大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形敏感性研究*

苏秀婷 陈 健 李明宇 张 瑾 曹同钢 刘 涛⑥⑦

(①中国海洋大学环境科学与工程学院， 青岛 266100， 中国)

(②上海勘察设计研究院(集团)有限公司， 上海 200093， 中国)

(③中铁十四局集团有限公司， 济南 250014， 中国)

(④郑州大学土木工程学院， 郑州 450006， 中国)

(⑤青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266100， 中国)

(⑥中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室， 青岛 266100， 中国)

(⑦青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室， 青岛 266200， 中国)

0 引 言

随着国家海洋战略、能源战略、区域经济一体化及基建大通道建设路网规划的逐步实施，盾构隧道的建设对于水系发达地域的交通发展而言显得尤为重要。大直径泥水盾构作为一项先进的隧道建设技术，具有应对大埋深、大断面、掘进距离长、高水压、复杂地层的能力，是一种适应多种复杂地质情况的隧道建造技术(钱七虎等， 2021)。盾构隧道掘进过程中将不可避免地穿越建筑结构密集区域，尤其是当穿越的建筑结构建造时间较长，基础较为薄弱时，当地层变形超过特定极限时，建筑基础容易发生不均匀沉降和上部结构的额外变形(漆泰岳， 2012； Li et al.，2021)，这可能导致建筑裂缝、结构旋转和变形，导致最终发生无法恢复的损坏。尤其对于盾构直径超过10m时，因隧道断面尺寸增大，掘进过程中同一断面揭露的地层数量也越多，对开挖面压力设置、掘进参数控制、覆土厚度等要求更高，同样也会增加盾构开挖面稳定、盾构机姿态、盾尾管片上浮等的控制难度，进而会使周边建筑物沉降及地表沉降的控制难度大大增加(唐少辉， 2020)。大直径盾构施工过程中应有效控制地表沉降保证地表建筑物的安全(张顶立， 2012)，因此，对大直径泥水盾构施工引起的地表沉降影响因素进行深入分析具有重要意义。

前人针对隧道工程施工的影响研究已取得不少成果，针对盾构隧道开挖引起的地层变形研究方法主要有经验法(Peck， 1969)、解析法(Pan et al.，2016， 2017，2018； Zou et al.，2019b)、数值模拟法(Li et al.，2019)、物理模型实验法(何川等， 2007； 石振明等， 2018)等。夏元友(2015)针对原Peck 公式中的单一性特点，通过推导得出在隧道轴线上方任意土层深度处的位移计算公式，并对现有计算理论、已有工程案例、有限元结构进行综合对比分析研究，从而验证了公式的可行性。顾其波等(2016)依据宁波地铁某区间盾构工程实测数据，分析了已有的地表沉降预测公式的可行性。刘波等(2018)以随机介质理论为依据，对盾构隧道施工开挖过程中引起的土体扰动进行详细研究，探究地层的沉降规律，预测了地层变形。为了克服经验理论估算表面沉降的缺点，数值模拟方法已成为工程师的关键工具。数值模拟已被证明对隧道安全分析是可靠的，特别是在复杂的环境下(Ding et al.，2011； Sahoo et al.，2013； Dindarloo et al.，2015； Zhang et al.，2016)。张晓平等(2017)利用ANSYS软件研究不同注浆压力下地表沉降规律和不同掌子面推力下掌子面前方3m地表横向沉降规律，归一化处理并运用现场监测数据验证。王璐等(2010)基于西安地铁盾构穿越的黄土层案例，应用FLAC3D软件建模，从而模拟施工过程，最终研究得出黄土地区有关地表沉降的一般规律表现。马险峰(2012)通过开展物理模型试验，模拟了盾构隧道的地层损失情况，对地层损失与施工期及施工后地表沉降的关系进行了深入研究，逐一量测了隧道纵向应变、纵向沉降、隧道周围土压力及超孔隙水压力的变化情况，从而最终明确了隧道的纵向沉降特性。房倩等(2021)依托京张高铁清华园隧道(隧道直径12.2m)下穿既有北京地铁10号线工程，建立了下穿既有线工程中地层、既有结构变形与盾构掘进参数的关系，研究结果表明，盾构机推进速度及总推力、刀盘的旋转速度及扭矩等参数直接会影响周围地层扰动规律，高斯方程可较好地拟合地层和既有线沉降，地层沉降槽宽度受隧道埋深、地层加固措施及盾构机尾部注浆综合影响(张晓平等， 2018； 王浩杰等， 2019)。

