盾构下穿施工三维数值模拟分析及施工建议

王 健，吕 驰，胡梦雨

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院 北京 100083）

0 引言

目前，盾构法施工已成为我国城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。由于盾构法施工过程对周围土体将产生不可避免的扰动，以及施工过程中的土体损失，将引起地表沉降和周围土体应力变化［1］。大量的工程实测资料表明，隧道开挖引起的沉降槽形状可以通过Peck 公式［2］进行很好的拟合和描述。国内外学者对于Peck 公式中的几项主要参数土体损失率［3-5］、沉降槽宽度系数［2，6-7］等取值和影响进行了比较深入的分析，也对隧道埋深、隧道外径、土质条件等影响因素［8-9］进行了研究。可以说，目前隧道开挖影响已经相对成熟。

盾构法施工引起的地表沉降及对周围环境的影响是盾构法施工的一个重要问题。同时，隧道穿越区域的地层变形也成为了学术界和工程界历来研究和关注的重点［10-11］。虽然围绕这一问题已做了不少的研究工作［12-15］，但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化，使得研究成果具有一定的局限性，本文主要针对北京地铁十二号线区间隧道工程，利用FLAC3D 建立了三维数值模拟和分析，得出盾构法下穿施工引起地表沉降的规律，为衬砌支护和后续工程设计和施工积累经验。

1 工程概况

某项目东起三元桥站，沿北三环东路向东南敷设，是北京地铁12 号线西坝河至三元桥的区间隧道，该区间总长度1 481.013 m，区间线路线间距为19.2～35～17.2 m，拟采用盾构法施工，盾构管片尺寸为外径6 400 mm，管片厚度300 mm，管片宽1 200 mm。本段区间自西坝河站开始，以1.273%下坡，随后以2.4%上坡进入三元桥站。本文所模拟的段落隧道下穿首都机场高速公路，与机场高速路相交里程为K117+975.261，该段落隧道采用盾构法施工，隧道直径为6.4 m，管片外径顶部至路面距离为23.749 m，相交处盾构隧道左右线中线间距为25.8 m，隧道与机场高速公路相交角度约为30°，隧道坡度为24/1 000，内轨顶面标高10.471 m，路面标高为39.570 m。盾构隧道与首都机场高速的位置关系如图1 所示，盾构隧道与机场高速公路的断面如图2所示。

图1 盾构隧道与机场高速公路的相互关系Fig.1 Location Relationship between Shield Tunnel and Airport Expressway

图2 盾构隧道与机场高速公路断面Fig.2 Sectional View of Shield Tunnel and Airport Expressway（m）

本区间主要地层为杂填土层、粉质粘土层、粉土层、粉细砂层、中粗砂层等土层。地下水位较高潜水（二）水位标高31.32～29.67 m，层间潜水（三）水位标高18.66～17.82 m，层间潜水（四）水位标高10.0～9.50 m。取各地层设计参数指标值如表1所示。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of the Soil

2 施工过程对机场高速影响的数值分析

根据现场施工方案与现有地层数据分析，采用盾构顺序开挖，先开挖左线再开挖右线，分析盾构开挖对机场高速的影响，在试验段和穿越段考虑添加注浆加固周围土体，盾构开挖完成后进行数值分析。

2.1 前处理

2.1.1 建模原则

⑴采用三维数值模型，按实际施工过程分步模拟，考虑盾构开挖的施工过程影响，便于分析由于施工过程引起地表移动的时空效应问题。

⑵土层厚度、土层力学参数等按照勘察报告提交的参数进行选取，在不同的纵断面位置，按照建模位置对应的参数选取，土层厚度变化的按照临近的钻孔揭露的该土层位置平均值选取。

⑶考虑了按照北京地铁十二号线区间的结构特征，按照设计坡度及曲率特征建模。

⑷考虑了按照盾构前进的施工顺序及盾尾注浆的影响。

⑸建模假定工程开挖实际揭露地层状况与勘察揭露的勘察报告论述的地层状况及强度参数一致，不考虑局部地层状况与勘察报告的差异性。

2.1.2 模型尺寸选取及边界条件

北京地铁十二号线穿越首都机场高速计算边界条件：在整个穿越段影响范围内x方向外扩为280 m；y方向扩展为150 m；底部影响区沿地铁十二号线底再向下取10 m 深度，总计z方向为40 m，模型尺寸基本可以消除边界效应对计算结果的影响。所有边界均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面为x、y、z方向位移固定，左右边界为x方向位移固定，前后边界为y方向位移固定。

2.1.3 模型本构及网格划分

计算模型中，土体材料采用摩尔库伦模型各土层假定为理想弹塑性体；高速路面、地铁衬砌假设为线弹性体。数值模拟中衬砌采用结构单元shell，为理想的各向同性材料。土体结构及衬砌参数按设计方案结合工程经验选取；网格、衬砌结构及路面如图3、图4所示，x、y、z方向见图3中标注。

