复合地层曲线盾构隧道施工环境影响分析研究

孙世杰

（中铁十九局集团有限公司，北京 100176）

1 研究背景

地铁盾构掘进过程中对土体产生扰动，土体物理力学性质发生改变，伴随施工进度推移土体性质不断发生变化。国内外专家学者对隧道开挖诱发地层位移变形有不少的研究成果，目前，针对隧道开挖引发地表沉降变形问题，主要的研究方法包括经验公式法、理论分析法、模拟试验法和数值模拟法。

R.B.Peck[1]1969 年根据当时隧道施工引发地面沉降的大量工程实测资料分析，首先提出地面沉陷槽的形状与概率论中正态分布曲线相似，并给出了经验公式来计算地面沉降值；Mair等[2]经过大量研究，在分析地表沉降规律的基础上，发现Gaussian曲线适用于地表以下地层移动变形规律，得到沉降曲线的沉降槽宽度计算公式；Loganathan等[3]提出隧道开挖引起的土体自由位移场的经验公式，可以在一定程度上预测隧道施工引起的土层变形；Sagaseta[4]用镜像源来消除无限介质情况下产生的虚拟边界条件，将土体削减等效为圆柱体，假定其沿轴线均匀分布，得到在不排水条件下三维地面变形计算公式；Veirruijt和Booker[5]利用Sagaseta提出的源汇法，认为隧道变形主要是隧道表面土体的等量径向位移和长期的隧道椭圆化变形，采用半弹性平面方法，得到土体垂直位移和水平位移的理论计算公式。

曾晓清[6]应用时变力学弹塑性理论，采用半解析数值法对双线盾构隧道施工过程中的地层移动和隧道受力进行了三维时空动态的数值模拟分析；张冬梅等[7]采用三维有限元方法对盾构机正面附加推力、切削土体减少、注浆层摩擦力的单独及共同作用进行了模拟，采用弹-黏塑性本构模型对隧道的长期沉降进行了有限元模拟；何祥凡[8]采用离散元数值模拟分析探究上软下硬盾构掘进所引起的扰动影响，优化上软下硬地层中盾构机掘进参数；杨记芳[9]采用FLAC3D有限差分软件在分析壁后注浆对隧道周围土体的作用机理的基础上，优化了壁后注浆等代层单元，采用空隙单元、三阶段固结-胶结硬化单元和三级注浆应力释放，建立了符合盾构施工过程的数值模拟方法；孟庆军[10]采用数值模拟分析多种加固措施相联合对地基变形的控制效果；陈小亮等[11]使用FLAC3D分析双圆盾构掘进引起的地表变形横向分布，研究表明双圆盾构施工引起的地表变形横向分布主要集中在轴线两侧2倍盾构宽度范围内；聂耐等[12]使用FLAC3D进行盾构穿越上软下硬地层地表沉降影响因素分析；谭燕秋等[13]通过三维有限元软件，研究了类矩形隧道全断面掘削对周围环境影响规律。

本文依据南京地铁7号线万寿村站—丁家庄站盾构区间工程背景，建立复合地层曲线盾构隧道三维数值仿真模型，计算分析隧道曲线半径和地层分布对施工环境的影响规律，为以后类似的工程提供参考借鉴。

2 工程概况

南京地铁7号线区间盾构隧道穿越立交工程中万寿村站—丁家庄站区间线路多段穿越上软下硬复合地层，开挖面上半部分主要为粉质黏土，下半部分存在闪长岩、粉砂岩和泥岩等多种情况。盾构机掌子面地层复杂，主要分为全断面岩层、全断面黏土和上软下硬等情况，区间纵断面如图1所示。长距离复杂地层施工，渣土在改良不佳情况下易在刀盘面和土仓内聚集成半固结和结状的块状体，其在高温情况下形成泥饼。长距离全断面岩层施工，易出现刀具磨损严重、螺旋机喷涌、管片上浮等问题。此外，由于岩体强度普遍较硬，易出现掘进速度缓慢、渣土超挖地面沉降塌方、盾构机姿态难以控制和刀具非正常磨损等问题。

图1 万寿村站—丁家庄站区间纵断面图

7号线万寿村站—丁家庄站区间采用盾构法施工，右线起讫里程为CK28 + 239.538～CK30 + 047.450，总长1 807.912 m；左线起讫里程为CK28 + 239.538～CK30 + 047.450，左线总长为1 823.235 m（含长链15.323 m），区间左右线总长为3 631.147 m。区间共设置5段平面曲线，曲线半径最小为450 m，线间距约为12.0～16.0 m。曲线盾构对施工控制要求更高，对隧道自身而言，易出现管片错台、管片裂缝、管片卡壳和盾构机姿态难以控制等问题，对隧道周边环境而言，易出现地表塌陷和周边建筑差异沉降等。

3 数值模拟

3.1 模型建立

本文数值模拟采用ANSYS进行前期模型建立，后导入FLAC3D计算，分析计算结果。根据盾构开挖对周围土体的影响范围为3D～5D[14]（D为隧道开挖直径），模型尺寸取87 m×32.1 m×9.6 m（横向×竖向×纵向），隧道间距15 m，埋深15.1 m。计算模型如图2所示。

图2 计算模型（单位：m）

隧道管片外径6.2 m，内径5.5 m，管片采用错缝拼装。管片环外侧为注浆层，注浆层外侧为超挖层，利用超挖层模拟曲线隧道施工过程中引起的超挖量。

采用实体单元建立模型，共划分143 328个单元，155 635个节点，土体、岩体选择摩尔-库伦本构模型，管片环、注浆层和空隙层选择弹性模型，隧道开挖土体单元用null实体单元模拟，各组单元的接触关系用interface结构单元模拟。