目前国内外学者针对浅埋深、小断面盾构隧道开挖面的稳定及地层变形的规律研究比较多，相关理论基础也比较全面，而针对大直径泥水盾构开挖引起的地层变形影响因素研究还不足。由于开挖直径较大导致对原位土的扰动更加剧烈，地层变形和地表沉降范围更广，地表沉降变形规律更复杂。小直径盾构盾体间隙较小一般不进行填充，而大直径盾构在沉降要求较高的复杂环境施工时，要求盾构间隙填充惰性材料来支撑地层，因此其地表垂直变形规律不同于一般小直径盾构隧道，随着城市地下建构筑物繁多密集、地质复杂多变，地下隧道工程断面越来越大，盾构近距离穿越引起沉降的控制难度也不断增大，迫切需要解决大直径盾构隧道穿越过程中的沉降控制问题。

武汉地铁8号线工程为武汉市地铁规划网络中的最主要的过江干线之一，盾构隧道穿越浅覆土老旧棚户区、文物建筑群，面临临近建筑物能否正常使用及盾构能否正常施工问题。本文以武汉地铁8号线中的黄浦路站—徐家棚站越江隧道工程为依托，采用有限元软件Plaxis3D，进行三维有限元模型的建立，分析了覆土厚度、开挖面支护压力、盾壳段土体损失、盾尾注浆压力对地表沉降规律的敏感性，并综合对比分析了数值模拟结果与现场实测值，验证了模型的有效性，研究成果将为后续大直径泥水平衡盾构穿越敏感环境施工参数的选取提供指导。

1 工程背景

武汉地铁8号线黄浦路站—徐家棚站越江盾构隧道工程位于武汉长江二桥上游450m处，连接武汉市江岸区与武昌区，是武汉市第4条过江轨道交通线。隧道自徐家棚站始发后，先以-27.49‰方向掘进952.708m，然后沿-4.8‰方向，掘进420m到达江中最低处，然后以+18.4‰，坡长为1710m的纵坡上坡，至黄浦路站为止。

本项目越江段盾构区间全长3185.5m，场地在地貌上属于长江河床及长江一级阶地，属于典型的二元结构沉积地层。根据勘察资料，场地地层从上往下依次为杂填土、素填土、淤泥质粉质黏土、粉细砂、黏土、中粗砂、圆砾土、强风化砾岩、弱胶结砾岩等，地质断面情况见图1，隧道穿越1820m全断面粉细砂地层和1365m上软下硬复合地层，胶结岩石最大抗压强度达24.5MPa，隧道过江江面的宽度长达1500m，江堤宽度1750m。工程选用一台12.51m直径的泥水平衡盾构机，该盾构机最小转弯半径700m，最大耐压8bar，最大适应坡度5%，最大掘进速度可达到60mm·min-1，最大推力4556877kN，最大扭矩为22673kN·m。

图1 武汉地铁8号线越江隧道穿越地质断面示意图

盾构自徐家棚站始发之后，隧道穿越距离长达600m的旧城改造棚户区、武九铁路、长江大堤等敏感区，隧道覆土厚度逐渐由1倍隧道直径增大至3倍。其中棚户区民房比较密集，时代久远，武九铁路为现有运营铁路，长江大堤为地上防洪堤，变形控制要求极高。

2 盾构掘进地层变形因素敏感性的数值模拟

大直径泥水平衡盾构施工过程会引起地表沉降，主要因素包括覆土厚度、开挖面前方土体应力释放、盾壳段土体损失、盾尾注浆压力、盾构超挖引起的空隙、管片变形等(赵晓彦等， 2017)。本文首先对隧道穿越5种不同覆土厚度(1D、1.5D、2D、2.5D、3D)条件下施工过程进行三维数值模拟，其中D代表隧道直径，D=12.51m，不同覆土厚度地层情况见图1； 其次，选取1.5D隧道覆土厚度作为研究基准，对覆盖层厚度、开挖面支护压力、盾壳段土体损失、盾尾注浆压力等参数进行敏感性分析。