图3 模型中各结构及其网格划分Fig.3 The Structure of the Model and Its Meshing

图4 路面弹性体模型Fig.4 The Elastomer Model of Road Surface

2.1.4 既有结构荷载施加及开挖

高速路面与地铁十号线为既有结构，在十二号线隧道盾构掘进前，需对高速路面施加车辆荷载，生成既有十号线盾构区间，得到变形后的应力、位移状态，并将其初始化后再进行十二号线盾构的开挖运算。

图5 为路面施加荷载后的土体变形图。图6、图7为既有十号线生成后土体位移及z方向应力云图。

图5 路面荷载施加后总位移云图Fig.5 The Total Displacement

图6 生成十号线隧道后的竖直（z）位移云图Fig.6 The Vertical Displacement of Line 10

图7 十号线隧道开挖生成后的竖直（z）向应力场Fig.7 The Vertical Stress Field of Line 10

2.2 计算结果分析

2.2.1 十二号线盾构开挖对高速公路的影响

从2.1 节可知，高速沉降最大位置位于十二号线隧道开挖正上方。在加固的情况下，高速公路的最大沉降为3.05 mm，基本满足结构变形控制指标。模型中高速监测点布置如图8、图9所示。

图8 高速公路监测点布置Fig.8 The Detection Point Layout of Highway

图9 地表沉降Fig.9 Surface Settlement

G1、G2 与G3 点位于左线上方，左线先开挖因此这三点的在左线开挖过程中变化较大，在右线开挖时，此三点的累计沉降变化较小。同样，位于右线上方的G4、G5 与G6 点的变形在左线开挖时，累计沉降较小，在盾构开挖右线时，累计沉降变化明显。

加固情况下路面最大沉降点处横截面如图10 所示，在加固的工况下，路面沉降减小，不平整度数值为2.48 mm/3 m，符合规定标准。

图10 加固工况下路面最大沉降处断面Fig.10 The Maximum Settlement of Road Surface under Reinforcement Condition

3 结论及对施工的建议

⑴本文理论模拟了北京地铁十二号线下穿高速公路过程中地表沉降的规律及最大的沉降位置，在加固的情况下，路面沉降明显减小。而实际施工中盾构开挖采用土压平衡盾构，土压平衡盾构机工作原理是将通过刀盘开挖切削下来的土体充满掌子面与隔板之间的空间，施加一定的推进动力以保证开挖过程中掌子面稳定，与此同时通过设置贯穿隔板的螺旋输送器进行排掉渣土，为保证开挖面的稳定，建议施工中做到：

①土压平衡盾构螺旋输送器排出的渣土量与刀盘切削的土体量保持一致，以确保土压舱内的土压力动态平衡；

②在盾构掘进施工过程中必须在掌子面与隔板之间填满可塑性土体；

③在盾构掘进和盾尾管片拼装过程中，盾构密封舱内土压力略大于掌子面原状土体的主动土压力和水压力之和。

⑵为了控制地表的沉降和下穿盾构施工对高速公路平整度的要求，下穿段加固是必须的施工工艺环节，而加固施工中盾尾注浆显得非常重要，因此为了满足对地表沉降控制的影响，施工中必须做到：

①管片脱离盾构机时，管片和开挖界限存在空隙，所以在管片脱离盾尾时需要及时进行注浆，防止围岩暴露时间过长而导致围岩塌落甚至导致坍塌。

②保证注浆容量，合理控制注浆压力。在管片安装完成以后，需要立即对管片后面空隙进行注浆，由于注浆材料凝结会发生收缩，所以需要保证注浆容量的充足。在实际施工时，由于管片后面土体受到盾壳的移动所产生的扰动，土体会发生不同程度的弹塑性变形，所以实际建筑空隙一般难以准确确定，因此，在判建筑空隙完全被填充密实时，只能通过控制注浆压力来确定。当建筑空隙完全被填充密实时注浆压力会急剧升高，此时就应该停止注浆。如果己完成达到规定标准的注浆量时但注浆压力却还很低，那就说明建筑空隙还未填充密实，此时就应该继续注浆，直到完全填充为止。在现场工程中，根据以往的经验，一般取1.1～1.2倍静止土压力为注浆压力比较合适。

③进行二次注浆，确保空隙完全填充。在进行初始注浆时，浆液凝固会发生不同程度的收缩，从而会产生部分空隙，虽然在第一次注浆时，注浆量一般会大于理论建筑空隙，在实际工程中，在浆液凝固以后，仍然会发现不同程度的空隙。此时，就需要进行补浆，一般在称之为二次注浆。二次注浆是控制地表沉降的另一种辅助手段，特别是穿越重要建筑物或者地下管网时尤为重要。