砂卵石地层盾构隧道施工超挖土对地表沉降影响研究

张延杰

（云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650204）

0 引 言

关于盾构隧道超挖土方引起地表沉降现象频繁发生，其造成的后果也极为严重。对于超挖土的研究，张扬等[1]从实施阶段责任认定和招投标阶段合同条款约定两个方面提出超挖超填问题的处理和预防措施，为超挖超填结算问题提供参考。孙浩等[2]基于软弱围岩开挖施工得出了控制爆破超欠挖及爆破振动的重要措施。张海涛[3]针对青岛地铁隧道，得出“大小眼”方式成对布置周边眼的钻孔方法，可有效控制爆破施工对超欠挖的影响。阮松等[4]运用层次分析法，建立了风险评估体系，得出了地铁盾构隧道超限暗挖改造中各种风险因素的影响权重。佟艳清等[5]指出造成引水隧洞地质超挖主要原因是施工管理、复杂地质条件、炸药爆破技术参数（方法）及现场管理等。陈稳干[6]提出影响隧道超欠挖的因素主要有测量放线、钻孔精度、爆破技术、地质围岩条件和施工管理。方俊波等[7]通过对比凿岩台车在初期支护紧跟掌子面及不紧跟掌子面等不同施工工况下长短孔配套施工产生的超挖量，并采用长短孔配套钻孔爆破技术，可有效控制凿岩台车钻爆时隧道的超挖量。梁超等[8]通过计算器简单编程，结合全站仪三维坐标快速反算出待测点超欠挖情况，从而指导下部工序。综上所述，现有隧道超挖土的研究成果主要集中在隧道爆破开挖技术[9-10]，而针对措施方面主要有超挖区域加强支护，欠挖部分进行凿除的施工经验。然而针对成都地铁盾构隧道开挖施工，由于砂卵石土层存在滞后沉降现象[11-12]，出土量参数控制不当，造成盾构超挖土，目前缺少行之有效的理论支撑和数值模拟手段，以对盾构隧道超挖土进行有效指导。因此采取数值模拟进行超挖土影响的理论判定显得尤为重要。

1 数值算例

计算选取成都地铁3号线驷马桥北站—驷马桥站区间，其土层分布相对均匀，周围无建（构）筑物和地下管线的影响，并且监测点收集数据相对完整，因此以该施工段为背景建立计算模型。共进行10环管片长度的隧道模型模拟计算，隧道中线埋深11.6 m，盾构穿越全断面砂卵石层，开挖隧道直径为6 m，衬砌壁厚为300 mm；Abaqus三维有限元网络模型的尺寸为：宽60 m、高59 m、纵深15 m，计算模型图见图1所示。具体土层物理力学参数见表 1，其中砂卵石土的抗剪强度参数采用直剪试验数据，土体采用Druker-Prager本构模型。边界条件上表面为自由面，4个侧面约束法向位移，底面为固定支座，共建立39 840个单元，43 638个节点。计算数据与实测数据拟合较好，模型建立的正确性验证参见相关文献[13-15]。

图1 模型正面图Fig. 1 Model diagram

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

按照图2所示的方法，取盾构中间某一开挖环，采用扩大该环开挖半径的方式来模拟盾构超挖施工。模拟范围是基于成都富水砂卵石地层隧道开挖时出现的滞后沉降现象，开挖在一段时间后对应地表形成空洞塌方，其塌方面积基本在1倍盾构直径的范围，或小于1倍隧道洞径范围，如图2（a）所示，以扩大模型的中间环边缘上半部分作为盾构施工超挖土状况的模拟对象，分析超挖土造成的地表沉降影响。通过图3演示盾构超挖引起的空洞往地表延伸的施工模拟过程，进而掌握距地表不同距离下的空洞对地表沉降的影响。

图2 局部扩大开挖环处半径的盾构超挖施工模拟Fig. 2 Simulation of over-excavation construction of shield tunnel with partially enlarged excavation ring radius

图3 空洞往地表延伸的施工模拟Fig. 3 Construction simulation of the cavity extending to the surface

由图4可知，盾构超挖掘进对地表沉降的影响大于正常掘进下的地表沉降，其沉降量增加了1倍左右，两者的总体沉降均在10 mm以内。观察不同的空洞与地表间距下地表沉降，其沉降变化虽有差异，但规律不够明显。因此需要改变模型参数，继续分析超挖土对地表沉降的影响。

图4 盾构隧道轴线纵向地表沉降值Fig. 4 Longitudinal surface settlement value of the shield tunnel axis