2.1 数值模型的建立

根据工程概况，采用Plaxis3D建立三维有限元模型，模型见图2，有限元模型的空间尺寸长度(X方向)×宽(Y方向)×高(Z方向)为120m×120m×60m，模型两侧为水平向约束，前后作为水平方向的约束，底部作为竖直方向的约束。模型采用三角形网格，大约分为9万个单元格， 14万个节点数。

图2 有限元计算模型

2.1.1 边界条件

本次模拟目的在于减弱边界效应及接近工程实际情况，同向位移约束条件施加在X方向边界处，转动约束条件施加在绕Y、Z轴方向，并且在Y方向边界处施加同向位移约束、绕X、Z轴施加转动约束； 在模型的Z方向，即竖直方向的上边界定义为自由边界，下边界定义为固定边界。

2.1.2 地层参数

本次模拟选取5个典型的计算断面，按照覆土厚度分别为1.0D、1.5D、2.0D、2.5D、3.0D，对应于覆土厚度分别为12.51m、18.15m、24.2m、20.25m、36.3m，不同覆土厚度处参数选取如表1～表5所示。

表1 隧道覆土厚度为1D

表2 隧道覆土厚度为1.5D

表3 隧道覆土厚度为2D

表4 隧道覆土厚度为2.5D

表5 隧道覆土厚度为3D

2.1.3 本构关系

考虑到盾构机壳体(钢材)和管片衬砌(混凝土)刚度远大于周围土体，本文采用莫尔-库仑-弹塑性土体本构模型，并且管片的衬砌环及盾构机壳均采用线弹性本构模型，盾构机壳体E=210GPa，泊松比为0.3。以34.5GPa作为管片的弹性模量， 0.2为其泊松比。

2.1.4 盾构机与管片参数

本项目盾构机前盾直径为12.51m，前盾长度4.02m，中盾直径12.49m，中盾长度3.925m，其中盾尾直径长12.47m，盾尾长度为5.945m。本文中盾构隧道外径是12.1m，管片宽度是2m，管片厚度是0.5m，并且使用C50混凝土，抗渗P12。衬砌环采用1+7式，由一个封顶块(F)，两个邻接块(L1、L2)和5个标准块(B1～B5)组成。因本文主要模拟分析地层变形受盾构机掘进的影响程度，管片拼接方式相对影响较小，管片拼装不考虑接缝。

2.1.5 开挖面压力设置

盾构掘进过程中，采用合理的开挖面压力可以使地表沉降有效减小，本次模拟过程中，假设在开挖面中泥膜已经形成，在泥膜上施加支护压力，暂时不考虑支护介质(气体或泥浆)的耗散，参数选取以实测参数为基准，不同覆土厚度盾构机开挖面压力值见图3。

图3 不同覆土厚度盾构机开挖面压力值

2.1.6 盾构与土体间隙设置

倒锥形的盾构设计使得盾体与土体之间产生了间隙，这种间隙会使盾体与土体的摩擦力减小，也会无形中增大地层损失，同样管片脱离盾尾后与周围土体之间的空隙也会造成地层损失。在数值模拟中，将盾体与周围土体之间的非均匀性空隙，盾尾管片与周围土体之间的空隙等效为均匀圆筒，并利用圆筒的收缩模拟两种因素所诱发的地层损失。将注浆压力转换为土体的面荷载，注浆压力的选取参考现场实测数据，不同覆土厚度条件下盾构机尾注浆压力取值见图4。

图4 不同覆土厚度盾构机盾尾注浆压力实测值

2.1.7 盾构掘进模型

将盾构掘进过程简化为图5所示形式。主要控制参数包括掌子面压力，注浆压力以及盾构机盾体锥形收缩。在上述3个作用位置，均会产生较大的土体损失，具体可以分为刀盘位置处的土体压力不平衡造成的土体损失、刀盘超挖造成的土体损失、盾构机盾构直径变化造成的土体损失、盾尾脱出时造成的土体损失以及管片变形造成的土体损失，这些部分的土体损失是产生地层沉降的主要原因。

