复合地层盾构施工参数对地层位移的影响

邓智宝

(浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310000)

1 概述

盾构施工具有机械化程度高、对地层扰动小、施工周期短、受天气影响较小等优点。盾构机是一种全自动化、多功能集于一身的功能强大的隧道开挖设备，盾构机可分为软土挖掘型、TBM以及复合挖掘型盾构机，其中软土挖掘型盾构机适用于软土地层，TBM则适用于较硬的岩层。当盾构机在软土地层中掘进时，对周围地层造成扰动，使其应力状态发生改变从而让土层产生应变，其主要影响因素为地层损失，而地层损失对周围土层扰动的主要表现为地表沉降的产生[1-3]，王建秀等[4]结合经验公式、工程测量数据、数学统计和物理力学理论等方法从盾构掘进引发地表沉降方面进行论述，重新提出了地层损失的界定，提出了地层损失的概念模型，从而建立以控制地表沉降为目的的施工参数控制措施，并将全新的理论方法应用到实际工程中，取得了良好的效果。璩继立等[5]结合隧道工程现场实测资料，以盾构机掘进隧道施工引起的地表沉降为研究对象，利用数学统计原理做出分析，研究了不同隧道埋深对地表沉降槽形状、宽度和深度的影响，最后提出了盾构施工时隧道埋深和地表沉降槽最大沉降的关系式。李小青等[6]采用数值模拟法进行了不同影响因素的影响分析，研究了不同地层损失情况、不同土体本构模型以及不同土体排水情况等隧道施工条件对地表沉降的影响规律，分析了各个不同因素对地表沉降的影响，提出了影响地表沉降的计算模型。王克忠等[7]利用有限元三维快速拉格朗日法，对粉质砂土层中的盾构隧道工程始发段开挖进行了模拟分析，得出了开挖面位置和地表沉降槽形状之间的变化关系，并对数值模拟数据和实测数据进行了对比分析，提出了数值模拟结论可为施工提供参考。然而当盾构机在软硬不均的地层中掘进时，施工参数控制与计算则更为复杂，盾构机在上软下硬地层中掘进时机体产生的振动、刀盘的磨损、对地层损失的影响都有着和软土地层不同的表现，因此施工参数的选取控制对刀盘的磨损、开挖面的稳定、周围环境的扰动以及掘进效率的提高均有着重要影响[8-11]，竺维彬等[12]结合实际工程案例，系统地分析了复合地层的施工掘进技术。李俊伟等[13]以广州某复合地层条件下的盾构选型为研究案例，以刀盘磨损、盾构掘进模式以及盾构施工参数等参数选取为研究对象，进行了盾构机选型的风险评估，提出盾构机选型在复合地层施工中是一项重要的风险因素，为类似工程的参数选取提供理论参考。朱逢斌等[14-15]基于数值模拟法，分析各个影响因素对临近桩基变形和内力变形的影响，得出了隧道开挖对群桩变形和内力的影响规律。总的来说针对不同的地质条件和施工条件，应该选取不同类型的盾构机，而上软下硬复合地层因为不同于软土地层的地层性质，也不同于全断面硬岩地层构造，因此应当选取复合型盾构机来开挖隧道，而这种介于软土和硬岩地层的复合型地层断面构造，在我国地下城市建设的工程案例不在少数。

本文基于前人的研究成果，结合实际工程案例，利用有限元数值模拟软件ABAQUS分析了盾构机在上软下硬复合地层中掘进时施工参数土仓压力和注浆对周围地层的位移影响规律，为相似工程建设提供理论参考。

