盾构隧道下穿河堤引起的地表沉降数值分析

闫立来

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，太原 030032)

随着城市化进程的发展，越来越多的一、二线城市开始建设地铁，在我国南方地区，因河流的存在，隧道建设过程中不可避免地穿越河堤.因此，研究盾构隧道下穿河堤引起的地表沉降意义重大.近些年，国内学者进行了大量的研究，主要有：石杰红等[1]、李小青等[2]以某城市地铁盾构推进为例，分析比较了4 种不同施工方案所引起的地表沉降量，并分析了其变化规律，为后期地铁设计及施工提供了指导；程学武[3]、王林等[4]和王荣[5]以某地铁下穿河堤为例，分析了沉降发生的原因及相应采取的工程治理措施，并采用有限元软件Raxis 对地层加固前后区间隧道穿越施工工况进行模拟，这些研究表明了通过注浆加固可以提高盾构隧道覆土范围土体工程力学性能， 还能有效减低整个地层的位移及盾构管片弯矩数值；张达栋[6]和刘菁[7]针对黄土地层中盾构施工引起地表沉降问题，通过理论分析和数值模拟提出了盾构隧道地表沉降预测解析方法，研究了等代层模量与土舱压力对地表沉降槽宽度和最大沉降量的影响；冯慧君等[8]、童学军等[9]和王非等[10]依托某地铁某盾构区间隧道掘进工程，基于数值软件建立隧道掘进过程的有限元模型，从隧道开挖引起地表沉降的角度，分析了先挖线路对后挖线路变形特征的影响.

本文主要以某隧道下穿河堤为例，采用大型有限元软件Abaqus 建立数值模型，先将现场实测数据与模拟数值结果进行对比，再通过单因素控制变量的方法，分析了隧道掘进压力、填土的压缩模量、注浆水平以及围岩的应力释放比对地表沉降的影响及变化规律.研究结果可为类似工程提供参考.

1 工程概况

某地区拟建隧道需要下穿河堤，隧道设计埋深基本为28～35 m，采用盾构法进行施工.在该区段内，主要以杂填土、粉质黏土、淤泥质黏土以及卵砾石为主，从上至下厚度依次为3，22，17和18 m.其中隧道下穿区域以淤泥质黏土为主，隧道直径为7.0 m，埋深取32 m.工程区内地下水较为丰富.图1 为隧道断面示意图.

图1 隧道断面示意/m

2 数值建模

图2为采用大型有限元软件Abaqus建立的计算模型.如图2 所示，本文按照实际尺寸进行建模，隧道中心埋深为32.0 m，为了减小模型尺寸带来的影响，模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束.计算过程中土体的本构模型均采用摩尔-库伦本构模型.由于对称性，只取隧道的左半侧进行建模分析，模型的长、宽、高分别为40，40 和60 m，网格共计9 856 个，均采用实体单元.衬砌采用C60混凝土，厚度取60 cm，与土体之间的泥浆采用等代层进行模拟.所谓等代层，即在施工过程中为减小地层损失常常在管片拼装之后，在管片里侧进行注浆加固形成的注浆层.本文中等代层厚度取25 cm，见图3.表1给出了模型从上至下的土体和支护结构的物理力学参数.

图2 数值模型

图3 等代层示意

表1 土体和支护结构的物理力学参数

3 数值结果分析

3.1 现场监测数据与数值模拟结果对比分析

图4a)为数值模型初始应力平衡之后的竖向应力云图，由图可知，竖向应力从上至下依次增大，符合实际规律，说明模型已经平衡完成；图4b)为隧道开挖26 m 时的应力云图，由图可知，隧道开挖后周围围岩应力释放，应力水平降低.

为了验证数值模型的准确性，以隧道中心处地表沉降为例，将隧道开挖引起的地表沉降现场实测数据与相应的数值模拟数据进行对比，结果如图5 所示.由图5 可知，现场实测的最大沉降值为28.2 mm，数值模拟对应的最大值为27.3 mm，虽然两者存在误差，但是差别小于4%，且现场实测数据与数值模拟数据吻合度良好，说明了数值模型的准确性和良好性.

