饱和砂土中盾构掘进引起地表变形的数值分析

高良

摘 要：本文以郑州地铁某区间盾构工程为例，在考虑盾构在成层地层开挖过程中地下水渗流对开挖面稳定影响下，采用ABAQUS软件对交通荷载作用下该盾构区间的地面变形规律进行模拟，并将模拟结果与该区间内左DK34+896断面和左DK34+886断面的实测数据分析结果进行对比。对比结果显示，数值分析与实测结果的沉降发展规律基本一致。

关键词：地铁盾构;数值模拟;实测数据;地面变形;对比分析

中图分类号：U231文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）05-0103-03

Abstract： In this paper， taking a shield project of Zhengzhou Metro as an example， considering the influence of groundwater seepage on the stability of the excavation face in the process of shield excavation in layered stratum， the ground deformation law of the shield section under traffic load was simulated by using ABAQUS software， and the simulation results were compared with the measured data analysis results of left DK34 + 896 section and left DK34 + 886 section in the section. The comparison results show that the settlement development law of the numerical analysis is basically consistent with the measured results.

Keywords： metro shield;numerical simulation;measured data;ground deformation;comparative analysis

近年来，随着我国经济的发展，地铁因其高效、便利、节省空间的特点被广泛修建于各大城市中。但同时，地铁修建时遇到的种种问题也逐渐突显出来。盾构法被广泛应用于地铁修建中，但由于地铁隧道埋深较浅，在盾构掘进过程中难免会对地面产生影响，从而影响地铁附近其他建筑，所以准确地预测和评估地铁隧道施工过程中引起的地面沉降是非常重要的[1-3]。

本文通过采用ABAQUS软件对盾构施工进行数值模拟，预测施工过程中的地面沉降情况，得出相应结果，为今后施工设计提供相应的理论基础。

1 工程概况

郑州市地铁某区间左线长1 885.361 m，右线长1 887.199 m，线間距平均为16.0 m，区间线路的纵坡设计为“V”形坡，最大坡度为26.8‰，最小坡度为3.0‰。区间隧道的最大埋深为20.8 m，最小埋深为11.1 m。该区间采用盾构法施工，共投入2台盾构机。该区间平面位置如图1所示。

2 数值模拟

2.1 模型选择

ABAQUS共设有12种岩土本构模型，可以对不同的岩土材料进行模拟[4]，具体包括1个空模型;3个弹性模型，分别为各向同性模型、横观各向同性模型、正交各向同性弹性模型;8个塑性模型，分别为应变硬化/软化模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、摩尔-库仑模型、德鲁克-普拉格模型、双屈服模型、霍克-布朗模型、修正剑桥模型、遍布节理模型。

本文模拟的地铁盾构区间位于郑州市东区，土体以砂土和粉质黏土为主，以摩尔-库仑模型表征土体的本构方程，主要研究地铁盾构掘进过程中地表的沉降和变形。

2.2 参数的选取

盾构隧道穿越饱和砂质土层主要为砂土和粉质黏土，相关物理力学参数见表1。各层土、盾构管片、同步注浆加固圈、盾构机的主要物理力学参数见表2。

盾构机参数参考海瑞克土压平衡盾构相关技术参数，重量取386.0 t。盾构管片为C50混凝土，按规范取相关参数。由于管片接头对混凝土材料有一定的影响，将管片刚度取折减系数0.75进行弱化处理。盾构管片壁后同步注浆体，参照相关经验取值。

2.3 模型建立

计算模型的取值如下：沿盾构隧道掘进方向取36.0 m（每环管片1.2 m，共取30环管片），横向取80.0 m。根据所研究的该地铁盾构区间埋深情况，选取覆土厚度9.0 m的最不利工况隧道底以下的地层取22.0 m，盾构隧道的外圈直径6.0 m，垂直方向取37.0 m。在建立模型时，坐标轴设置如下：横平面内的水平方向为X轴，隧道掘进方向为Y轴，垂直向上方向为Z轴，为横轴（水平方向）。计算模型共划分24 900个单元体，26 980个节点。

在建模过程中，为了保证计算的准确性，混凝土管片结构选用等参8结点的空间板壳单元，而盾构隧道的围岩体选用等参20结点的三维实体单元，建立的三维模型如图2至图4所示，分别为整体模型、盾构管片、注浆圈。

2.4 地表沉降分析

选取左线DK34+886断面作为分析对象，得到的沉降云图如图5所示。

根据图5，进一步可得该断面在不同施工阶段下的纵向沉降槽和横向沉降槽，如图6和图7所示。

从图6可以看出，纵向沉降槽的数值模拟结构与左DK34+886和左DK34+896的实测结果的沉降发展规律基本一致：盾构掘进面到达前10 m左右时开始出现缓慢的地表沉降，而随着掘进的继续施工，地表沉降数值逐渐增大，最大沉降值达到6.2 mm。

从图7可以看出，横向沉降槽的数值模拟最大沉降值出现在隧道轴线初，为15.2 mm，介于左DK34+886和左DK34+896实测值之间，与实测结构的平均值比较接近，沉降值中间大，向两侧逐渐变小。砂土的渗透系数大，孔隙水压力消散速率较快，是造成地铁盾构掘进引起饱和砂土地区沉降值较大的主要原因。

3 结论

通过ABAQUS数值模拟的计算结果和监测数据分析结果对比得出以下结论。

①总体来说，数值模拟的结果与实测结果基本一致，验证了数值模拟的可靠性。

②盾构掘进面到达前10 m左右时开始出现缓慢的地表沉降，而随着掘进的继续施工，地表沉降数值逐渐增大。

③砂土的渗透系数大，孔隙水压力消散速率较快，是造成地铁盾构掘进引起饱和砂土地区沉降值较大的主要原因。

参考文献：

[1]吴波，高波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[J].中国铁道科学，2006（6）：129-131.

[2]陶龙光，刘波，丁城刚，等.盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟[J].中国矿业大学学报，2003（3）：236-240.

[3]张杰，骆建华，吴波.地铁区间三连拱隧道施工地表沉降的数值模拟及模型试验研究[J].隧道建设，2005（2）：3-6.

[4] LEE K M ， ROWE R K . Finite element modelling of the three-dimensional ground deformations due to tunnelling in soft cohesive soils： Part 2 — results[J]. Computers and Geotechnics，1990（2）：111-138.