2 工程概况

拟建杭州市某地下城市道路工程，采用隧道开挖的形式，其中一标段为明挖法开挖隧道，二标段采用盾构施工法开挖隧道，隧道盾构段总长度为1.7 km，隧道走向为东西向，自东向西进行开挖。该盾构隧道工程为双线隧道掘进，分为南线和北线，其中北线开挖里程比南线提前1 km左右。盾构机从2号沉井下沉至设计深度并向西掘进至3号沉降井，从3号沉井移出盾构机。盾构段主要地层为素填土、砾质黏土、全风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩。盾构隧道上覆土层厚度为6.3 m～21.8 m，在盾构掘进段经过全断面软土地层和软硬不均的复合地层，掌子面穿越的不均匀地层上部是全风化的软岩，下部是部分风化或者弱风化的硬岩，因此表现出上软下硬的地层构造，施工地层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

3 有限元模型建立

3.1 模型几何尺寸

有限元计算模型选取隧道工程盾构掘进段北线中自东向西的第419环管片处，地层结构为上软下硬地层的开挖断面作为参考建模，该断面为典型的上软下硬地层构造断面。该断面的地层分布为：素填土、砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中等风化花岗岩和弱风化花岗岩。盾构隧道埋深为15.6 m，位于强风化花岗岩层与中等风化岩层的中间，断面硬岩占比为33%。为尽量避免边界条件对模型计算精准度的影响，应当将模型的尺寸尽量放大，但是过大的模型尺寸又会给运算时间带来不必要的延长，因此合理选取模型尺寸能够在消除边界影响的同时尽量缩短模型的运算时间。模型尺寸设置如下：模型横向宽度为50 m，纵向长度为60 m，高度为42 m，盾构隧道的直径为13.5 m，所有地层以及地层分界面近似为水平面，模型中取隧道埋深为15 m，衬砌厚度为0.3 m，计算模型如图1所示。

3.2 模型参数及开挖模拟

地层以及地层分界面近似为水平面，模型中取隧道埋深为15 m，衬砌厚度为0.3 m，地层岩土材料模型采用M-C弹塑性本构模型，地层材料参考工程地质勘探报告所测定的参数如表1所示。衬砌为钢筋混凝土结构，在模型中采用均值的线弹性本构模型模拟。隧道的开挖模拟采用将隧道形状的岩土体移除的方式，开挖面处的岩土体被移除后，采用圆环单元模型模拟混凝土衬砌。土仓压力通过在开挖过程中直接施加到开挖面上的正向压力来模拟。壁后注浆可通过简化成等代层来模拟。在实际工程中，壁后注浆一般与管片的安装同时进行，也可先进行管片的安装然后再进行壁后注浆处理，在模型计算中选择壁后注浆和管片安装同时进行。等代层与衬砌管片物理力学参数如表2所示。

表2 盾构施工等代层和管片物理力学参数

4 土仓压力对地表沉降的影响

4.1 土仓压力对横向地表沉降的影响

图2为盾构机掘进时不同土仓压力下的盾构前端地表沉降曲线，可以知道，盾构机在上软下硬地层中掘进时，地表沉降的发展趋势呈现出中间深、两边浅，从中间往两边逐渐递减的对称分布。不同的土仓压力沉降槽的形状类似，但各个距离处的地表沉降数值发生了变化。随着土仓压力的增大，沉降槽中部最大沉降呈现出递减的趋势，最大沉降从土仓压力为0.2 MPa的3.2 mm递减至土仓压力为0.3 MPa的2.3 mm，减小幅度为28.13%。从图2还可以看出，沉降槽的影响范围也随着土仓压力的变化而变化，当土仓压力为0.2 MPa时，距离轴线22 m处还有大于0.5 mm的沉降产生，但是当土仓压力上升至0.3 MPa时，该位置处的沉降则衰减至小于0.5 mm，这说明了随着土仓压力的升高，沉降槽的影响范围呈现出缩小的趋势。

