.1 随道洞周围岩加固措施

左、右线隧道侧穿浏阳河大堤区间的地层多为富水流塑性地层，提出采用φ800 mm三重管旋喷桩密排的加固措施。加固范围为：水平加固至隧道结构轮廓线外1.0 m，竖直加固深度为隧道顶以上3.0 m、隧道底以下2 m，局部淤泥质地层较厚的区域应相应增加加固深度1.0～2.0 m。

3.2 加固方案的模拟工况

工况4为隧道洞周围岩采取加固措施，不考虑流固耦合作用；工况5为隧道洞周围岩采取加固措施，考虑流固耦合作用。

3.3 加固前后模拟结果对比

3.3.1 地表位移分析

图5为工况4和工况5下地表沉降对比图。由图5可知，两种工况下整个隧道断面的沉降趋势基本一致，呈对称分布，其中隧道中线处地表沉降最大，沿隧道两侧沉降值逐渐减小。

图5 两种工况下地表沉降值对比图

3.3.2 隧道洞周围岩主应力分析

不同工况下隧道拱顶、拱腰、拱脚、拱底等关键部位围岩的最大主应力和最小主应力，如图6所示。

由图6可知，各工况下隧道洞周围岩的最大和最小主应力曲线趋势较为相似，均以隧道中线为对称轴呈左右对称分布。其中，工况2主应力值较工况4、工况5整体变化更加陡峭，这说明该工况下隧道洞周围岩应力场中受到孔隙水压力的冲击比较大。

图6 隧道洞周围岩主应力分布曲线

4 地表沉降实测数据与模拟数据对比分析

选取右侧隧道地表沉降现场实测值与工况4、工况5的地表沉降模拟值进行对比分析，如图7所示。

图7 地表沉降实测值与模拟值对比图

由图7可知，各工况下，地表沉降模拟值曲线的整体走势和实测值基本相符，均沿隧道中线左右对称，且整个沉降槽呈正态分布，从而验证了数值模拟结果符合工程实际规律。

5 结论

本文采用有限差分软件FLAC 3D，对长沙地铁3号线烈丝区间侧穿浏阳河大堤段盾构隧道进行了三维数值模拟，得到以下结论：

1)考虑流固耦合效应时，盾构开挖面孔隙水压力场呈漏斗状分布，孔隙水的流动导致围岩应力场和位移场受到影响，与工况2数据对比，具有明显的区别。

2)盾构开挖、衬砌管片安装和壁后注浆完成后，围岩洞周在拱顶出现沉降，在拱底处出现隆起。对比工况1和工况2，由于地下水的上浮作用，隧道拱顶、拱肩和拱腰处的位移值在流固耦合作用下减小，隧道拱底和拱脚处的位移值在流固耦合作用下增大。

3)在盾构临近期，开挖面土体受到支护应力的作用，产生应力扰动和地下水位下降，从而导致地表隆起。浏阳河河堤路基的最大沉降值为2.39 mm，地表沉降不符合规范值。而施作三重管旋喷桩加固地层后，沉降值符合规范要求，说明该加固措施效果明显。

4)盾构隧道左、右两线整体沉降模拟值和实测值趋势基本一致，整体沉降曲线以隧道中线为中心呈对称分布，但模拟值普遍偏小于实测值。