改变盾构开挖模型的土层参数，其砂卵石土的抗剪强度参数采用三轴试验数据，并按照图2（b）的展示，以扩大模型的中间环边缘的1/4作为盾构施工超挖土状况的模拟对象；通过图5演示盾构超挖引起的空洞不断往地表方向延伸的施工过程，分工况进行模拟，进而掌握距地表不同距离下的空洞对地表沉降的影响。具体土层物理力学参数见表2[14]，土体采用Druker-Prager本构模型。共进行10环管片长度的隧道模型模拟计算。隧道中线埋深11.6 m，地下水位埋深-8 m，盾构穿越全断面砂卵石层，其地表以下分布的土层依次为杂填土、黏土、细砂、稍密卵石、中密卵石、密实卵石、强风化泥岩和中风化泥岩。共建立35 040个单元，38 493个节点。

图5 空洞往地表延伸的施工模拟Fig. 5 Construction simulation of the cavity extending to the surface

观察图6可知，盾构超挖掘进对地表沉降的影响大于正常掘进下的地表沉降，其沉降量增加了1倍左右，并且超挖掘进的地表总体沉降均超过10 mm。最大沉降发生在第6开挖环处，即发生在超挖所在开挖环位置。观察不同的空洞与地表间距下地表沉降，其沉降差异较为明显，除空洞距地表3.5 m工况的沉降曲线显示地表轴线处最大沉降发生在第6开挖环的附近，其余工况的最大沉降均发生在第6开挖环处，并且沉降曲线的变化趋势相同。空洞与地表间距对地表轴线位置沉降的影响中，最大沉降曲线发生在距地表5 m的工况，而非空洞距地表最近的1 m工况位置，表明当空洞发生在偏离隧道轴线的位置时，其空洞与地表间距对地表轴线位置沉降的影响规律不与间距的大小成正比例关系。

图6 盾构隧道轴线纵向地表沉降值Fig. 6 Longitudinal surface settlement value of shield tunnel axis

观察图7可知，盾构超挖掘进对开挖断面的地表沉降的影响大于正常掘进下的地表沉降，其沉降值和沉降影响范围均有所增加，并且沉降变化较大位置集中在距隧道轴线0～4 m范围内，即发生在空洞所在的空间位置。观察不同的空洞与地表间距下地表沉降，其沉降差异距隧道轴线0～4 m范围内较为明显，其空洞距地表1 m工况的沉降曲线发生明显变化，距隧道轴线0～4 m范围处的地表沉降发生突变，该处地表坍塌，突变位置处的空洞埋深与隧道顶部埋深的比值为11.3%。模拟结果表明空洞埋深小于隧道顶部埋深的11.3%，地表会发生瞬间塌落。

图7 盾构掘进第6环横向地表沉降值Fig. 7 Lateral surface settlement value from the shield tunneling to the 6th ring

在盾构掘进过程中，如发现开挖环土方超挖，按照盾构机刀盘开挖处与同步注浆位置相隔4～6环的距离，可以借助砂卵石地层中盾构施工产生的地表滞后沉降特点，须在盾尾注浆孔邻近至超挖环时，加大同步注浆量，并随后进行二次注浆弥补。如开挖环处土方超挖，随即地表发生明显沉降的情况，须及时进行地面打孔注浆；地面注浆不允许的情况下须通过土仓对掌子面注入高浓度泥浆等弥补措施。

表2 土层物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of soil layers

2 结 论

借助数值模拟方法，通过对扩大某一开挖环半径的方式来模拟盾构超挖施工，通过挖除不同埋深的土体单元，用来演示盾构超挖引起的空洞往地表延伸的施工模拟过程，模拟分析得到了超挖土和滞后沉降工况对地表沉降的影响规律。

数值计算得出当空洞发生在偏离隧道轴线的位置时，其空洞与地表间距对地表轴线位置沉降的影响规律不与间距的大小成正比例关系。提出砂卵石地层EPB盾构施工空洞埋深小于隧道顶部埋深的11.3%，地表会发生瞬间塌落，其空洞埋深与隧道顶部埋深的位置比，为隧道超挖土形成空洞对地表沉降影响的机理研究提供参数线索。

在盾构掘进过程中，如发现掘进超挖，须在盾尾注浆孔邻近至超挖环时，加大同步注浆量和二次注浆弥补。如开挖环处土方超挖随地表发生明显沉降的情况，进行地面打孔注浆或通过土仓对掌子面注入高浓度泥浆等弥补措施。