地铁盾构隧道施工对地表沉降的影响分析

杨国栋

(中铁十八局集团第一工程有限公司，涿州 072750)

随着近年来城市化进程的不断加快，地铁建设项目日益增多，在地铁盾构隧道施工过程中容易诱发地表出现沉降现象[1]，因此分析地铁盾构隧道施工对地表沉降的影响对研究盾构开挖的稳定性具有重要的意义。近年来，国内一些学者对此展开了研究，如冯慧君等[2]以天津地铁某盾构区间隧道施工为例，采用FLAC3D软件对该隧道的施工进行了有限元模型构建，从隧道开挖对地表沉降的影响进行分析，验证了双线隧道盾构施工对地表沉降的叠加效应；顾俊等[3]针对广州地铁4号线进行了盾构法施工对周围环境影响的三维有限元数值计算分析，同时对地表沉降采取了有效措施进行防控；张达栋[4]对黄土地层中地铁盾构施工引起的地表沉降进行了分析，并研究了等代层模量与土舱压力对地表沉降槽宽度和最大沉降量的影响。

由以上研究可知，国内学者主要是对地铁隧道盾构掘进引起的地表沉降问题进行研究，但根据本工程双隧道水平平行设计的特点，且地面建筑物较多、设计难度较大，采用以上学者的方法进行地表沉降的分析可靠性不高，应根据项目自身的特点展开施工对地表沉降的影响分析。因此，本文以郑州市轨道交通5号线某段地铁盾构隧道开挖为例，采用大型数值模拟软件FLAC3D对两个典型断面进行建模分析，再将隧道开挖引起的地表沉降与实测数据进行对比，得到了一些有意义的结论，研究结果可为相似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 工程基本概况

郑州市轨道交通5号线为城市核心区外围边缘的环形线路，沿黄河路、黄河东路、熊耳河路、东风东路、金水东路、心怡路、航海路、桐柏路和西站路敷设。该线心怡路站(建设使用名)～郑州东站区间地面高程为86.26～88.68 m。心怡路站～郑州东站区间右CK14+078.600～右CK14+957.800(左CK14+078.600～左CK14+957.800)，左线长度为899.841单线延米(含长链20.641 m)，右线长度为879.2单线延米，全长为1 779.041单线延米。

1.2 地质情况

郑州市市区出露地层全部为第四系地层，从更新统至全新统均有沉积，地层总厚度为50～200 m，自西南向东北地层由薄变厚，与下伏上第三系地层不整合接触。据区域地质资料、本场地附近工程的相关地质资料、本项目可研阶段的勘察报告和本次勘察成果的分析报告，该段线路各地质分区的地层岩性分布说明如下：沿线属于黄河冲洪积平原，地形起伏不大，地面标高为86.90～87.70 m，相对高差小于1 m。场地30 m 深度范围内地层主要为第四系全新统地层，0～18 m范围的岩性为粉土、粉质黏土和夹薄层砂土，20～30 m范围的主要岩性为中密～密实细砂。根据岩土的时代成因、地层岩性及工程特性，本场地勘探揭露深度范围内的地层岩性主要为人工填土、粉土、粉质黏土、粉砂、细砂等。

1.3 施工方法

郑州市轨道交通5号线该段地铁工程采用盾构法施工，盾构隧道设计埋深为12.16 m，隧道外径为5 800 mm，管片厚度为30 cm，地势整体呈南高北低，双隧道呈水平平行设计，两者水平间距为12 m。该区间地质以粉土、粉质黏土、中粗砂以及粉质填土为主。工程区内不考虑地表水和地下水存在的影响。

2 数值建模

本文选取两个典型断面，并采用大型有限差分软件FLAC3D进行建模分析。断面一模型和断面二模型的隧道中心埋深分别为15.0 m和13.5 m，由于隧道埋深较浅，建模时模型上表面即为地表，模型左右边界、前后边界以及底部边界均进行位移和边界约束，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，土体采用摩尔库仑本构模型。隧道开挖后，扰动区所在范围为距洞室中心3～5倍洞室高度或宽度的距离，超过这个距离，开挖地下洞室造成的影响很小，可以忽略不计。模型的左右边界均取隧道外径的4倍即23.2 m，底部的边界取外径的3倍即17.4 m。

鉴于此，本文所建模型的尺寸如下：断面一模型的长、宽、高分别为100.0 m、70.0 m、35.3 m，网格共计18 764个；断面二模型的长、宽、高分别为100.0 m、70.0 m、33.8 m，网格共计16 876个，其中土体均采用实体单元。断面一和断面二的数值模型如图1所示，土体的物理力学参数如表1所示。隧道支护为预制管片支护，衬砌采用结构单元，并将钢筋网等折合到混凝土上，隧道结构力学参数如表2所示。

(a) 断面一

(b) 断面二图1 断面一和断面二的数值模型

表1 土体的物理力学参数

表2 隧道结构力学参数

3 数值结果分析

隧道开挖会引起围岩应力释放，进而导致隧道周围土体及地表发生沉降[5-6]。国内现有的城市地铁施工引起的地面沉降允许值，往往是由专家们为控制地下工程开挖对地面环境的不利影响而根据经验规定的，通常都采用30 mm为控制标准。

3.1 隧道开挖断面沉降分析

断面一和断面二开挖稳定后的竖向位移云图如图2所示。

(a) 断面一

(b) 断面二图2 断面一和断面二开挖稳定后的竖向位移云图

由图2可知，两个断面的土体沉降规律一致，均为隧道拱顶处沉降最大，拱底处隆起最大，且均呈W形分布；断面一的拱顶最大沉降值约为23.8 mm，地表最大横向沉降值约为15.0 mm；断面二的拱顶最大沉降值约为8.3 mm，地表最大横向沉降值约为7.0 mm。