图5 盾构掘进模型

2.1.8 分步式掘进流程

在进行盾构掘进模拟分析中，对盾构关键参数对地表沉降的影响进行了充分考虑，具体的计算如下：

(1)计算场地地应力，初始应力平衡；

(2)进行第1个盾构环的开挖，施加开挖面支护压力p1；

(3)激活盾壳2m，并激活盾壳外设置的接触界面和收缩单元，产生土体损失VL1；

(4)进行第2个盾构环的开挖，激活后一步盾壳2m，并激活盾壳外设置的接触界面和收缩单元，产生土体损失VL2；

(5)重复第3步，直至盾尾脱开之前；

(6)撤去盾壳单元，激活盾尾注浆压力pr；

(7)激活衬砌管片；

(8)递进式重复(2)～(7)直至结束。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 覆土厚度

图6为不同覆土厚度条件下大直径泥水盾构隧道施工引起地层纵向沉降云图，为更好地进行沉降云图之间差异性对比，将沉降云图的图例范围设置为-30～30mm。从云图中可以发现，盾构掘进施工造成隧道顶部产生向下的沉降变形，而在隧道底部会形成隆起。在隧道覆土厚度由1.0D增加到3.0D过程中，由于盾构开挖引起的地表沉降变形量减小。当覆土厚度为1.0D时，由于隧道开挖引起的地表沉降量接近20mm，沉降量会随着覆土厚度的增大，而呈现出减小趋势，当覆土厚度增加至2.0D时，其最大沉降约3.2mm。当覆土厚度继续增大时，发现在地表最大沉降量与覆土厚度这两者之间呈现出非线性的关系，其拐点出现在2.0D位置，当覆土厚度超过于2.0D，地面沉降变化不大。当覆土厚度较小时，在1.0D条件下，隧道开挖很容易导致地表发生隆起变形。随着覆土厚度不断增加，土体沉降和隆起变形量两者都有减小的趋势，曲线也更加平缓。因此，对于大直径的泥水平衡盾构来说，当覆土厚度处于1.5D以下时，地层沉降需要重点关注。

图6 不同覆土厚度下大直径泥水盾构施工引起地层纵向沉降云图

2.2.2 开挖面支护压力

图7为不同开挖面压力条件下(p0=240kPa，p1=220kPa，p2=200kPa，p3=180kPa，p4=160 kPa，p5=140kPa)大直径泥水盾构掘进过程中引起地层纵向沉降云图。盾构开挖引起的地表沉降量随着开挖面支护压力的减小会呈现明显增加，沉降槽宽度也会相应增大。开挖面压力的减小，导致土体发生向隧道的位移，使得更多的土体变形至盾构机刀盘区域，从而引起更大的土体损失，进而产生更大和更宽的地面沉降现象。当开挖面支护压力减小时，地表沉降量会迅速增加，当p0=240kPa时地表沉降不超过3mm，当p5=140kPa时，最大沉降接近35mm； 并且随着开挖面压力的减小，会出现开挖面土体发生较大的向隧道方向的沉降变形的现象，这对隧道开挖的稳定不利。

图7 不同开挖面支护压力条件下大直径泥水盾构掘进引起地层纵向沉降云图

2.2.3 盾体段土体损失

图8为不同盾壳土体损失条件下盾构掘进所造成土体纵向沉降云图(土体损失分别取VL1=0.1%，VL2=0.6%，VL3=1.0%，VL4=1.5%，VL5=2.0%)。

图8 不同盾壳土体损失条件下的土体横向沉降云图

由图8可知，盾壳土体损失VL的增大会引起地表沉降量的增加。当土体损失为Vl=0.1%时，综合前述开挖面支护压力和注浆参数，隧道开挖引起的沉降量不大； 当土体损失增大到2.0%时，其最大沉降接近70mm，由此可见，盾壳范围内的土体损失增加，导致土体发生向内部的位移，导致更大的地面沉降产生，沉降槽宽也更宽。

2.2.4 盾尾注浆压力

图9为不同盾尾注浆压力条件下盾构掘进所造成的纵向地层沉降云图(pr1=330kPa，pr2=300kPa，pr3=270kPa，pr4=240kPa，pr5=210kPa)。盾构开挖导致的地表沉降量，会随着盾尾注浆压力的减小而增加，当盾尾注浆压力为pr5=330kPa时，综合前述开挖面支护压力和盾壳土体损失参数，隧道开挖导致的地表沉降不超过5mm，当开挖面压力小于240kPa后，地面沉降迅速增加，且增速也迅速增大。当盾尾注浆压力减小至pr5=210kPa时，其最大沉降接近40mm。这说明当注浆压力不能与周围土体受力平衡后，土体产生了较大的变形，引起了地表沉降量的增大。