4.2 土仓压力对纵向地表沉降的影响

图3为盾构机掘进时不同土仓压力下的盾构机端点沿轴线方向沉降分布曲线图。从图3可以知道，地表沉降沿纵向为递减发展，沉降最大值刚好位于盾构机端点刀盘位置，然后随着距离的增加，沉降减小。其中0 m～35 m范围内沉降曲线的发展近似于二次抛物线，而35 m～60 m沉降曲线趋于平缓，当距离大于60 m时沉降接近于0。在不同土仓压力下，沉降曲线沿纵向的发展大致相同，只有曲线中间有差异，且差异不明显，可以看出，随着土仓压力的增加，曲线中部10 m～35 m范围内的沉降减小。以25 m处为例，当土仓压力为0.2 MPa时，该位置处的沉降约为4.5 mm，而当土仓压力增加至0.3 MPa时，该位置处的沉降则减小至3 mm，沉降降低幅度为1.5 mm，这说明土仓压力的增加对复合地层纵向地表沉降的影响较小，而在曲线的两端，可以看出不同土仓压力的沉降曲线趋于重合，对于距离为0 m处和距离大于60 m的位置，土仓压力对地表沉降的影响可以忽略。

5 壁后注浆对地表沉降的影响

5.1 注浆效果对横向地表沉降的影响

壁后注浆效果对地表沉降槽的影响曲线如图4所示，图示曲线为盾构掘进至45 m处时盾构机开挖面后20 m地表横向沉降槽。从图4可以看出，不同注浆效果沉降槽的最大沉降差异明显，随着注浆效果的提升，沉降槽最大沉降值显著降低，从注浆效果为20%的28.35 mm降低至80%的8.9 mm，降幅达到了68.6%。这可以说明当注浆效果较好时，由于地层损失而导致的应力释放程度不高，从而影响了地表沉降的发展。从图4还可以看出，注浆效果从20%上升至40%时，盾构机端点处的地表最大沉降从28.35 mm降低至约为15 mm，降幅为13.35 mm，而当注浆效果从40%增加至80%时，其降幅为7 mm，由此可知盾构注浆效果从20%上升至40%时对沉降槽中心位移的改善最为明显，在此基础上再提升注浆效果对沉降槽中心沉降的改善效果将大大降低。

5.2 注浆效果对纵向地表沉降的影响

图5为盾构机掘进时不同注浆效果下的盾构机端点沿轴线方向的沉降分布曲线图。从图5可以看出，注浆效果对地表沉降的纵向分布影响显著，盾构机端点处的地表沉降从注浆效果为20%的约29 mm下降至注浆效果为80%的10.9 mm，降幅显著。从图5还可以看出，随着注浆效果的增加，曲线的斜率也随之变化，当注浆效果为20%时，地表沉降在0 m～40 m范围内平缓减小，而在40 m～50 m范围内急剧变化，减小显著，在40 m～ 60 m范围内又趋于平缓，最大地表沉降和最小地表沉降分别为29 mm和5 mm，两者相差24 mm；当注浆效果为80%时，地表沉降在0 m～60 m范围内都为平缓下降段，并无显著减小，最大地表沉降为10.9 mm，最小地表沉降趋近于0 mm，两者相差10.9 mm。这说明注浆效果对减小地表沉降，改善地表差异沉降都有显著效果。从图5还可以看出，注浆效果从20%提升至40%时盾构机端点处地表沉降改善最为显著，从29 mm下降至17.4 mm，而后面注浆效果的提升对该位置处的地表沉降的改善并无更大效果。

6 结论

为研究盾构机在上软下硬地层中掘进时施工参数对地层位移的影响，采用有限元软件ABAQUS模拟了盾构隧道施工的过程，并以土仓压力和注浆效果为自变量，地表沉降为因变量分析了地表沉降曲线的变化规律，得出以下结论：

1)盾构机在复合地基中掘进时，随着土仓压力的升高，地表最大沉降呈现出递减的趋势，压力从0.2 MPa增加至0.3 MPa，沉降可降低28.13%。

2)在上软下硬复合地基中，土仓压力的增加还可以有效降低地表沉降槽的影响范围，压力从0.2 MPa增加至0.3 MPa，距离盾构轴线处22 m的沉降将得到改善。

3)壁后注浆效果对盾构机开挖面后方的地表沉降有显著影响，随着注浆效果从20%提升至80%，开挖面后方20 m处的最大沉降大幅降低，降幅为68.6%。