基岩凸起复合地层盾构施工地表沉降研究

黎湛荣/LI Zhanrong

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510000）

1 工程背景及基岩侵入比概念

1.1 工程概况

广州地铁8 号线北延段工程同德围站-上步站盾构隧道区间长度为616.25m，埋深约10～16m，标高-2.40～-7.40m；隧道内径∅5 400mm，管片厚300mm。盾构管片全环分成6 块，3 块标准A 型管片，2 块封顶的相邻块A、C 型管片，1 块封顶块K 型管片。

1.2 工程地质条件

根据同上盾构区间地质勘察资料，该盾构区间基岩面起伏大，隧道洞身大部分为砂层，局部底板处有微风化灰岩侵入隧道，隧道断面上软下硬。盾构隧道断面需穿越不同基岩侵入比的复合地层，工程地质条件较差。

1.3 基岩侵入比的概念

广州地铁8 号线北延段同上区间为上软下硬的复合地层。盾构隧道上覆土层性质基本一致，主要为黏性土和砂土，但隧道沿线基岩是起伏变化的，导致沿线不同开挖面基岩所占比例不相同。为了研究开挖面基岩所占比例不同对地层变形的影响，定义“基岩侵入比”为：沿线盾构隧道开挖面上基岩高度与开挖面高度的比值。

其中，β为基岩侵入比；h为基岩高度；H为隧道开挖面总高度。盾构区间复合地层如图1所示。

图1 盾构区间复合地层

2 地表沉降监测与分析

同上区间的横向地表监测点从盾构拱顶由中心向两侧由近到远，按测点间距3～5m 递增布。具体布置图如图2 所示。

图2 地面沉降监测点横断面布设示意图

为确定开挖面基岩侵入比与地表沉降的关系，根据岩土地质勘察报告，在隧道沿线选取5个不同基岩侵入比的横断面进行监测。5 个典型断面对应的管片编号分别为YD170（基岩侵入比0）、YD203（基岩侵入比0.2）、YD200（基岩侵入比0.5）、YD161（基岩侵入比0.85）、YD162（基岩侵入比1），监测平面分布图见图3。

图3 监测断面示意图

图4为不同基岩侵入比下实测的地表横向沉降曲线图。盾构隧道施工时，5 个监测断面的地表横向沉降规律表明，隧道拱顶对应的地表沉降值最大，且随着横向监测点远离隧道拱顶，地表沉降值逐渐减小。隧道拱顶监测点附近的沉降值变化快于远离隧道拱顶监测点的沉降值。监测所得的地表横向沉降曲线具有明显的沉降槽，与Peck 的预测曲线一致。

图4 不同基岩侵入比横向沉曲线图

基岩侵入比对地表横向沉降有明显影响。总体趋势是，随着基岩侵入比的增大，地表沉降值相应减小，沉降槽变浅。不同基岩侵入比地层的地表沉降差异明显，最大差异约为3.2mm。当基岩侵入比在0.2～0.5 之间或者在0.85～1 之间时，地表沉降曲线变化不大，最大沉降差仅为1.4mm。但在基岩侵入比为0～0.2 或者在0.5～0.85之间时，地表最小沉降差为3.13mm。当基岩侵入比为零时，沉降值达到最大值13.2mm。

3 有限元数值模拟分析

3.1 计算模型建立

本文主要研究不同基岩侵入比地层中盾构掘进引起的地表沉降规律。为了便于比较分析，选取5 个监测断面（YD170、YD203、YD200、YD161和YD162）进行模拟仿真，利用MIDAS-GTS 建立了5 个基岩侵入比分别为0、0.2、0.5、0.85 和1 的数值模型。模型没有考虑地下水和固结沉降的影响。计算模型的计算范围为X方向60m，Y方向72m，Z方向38m。隧道上覆土层厚14m。

模型网格采用Midas GTS 特有的混合网格进行划分，即四面体+六面体的网格。该网格不仅可以提高计算精度，还可以提高计算速度。在隧道开挖范围的网格需要划分比较细，将尺寸设置为0.5m。在模型边界的网格划分得比较粗，将尺寸设置为3m。然后从模型边界至开挖部分的尺寸按线性梯度逐渐减小。对于模型的边界条件采用位移边界。对模型四周边界以及底面边界施加固定约束，即限制X向、Y向和Z向的位移，同时地表不施加任何约束，为自由面。