模型底部施加z向位移约束，两侧边界分别施加相应的x向位移约束与y向位移约束，顶部为自由边界。

3.2 曲线盾构隧道施工模拟

地层损失是隧道施工时地表沉降的主因，正确的模拟地层损失可以准确地表现隧道施工对环境的影响。曲线隧道的地层损失量比直线隧道更大，且不同的曲线半径对应地层损失量也不同。本文通过改变模型中的地层损失量表征不同曲线半径对隧道地表沉降的影响，在管片注浆层外侧建立空隙层模拟隧道超挖部分，曲线隧道曲线半径分别为300 m和450 m时，空隙层厚度分别为30 mm和20 mm。以空隙层外边界为管片初始边界开始计算，计算收敛后将管片边界收缩至6.2 m，再次计算得曲线盾构隧道施工的模拟结果。隧道各单元分布图如图3所示。

图3 隧道单元分布图

3.3 数值模型可靠性验证

本文以工程的监测数据作为验证数值模型合理性的依据。选取77号监测断面作为计算断面，以77号断面地表沉降监测数据作为隧道单线开挖模型的验证标准。首先计算77号断面地表沉降，该断面地层分布如图4所示。77号断面地表沉降现场监测数据如表1所示。

图4 77号断面地层分布图（单位：mm）

数值模拟计算隧道开挖后地层的竖向位移云图如图5所示。监测断面的数值模拟计算结果如表2所示。

图5 77号断面地层竖向位移云图（单位：m）

根据表1和表2中的数据绘制图6，由图6可得，因施工现场地层厚度横向分布不均，在距离隧道轴线3 m处，出现地表沉降最大值，为22.23 mm，沉降槽特征明显；模拟地表沉降最大值位于隧道轴线正上方，为22.18 mm。所有监测点的沉降平均误差为2.72 mm，误差占最大沉降的12%。计算结果表明，计算模型可以合理表征隧道开挖后地表沉降趋势，沉降值与实测值相近，可以运用此模型进行下文规律探究的计算。

图6 77号断面地表沉降实测值与模拟值对比图

表1 77号断面监测数据表 mm

表2 77号断面的模拟计算结果 mm

4 数值模拟结果及分析

4.1 地层分布对地表沉降的影响

计算盾构机位于不同地层中掘进时引起的地表沉降，共包含单一粉质黏土地层（工况1）、单一粉质黏土地层（工况2，粉质黏土占比70%）、复合地层（工况3，粉质黏土占比30%）、单一闪长岩层（工况4）4个地层工况，如图7所示。

图7 不同计算断面的地层分布工况

各工况下盾构隧道施工引起的竖向位移计算云图如图8所示，根据计算数据绘制图9、图10。图9给出了不同地层分布的地表沉降对比曲线，图10给出了地表沉降最大值与土体占比关系曲线。

图8 不同计算断面竖向位移云图（单位：m）

图10 地表沉降最大值与土体占比关系曲线

由图9可得，盾构机于不同的地层中掘进时，横向地表沉降最大值均出现在隧道轴线正上方，距离隧道越远，地表沉降越小。因岩体的模量与强度远大于土体，隧道开挖面中岩体占比越大，地表沉降越小，开挖面为均一岩体时地表沉降最小，隧道轴线上方的地表沉降量为6.35 mm，开挖面为均一土体时地表沉降最大，隧道轴线上方的地表沉降量为27.32 mm。

图9 不同地层分布的地表沉降对比曲线

由图10可知，复合地层隧道开挖引起的地表沉降最大值与土体占比几乎呈线性关系，土体占比升高10%，地表沉降增大2.1 mm。

4.2 曲线半径对地表沉降的影响

图11给出了直线隧道以及曲线半径分别为300 m、450 m三种工况的盾构隧道开挖引起的地表沉降竖向位移云图。根据图11绘制图12。

图11 不同曲线半径的仿真模型竖向位移云图（单位：m）

由图12可得，隧道曲线半径对地表沉降影响显著，曲线半径越小，则地表沉降量越大；当盾构隧道曲线半径为300 m时，隧道轴线处地表沉降量达28.63 mm，相较直线隧道沉降量增大6.45 mm；当盾构隧道曲线半径为450 m时，隧道轴线处地表沉降量达24.64 mm，相较直线隧道沉降量增大2.56 mm。10 mm超挖量会引起约2.08 mm地表沉降增量。

图12 不同曲线半径隧道开挖后地表沉降分布曲线

5 结论

（1）地层分布对地表沉降具有显著影响，在均一岩体地层中掘进时，地表沉降最小，隧道上方地表最大沉降量为6.35 mm；在均一软弱土体地层中掘进时，地表沉降最大，隧道上方地表最大沉降量为27.32 mm；在复合地层中掘进时，地表沉降最大值与土体占比几乎呈线性关系，隧道开挖面土体占比提升10%，地表沉降增大约2.1 mm；

（2）曲线隧道的曲线半径对地表沉降具有显著影响，当盾构隧道曲线半径分别为300 m和450 m时，隧道上方地表沉降最大值分别为28.63 mm和24.64 mm，比直线隧道沉降量分别增大6.45 mm和2.56 mm；隧道半径越小，单侧超挖量越大，地表沉降量也越大；10 mm超挖量会引起约2.08 mm地表沉降增量。