盾构隧道掘进对地表沉降的影响及控制措施研究

2021-12-24文卓殷

西部交通科技 2021年10期

文章以某城市地铁盾构隧道工程为例，采用PLAXIS有限元软件建立隧道模型，对隧道掘进过程中地表沉降变化规律进行分析，并结合实际工程现场监测结果，对地表沉降实测数据与模拟数据进行了对比，探讨了地表沉降控制措施，得到以下結果：（1）地表监测处的沉降随着隧道掘进距离的减小而逐渐增大;当隧道掘进达到监测处后地表沉降值仍有所增大，但逐步趋向稳定状态;（2）各断面的地表沉降实测值与计算值较为吻合，即数值模拟结果可靠合理;（3）采取对盾构土压平衡、盾构机掘进方位及速度、管片拼装和同步注浆的控制方法可以有效减少盾构隧道引起的地表沉降。

盾构隧道;地表沉降;数值模拟;沉降控制措施

文献标识码：U455.43-A-34-114-3

0 引言

随着我国城市化进程的加快，许多城市逐渐开始兴建地铁，而隧道在盾构掘进过程中会致使地表发生沉降等危害，给邻近地表构筑物的安全带来严重影响，因此如何合理地控制地表沉降成为了越来越多学者关注的热点课题[1-4]。

近年来，国内学者在解决盾构隧道诱发地表沉降的问题上进行了一些研究，如石杰红等[5]以某城市地铁盾构隧道工程为案例，针对四种不同开挖方案诱发的地表沉降进行了对比分析，给工程后期地铁隧道开挖提供重要指导;洪杰[6]以某地铁区间隧道工程为背景，借助Abaqus有限元软件建立数值模型，探讨了隧道开挖过程中施工参数对地表沉降的影响规律，并提出有关沉降控制的针对性建议;冯国冠[7]通过采用有限元软件，模拟了某盾构隧道的整个开挖过程，研究了不同影响因素下隧道的地表沉降变化规律;董广辉[8]研究得出隧道在采用盾构开挖时，由于刀盘、盾体、管片之间存在一些间隙，如无法及时同步进行注浆处理，则会致使地表发生沉降问题。本文以某城市地铁盾构隧道工程为例，采用PLAXIS有限元软件建立隧道模型，对隧道掘进过程中地表沉降变化规律进行分析，并结合实际工程现场监测结果，对地表沉降实测数据与模拟数据进行了对比，探讨了地表沉降控制措施，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程背景

以某城市地铁隧道工程为背景，该隧道直径为6 m，衬砌厚度为0.3 m，隧道中心处埋深约为14～24 m，采用大型盾构机进行施工。根据地质勘察，隧道区间范围内主要包含素填土、黏土以及中风化泥灰岩等土质。为研究隧道掘进过程中地表沉降的变化规律，本文借助PLAXIS有限元软件，选取两个典型断面A、B进行了模拟计算分析。各断面的地质情况如图1所示。

2 现场沉降监测点布置及模型建立

2.1 监测点布置

在隧道断面A、B的地表均布置7个横向沉降监测点，其中每个监测点间距均为3 m，最中间的沉降监测点设置于隧道轴线正上方。具体布置情况如图2所示。

2.2 有限元模型的建立

以断面A为例，采用PLAXIS有限元软件建立盾构隧道开挖数值模型，考虑到该隧道属于浅埋隧道，因此在模型建立过程中将模型的上表面视为地表。模型中除顶部外均设置位移边界约束，其中混凝土和土体分别采用线弹性、摩尔-库伦本构模型。由于隧道结构对称，本文仅建立半侧模型（如图3所示）。另外，模型中土体及材料参数选取如表1所示。