3.2 模型参数及相关假定

隧道开挖所用的盾构采用板单元进行模拟，材料采用钢材的属性，弹性模量取为250GPa，泊松比取为0.2，容重为78kN/m3。实际盾构隧道管片材料采用的C50 混凝土，由GB50010-2010《混凝土结构设计规范》可知管片弹性模量应该取34.5GPa，考虑到管片环向及纵向拼接对管片刚度折减的影响，在模型计算中管片的弹性模量取规范建议的80%的折减值，即27.6GPa，管片泊松比取0.2，采用板单元进行模拟。管片注浆层采用泥水等代层[6]进行等效，等代层厚度取0.3m，采用实体单元进行模拟，计算过程不考虑浆液的硬化过程[7]。以上结构材料均只考虑弹性范围内的受力变形，即采用弹性本构。岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土物理学参数

为了更准确地反映盾构开挖以及管片受力的情况，模型设置了掌子面压力、千斤顶推力以及注浆压力。掌子面压力按经验取值为180kPa。千斤顶推力和注浆压力按实际情况取值，其中千斤顶推力取为10 000kN，注浆压力取为500kPa。

3.3 盾构开挖模拟

为了提高计算效率及尽可能与实际施工工况接近，隧道每掘进两环管片（3m）为一个工况，贯通隧道后共需掘进48 环。盾构开挖模拟：①第一步施加自重和土层边界条件，进行初始应力场分析，并清零初始位移，方便研究隧道开挖引起的增量位移；②第二步“钝化”隧道开挖土体，施加掌子面压力稳定开挖面，“激活”盾壳，模拟盾构掘进过程；③第三步“激活”管片单元，模拟盾尾管片拼装过程；④第四步“激活”弹性模量为25MPa 的浆液等代层单元，并在注浆层上施加径向的注浆压力，考虑注浆压力对地层和管片的影响，模拟盾尾同步注浆，同时“激活”千斤顶推力，为下一步开挖提供前进的顶推力；⑤重复步骤①～④继续往下开挖，直至所有管片拼装完毕。

3.4 计算结果分析

分别建立5 个不同基岩侵入比的数值模型进行计算，模拟不同上软下硬地层条件下盾构开挖对地表沉降的影响，包括横向地表沉降及纵向地表沉降。为了充分反映盾构开挖对地表沉降的影响，沿地层纵向选取Y=10m，Y=20m及Y=30m 的横断面进行分析。当基岩侵入比为0.5 时（Y=10m），隧道开挖面下半部分的围岩基本处于稳定状态，受扰动的影响非常微小。拱底有一定的隆起现象，主要是由于隧道开挖引起的卸荷作用产生的。拱顶位置有较大的沉降，最大沉降将近40mm。由于隧道开挖面有50%的软弱地层，盾构掘进时需要严格控制掘进参数以及调整好掘进姿态，有效控制软弱地层扰动引起的不均匀沉降。从计算云图可以看出，地层沉降有明显的沉降槽现象，地表沉降符合Peck 曲线。由于隧道的埋深H=16.7m，内摩擦角φ=10°～55°，求得理论值i≈7.94～21.13m。而计算云图的i=8.5m，计算值在理论值范围内。通过对反弯点i值以及沉降槽范围的预测，可以确定盾构施工对地层影响的范围，并及时采取有效的控制措施，减小影响。