3.2 断面一数值模拟和实测对比分析

为对数值模拟的可靠性进行分析，本节以断面一模型作为分析对象，断面一盾构下穿地层主要为粉土、粉质黏土以及中粗砂。在隧道现场施工过程中，在地表设置监测点来监测地表的横向沉降值，同样在数值模拟过程中，在模型中心正上方设置监测点[7，8]，再将两者得到的沉降值绘制于同一个图中，得到其对比图。断面一地表实测横向沉降与数值模拟沉降对比如图3所示。由图3可知，模型边界处的地表横向沉降基本趋于零，说明模型尺寸满足要求；实测的最大横向沉降值约为14.6 mm，而数值模拟得到的最大横向沉降值约为14.2 mm，虽然两者存在误差，但从两者曲线形态来看，两者吻合度较好，说明数值结果比较可靠。

图3 断面一地表实测横向沉降与数值模拟沉降对比

研究地表纵向沉降对保证开挖的稳定性同样重要，同样在隧道现场施工过程和数值模拟过程中设置监测点来监测地表的纵向沉降值[9]，再将二者得到的沉降值绘制于同一个图中。断面一地表实测纵向沉降与数值模拟沉降对比如图4所示，其中横轴0 m处表示掌子面，负值表示未开挖，正值表示已开挖，图4(a)和图4(b)分别代表左线隧道和右线隧道的地表纵向沉降。

(a) 左线

(b) 右线图4 断面一地表实测纵向沉降与数值模拟沉降对比

由图4可知，左右线隧道均表现出相似的沉降规律，在开挖过程中，掌子面前方一定距离处地表形成隆起，这与盾构机和土体之间的摩擦有关；开挖之后，距离掌子面20 m左右处的地表沉降基本趋于平稳；左线的实测值与数值模拟值吻合度良好，右线实测值与数值模拟值虽有一些误差，但整体吻合度良好。

3.3 断面二数值模拟和实测对比分析

本节以断面二模型为分析对象对数值模拟的可靠性进行分析，断面二盾构下穿地层主要为粉质黏土和粉土。在隧道现场施工过程中，在地表设置监测点来监测地表的横向沉降值，同样在数值模拟过程中，在模型中心正上方设置监测点[10]，再将二者得到的横向沉降值绘制于同一个图中。断面二地表实测横向沉降与数值模拟沉降对比如图5所示。由图5可知，模型边界处的地表横向沉降基本趋于零，说明模型尺寸满足要求；实测的最大横向沉降值约为7.6 mm，而数值模拟得到的最大横向沉降值约为7.2 mm，虽然两者存在误差，但从两者曲线形态来看，两者吻合度较好，说明数值结果比较可靠。

图5 断面二地表实测横向沉降与数值模拟沉降对比

由于断面二盾构下穿的粉质黏土厚度比较大，且自稳性较好，故断面二的横向沉降要小于断面一的横向沉降，由此可知隧道开挖面处的地层特性是影响盾构开挖稳定性的重要因素。

同样在隧道现场施工过程和数值模拟过程中设置监测点来监测地表的纵向沉降值，再将二者得到的沉降值绘制于同一个图中。断面二地表实测纵向沉降与数值模拟沉降对比如图6所示，其中横轴 0 m 处表示为掌子面，负值表示未开挖，正值表示已开挖，图6(a)和图6(b)分别代表左线隧道和右线隧道的地表纵向沉降。由图6可知，左右线均表现出相似的沉降规律，在开挖面处，地表已发生沉降，在掌子面之前，地表发生隆起，这与盾构机和土体之间的摩擦有关；开挖之后，距离掌子面20 m左右处的地表沉降基本趋于平稳；左线的实测值与数值模拟值吻合度良好，右线实测值与数值模拟值虽有一些误差，但整体吻合度良好。

(a) 左线

(b) 右线图6 断面二地表实测纵向沉降与数值模拟沉降对比

4 结论

本文以郑州市轨道交通地铁5号线某区间盾构隧道开挖为例，采用大型数值模拟软件FLAC3D对隧道开挖引起的地表沉降进行建模分析，再将数值模拟值与实测数据进行对比，得到以下结论：

(1) 两个断面的土体沉降规律一致，均呈W形分布，且隧道拱顶处沉降最大，拱底处隆起最大。断面一的拱顶最大沉降值约为23.8 mm，地表最大横向沉降值约为15.0 mm；断面二的拱顶最大沉降值约为8.3 mm，地表最大横向沉降值约为7.0 mm。

(2) 对于本文研究的两个模型断面，断面一的地表最大横向沉降值约为14.6 mm，对应数值模拟得到的最大横向沉降值约为14.2 mm；断面二的地表最大横向沉降值约为7.6 mm，对应数值模拟得到的最大横向沉降值约为7.2 mm；两个横断面沉降的实测值和数值模拟值吻合度较好，说明数值模拟结果比较可靠。

(3) 对于地表纵向沉降，在开挖过程中，掌子面前方一定距离处地表发生隆起，这与盾构机和土体之间的摩擦有关；开挖之后，距离掌子面20 m左右处的地表沉降基本趋于平稳，且左右线的实测值与数值模拟值吻合度良好。

(4) 断面二盾构下穿的粉质黏土厚度比较大，且自稳性较好，故断面二的沉降要小于断面一的沉降，由此可知隧道开挖面处的地层特性是影响盾构开挖稳定性的重要因素。