3 数值模拟对比分析

3.1 隧道掘进沉降计算分析

通过对隧道掘进过程中断面A的竖向位移进行有限元模拟计算，得到隧道掘进距测点水平处10 m、5 m及0 m时的沉降分布规律。

当隧道掘进至距监测点10 m时，因受围岩应力释放作用，使得隧道底侧管片壁后注浆处出现了比较大的隆起情况，其最大隆起值达到了3 mm左右，而监测处仅出现较小沉降。隧道管片完成注浆后，盾构机继续向前掘进，当隧道掘进至距测点5 m时，监测点出现了较大的沉降，其最大地表沉降值达到10.1 mm。当隧道掘进至测点时，最大地表沉降值达到了10.8 mm。随着隧道掘进至监测点的距离越短，各测点的地表沉降值逐渐增大，当盾构机在到达监测断面后继续向前掘进时，各测点的地表沉降值仍有所增大，但逐步趋向于稳定状态。

3.2 现场监测与数值模拟结果对比分析

为了保证有限元模拟计算结果的准确性，将断面A、B各监测点的现场监测数据与有限元计算数据进行对比分析，结果如下页图4所示。

由图4可知，断面A的实测沉降值均小于模拟计算值，其中实测出最大沉降值为-12.71 mm，模拟计算出最大沉降值为-13.05 mm，两者误差2.7%左右;断面B的实测最大沉降值为-12.9 mm，而计算出的最大沉降值为-13.39 mm，两者误差3.8%左右。两个断面的实测值与有限元计算值较为吻合，即可表明有限元模拟计算结果合理可靠。

4 地表沉降控制措施研究

城市盾构隧道施工过程中，由于城市地表建筑物及地表荷载较大，规范对沉降控制要求很高，一般地表沉降值大于规范值，就应该采取合理的沉降控制措施，下面给出盾构隧道施工过程中的沉降控制方法。

4.1 对盾构土压平衡进行控制

盾构隧道开挖过程中，由于土体损失从而使得舱内外土压力不平衡，因此可以通过在盾构机刀盘后侧的密封舱提前放置填充物来平衡由于隧道开挖引起的舱内外土压力不平衡问题，最终减小地表沉降。

4.2 对盾构机掘进方位及速度进行控制

城市地铁往往要穿越数十公里，盾构机在推进的过程中经常会出现偏离轴线等现象，故需要经常对盾构机进行纠偏，而纠偏控制值应控制在一定范围内，防止由于盾构机偏转过大而导致土体受扰动而发生沉降过大现象。盾构机中千斤顶推进力和刀盘切割转速均应控制在一定范围内，防止对土体产生过大扰动。此外，在条件允许的情况下，要尽可能加快盾构掘进速度，并且要保证盾构的连续性，以此来减小对周围土体以及地表的扰动。

4.3 对管片拼装进行控制

预制管片在盾构隧道稳定性当中发挥着非常重要的作用，如果拼装不当可能会导致固定螺栓无法连接以及在壁后注浆时发生漏浆等现象。因此，在管片拼装过程中应保证完美对接，使得拼装环面和纵缝密实度满足设计要求。

4.4 对同步注浆进行控制

同步注浆对于保证盾构隧道的稳定性至关重要，在管片拼装完之后，应该及时进行壁后注浆。如果不及时注浆，会使得地层损失率增大，进而加大了地表沉降，甚至造成地表塌陷。因此在管片拼装完之后应该及時进行注浆，并对浆液的质量、相关指标和注浆过程进行严格测试和控制。

5 结语

本文以某城市地铁隧道工程为研究背景，采用PLAXIS有限元软件建立盾构隧道模型，结合现场实时监测，对比研究了隧道掘进过程中地表沉降变化规律及控制措施，得到以下结果：

（1）由于围岩释放的作用，地表监测处的沉降随着隧道掘进距离的减小逐渐增大;当隧道掘进达到监测处后，继续向前掘进时地表沉降值仍有所增大，但逐步趋向稳定状态。

（2）断面A、B的地表沉降实测值与有限元计算值较为吻合，即数值模拟结果可靠合理。

（3）采取对盾构土压平衡、盾构机掘进方位及速度、管片拼装和同步注浆进行控制的方法可以有效减少盾构隧道引起的地表沉降。

参考文献

[1]李小青，朱传成.盾构隧道施工地表沉降数值分析研究[J].公路交通科技，2007，24（6）：86-91.

[2]王荣.地铁盾构隧道下穿高速铁路引起路基变形数值分析[J].建材发展导向，2016，14（19）：199-200.