图9 不同盾尾注浆压力条件下盾构掘进引起地层纵向沉降云图

3 数值模拟与现场实测对比分析

项目实施过程中对盾构穿越过程引起的地表沉降进行监测，地表沉降监测点布置及范围见图10。在此监测段，隧道自徐家棚车站掘进至江中一侧，隧道覆土厚度逐渐由1倍隧道直径增大至3倍。

图10 武汉地铁8号线越江隧道部分监测布置图

3.1 横向地表沉降

图11为横断面地表沉降实测值与模拟值对比，从图11可以看出，在隧道覆土厚度在1.0D处，通过有限元计算得到的地表沉降最大值为20mm左右，现场测点位于最大沉降两侧，最大沉降为16.1mm左右，与有限元结果存在一定差异，但是整体趋势相同。当覆土厚度为1.5D时，有限元计算得到的地表沉降最大为6.0mm左右，现场测点位于最大沉降两侧，且有一定距离，最大沉降为4.9mm左右。当覆土厚度为2.0D时，有限元计算得到的地表沉降值最大为3.3mm左右，现场测点最大沉降为3.0mm左右，两者较为接近。当覆土厚度为2.5D时，有限元计算得到的地表沉降最大为3.6mm，现场测点最大沉降为3.8mm左右，两者较为接近。当覆土厚度为3.0D时，有限元计算得到的地表沉降最大为3.7mm左右，现场测点最大沉降为3.6mm左右，两者较为接近。

图11 不同覆土厚度下横断面地表沉降实测值与模拟值对比

综上所述，从有限元计算结果与现场实测的对比分析中可知，数值模拟计算结果与现场实测值具有相同变化趋势，说明采用本章所述的有限元分析模型计算能够反映盾构掘进导致的地表纵向沉降规律。

3.2 纵向地表沉降

图12为选取的隧道覆土厚度由1.0D增加到3.0D过程中，所选取的5个断面随盾构进度有限元地表纵向沉降计算结果与实测地表纵向沉降(沿轴线变化)结果的对比(由于监测断面相距过远，本文选取距离最大沉降点最近的测点作为参考)。如图12所示，在覆土厚度为1.0D处， 0点处有限元计算得到测点位置处的沉降为10mm，现场实测为6.1mm。在覆土厚度为1.5D处，有限元计算得到测点位置处的沉降为5mm、3.2mm，现场实测为3mm、1.9mm左右。在覆土厚度为2.0D处，有限元计算得到测点位置处的沉降为1.9mm，现场实测为2.1mm。在覆土厚度为2.5D处，有限元计算得到测点位置处的沉降为3.3mm、1.1mm、0.8mm，现场实测为3.6mm、2.0mm和0.1mm，呈现出相似的变化规律。在覆土厚度为3.0D处，有限元计算得到测点位置处的沉降为2.0mm和0.1mm，现场实测为1.0mm和0.1mm，呈现出相似的变化规律。

4 结 论

大直径的泥水盾构在全断面透水砂层掘进全过程中，开挖面支护压力、盾构掘进的土层损失、盾尾注浆压力控制是造成地层变形的主要影响因素，通过数值模拟及现场实测对比分析，得到以下结论：

(1)分析开挖面压力参数表明，开挖面压力是造成土体沉降变化敏感的因素，当开挖面支护压力减小时，地表最大沉降量与压力呈现出非线性的关系。开挖面压力减小至某一定压力值，导致地面沉降迅速增加，且增速也迅速增大。该结果同时说明对开挖面压力的研究是非常重要的。

(2)分析盾壳段土体损失参数表明，随着盾壳土体损失的增加，地表最大沉降与盾壳土体损失表现出线性关系。同时发现，盾壳土体损失对地表沉降变化的影响程度比较大。

(3)通过分析盾尾注浆压力参数，发现地表最大沉降值会随着注浆压力的减小表现出与压力明显的非线性关系，当开挖面压力比注浆压力值小时，地面沉降迅速增加，且增速也迅速增大。该结果同时说明对盾尾注浆的研究是非常重要的。

(4)通过研究隧道覆土厚度，发现地层沉降值由于覆土厚度的增加而逐渐减小，横向和纵向沉降曲线也会随之更加平缓，当覆土厚度超过2.0D之后，地层沉降出现拐点，当覆土厚度处于1.5D以下时地层沉降需要重点关注。