同样以每层土间的分界线进行划分，取Y=30m 处，分析不同深度处地层的横向沉降规律，做出基岩侵入比β为0.2 和0 的地层沉降曲线分布图如图5 所示。

图5 Y=30m处地层沉降曲线

从地层沉降曲线图可以看出，随着地层深度的增加，地层横向沉降槽由“浅宽”逐渐变为“深窄”，且越靠近拱顶处的沉降越大。从土层分布来看，不同土层的高差不大，随着土层的变化，不同基岩侵入比地层的横向沉降具有相同的变化规律：当地层从地表过渡到杂填土层或从淤泥质土层过渡到粉细砂层时，地表横向沉降变化不大，最大沉降差仅有3.6mm；而当地层从杂填土层过渡到淤泥质土层或从粉细砂层过渡到中粗砂层时，地层沉降产生了显著的变化，最大沉降差达到了20.5mm。不同基岩侵入比对中粗砂层以上的土层影响较小，地层上覆前三层土体沉降都在25mm 以内，从粉细砂层过渡到中粗砂层时，不同基岩侵入比对沉降产生显著影响，主要原因在于中粗砂层靠近拱顶，受盾构开挖扰动的影响较大，其次基岩侵入比越小，导致该层土周边地层的稳定性更差。因此当基岩侵入比较小时，需要实时监控周边地表沉降，防止地层沉降过大危及地表安全。

图6为Y=10、Y=20 和Y=30 所对应不同基岩侵入比的地表横向沉降曲线图。

图6 地层沉降曲线

在不同基岩侵入比地层中，当β值分别为0、0.5、1 时，由图6 可看出，横向地表沉降受基岩侵入比的影响比较大，地表影响范围在3D～3.5D之间，对应的最大沉降值分别为12.8mm、9.7mm、4.6mm。隧道开挖完成以后，沉降槽与Peck 预测的曲线相符，不同监测断面的地表横向沉降规律基本相同，盾构开挖的先后顺序对横向地表沉降规律的影响不大。同一监测断面下，随着基岩侵入比的增大，沉降槽的深度随之增大，宽度随之减小。当地层基岩侵入比β=1时，沉降槽基本呈现出“浅且宽”的特点，随着β的减小，沉降槽基本逐渐呈现出“深且窄”的特点。另外，从各断面的沉降曲线图可以看出，基岩侵入比在0～0.2 和0.5～0.85 之间时，地表沉降变化最大，最大沉降差在3.9mm 左右，其次是0.85～1 区间范围，沉降变化最小的是0.2～0.5区间范围。

3.5 数值结果与监测结果对比分析

为了验证数值模型的可靠性，现对监测结果与数值计算结果进行对比分析。如图7 所示，为隧道拱顶正上方监测点的地表最终沉降值与基岩侵入比的关系曲线。将图中给出的模拟值与实测值随基岩侵入比变化的曲线进行对比。由图可见，数值模拟结果与实测结果拟合情况较好，两者的结果均体现出相同的变化趋势。地表最大沉降值随基岩侵入比的增大而减小。当基岩侵入比在0.2～0.5 区间的时候，地表最大沉降值受基岩侵入比的影响变化不大。而当基岩侵入比在0～0.2和0.5～0.85 区间的时候，地表最大沉降值的变化速率受基岩侵入比的影响较大。其中0～0.2 区间的变化速率最大。因此这两个基岩侵入比区间在施工时需要特别重视，防止在敏感基岩侵入比区间盾构施工时造成地表不均匀的沉降。从监测结果上看，数值计算结果很好地预测了不同基岩侵入比下的沉降趋势，监测结果验证了数值计算模型的准确性。

图7 隧道拱顶正上方地表实测沉降值与模拟值对比

4 结论

本文采用数值模拟和现场监测相结合的方法，引入基岩侵入比的概念，研究了盾构掘进对上软下硬地层地表沉降的影响，得出以下结论。

1）基岩侵入比对地表沉降有明显的影响。随着基岩侵入比的增大，地表沉降值减小，沉降槽由“深窄”变为“浅宽”，不同基岩侵入比地层地表沉降差异明显，最大差异约为3.2mm。当基岩侵入比为0 时，地表沉降达到最大值，最大值为13.2mm。

2）监测结果验证了数值计算结果的准确性。0～0.2 和0.5～0.85 的基岩侵入比是敏感区间，两个基岩侵入比区间的沉降值变化较大。基岩侵入比值区间在0.2～0.5 之间的最大沉降差仅为1.4mm，而基岩侵入比值区间在0～0.2 和0.5～0.85 之间的最大沉降差达到3.2mm。在敏感基岩侵入比区间，盾构施工引起的地表不均匀沉降应引起重视。