图4 竖向应力云图

图5 现场实测数据与数值模拟数据对比

3.2 沉降影响因素分析

为了研究隧道施工参数与土体参数对隧道开挖引起的河堤地表沉降，本节主要通过改变隧道掘进压力、填土的压缩模量、注浆水平以及围岩的应力释放比来分析各参数的影响，可为控制隧道开挖引起的地表沉降提供参考.

3.2.1 隧道掘进压力

图6 为不同掘进压力对地表沉降的影响.由图6 可知，地表沉降随掘进压力的增加而增大.当掘进压力取200，300，400，500 和600 kPa 时，对应的最大沉降量分别为27.8，30.1，32.8，34.6 和37.9 mm，相比于掘进压力取200 kPa，掘进压力取300，400，500 和600 kPa 时最大地表沉降值分别增大了8.3%，18.0%，24.5%和36.3%，地表最大沉降基本上随着掘进压力的增大均匀增大；同时也说明，一定程度上减小掘进压力可以减小地表沉降.为了更直观地显示隧道开挖产生的沉降，图7 给出了掘进压力为600 kPa 时的开挖位移云图.

图6 隧道掘进压力对地表沉降的影响

图7 隧道掘进引起的地表沉降云图

3.2.2 填土压缩模量

图8 为不同填土压缩模量对地表沉降影响.

图8 隧道填土压缩模量对地表沉降影响

由图8 可知，随着填土压缩模量的增大，地表沉降随之减小.当填土的压缩模量为2，3 和4 MPa 时，对应的最大沉降量分别为37.4，34.9 和32.7 mm，相比于压缩模量取2 MPa，填土的压缩模量为3 和4 MPa 时最大地表沉降值分别减小了6.7%和12.6%，地表最大沉降基本上随着填土压缩模量的增大均匀减小；同时也说明，一定程度上增大填土的压缩模量可以减小地表沉降.

3.2.3 注浆水平

为了分析注浆水平带来的影响，绘制出不同注浆水平时的地表曲线，如图9 所示.文中分别以不考虑等代层以及等代层模量取2 和20 GPa进行对比分析.由图9 可知，随着等代层模量的增大，地表沉降随之减小.当不考虑等代层和等代层模量取2 和20 GPa 时，对应的最大沉降量分别为28.7，24.5 和22.6 mm；较不考虑等代层时，等代层取2 和20 Gpa 时最大地表沉降值分别减小了14.6%和21.3%，地表最大沉降基本上随着等代层模量的增大均匀减小；而适量增大等代层模量可以有效减小地表沉降，但是当等代层模量模量取值过大时，可能会引起经济效益低下.

图9 注浆水平对地表沉降影响

3.2.4 围岩应力释放比

图10 围岩应力释放量对地表沉降影响

图10 为不同围岩应力释放量对地表沉降影响.

由图10 可知，随着围岩应力释放比的增大，地表沉降随之增大.当围岩应力释放比取20%，30%和40%时，对应的最大沉降量分别为32.6，33.7和34.3 mm；相比于围岩应力释放比取40%，填土的压缩模量为20%和30%时最大地表沉降值分别减小了5.0%和1.7%，地表最大沉降随围岩应力释放比减小而减小，但是幅度并不明显.

4 结论

1)现场实测的最大沉降值与数值模拟结果差别小于4%，且数据吻合度良好.

2)地表最大沉降随着掘进压力的增大均匀增大，减小掘进压力可以减小地表沉降.

3)地表最大沉降随着填土压缩模量的增大均匀减小，增大填土的压缩模量可减小地表沉降.

4)地表最大沉降随着等代层模量的增大均匀减小，适量的增大等代层模量可以有效减小地表沉降，但是当其取值过大时，可能会引起经济效益低下.

5)地表最大沉降随着围岩应力释放比的减小而减小，但是幅度不明显.