盾构开挖对地表沉降的模拟分析

童雪雪，沈 曼，胡元超

（安徽新华学院城市建设学院土木系，安徽合肥 230088）

0 引言

位于隧道四周的土体，当盾构推进时，使得地层产生损失，进而使原状土体受到扰动，应力得到释放，进一步引起地层的变形，导致地表发生不同程度的沉降.由于盾构对原状土体扰动而产生的地层沉降按照区段划分为五个部分：初始沉降阶段、盾构工作面前方的沉降、盾构通过的沉降、盾尾空隙沉降及土体次固结沉降[1-2].土体的开挖使得土体中原有的应力释放，并发生重分布从而达到新的“平衡”，这个过程引起的即为初始沉降；而盾构开挖面的反向作用土压力过大而隆起或过小而沉陷，也就是我们看到的工作面前方的沉降；土层的扰动使得盾构与土体之间发生剪错，此时若出土量比较多，当盾尾通过时产生的沉降即为盾尾通过的沉降；盾尾间隙通常需要注浆时间来填补，如果注浆不及时或者注浆量不足或者压力不合适也会引起沉降；土体次固结沉降则是由于土体后期蠕变引起的[3]，在盾构推过以后，土体的压缩变形并未停止，应密切关注盾构上方的土体沉降.也有学者指出随道地层的初始应力、开挖形成的空间效应和开挖支护过程等都会对地层沉降和水平位移产生影响[4].

关于盾构开挖对地表沉降的影响分析，孙会良[5]等人指出盾构施工过程中诱发地表沉降变形的主要因素为地层条件和盾构速率；次要影响因素为盾构掘进参数、掌子面稳定性及周边环境影响；赵振伟、吴波[6]采用三维数值分析，总结出采用盾构施工时，地层变形遵循的规律，同时对于注浆压力对地表变形的影响给予一定的讨论；魏纲[7]等人研究了盾构隧道施工引起的地面变形计算方法，总结出在盾构隧道掘进过程中，地面通常是先隆起、后沉降，地面是否隆起是由正面附加推力、摩擦力和土体损失这3 个因素共同决定的.在现场实际施工时，推进速度和舱内土压都应该严格进行控制，通过保持舱内外土压的平衡可以有效地减小地表沉降数值[8].盾构推进不同阶段时地面沉降的特征有所不同，基于此，王建秀[9]等人讨论了盾构法施工引起地面沉降机理，同时将现场施工的实际监测数据与理论分析的地层损失率计算结果相对比，探索地面沉降、地层损失率以及施工参数之间的关联性，进而采取适合的施工参数，实现地面沉降量的合理控制.

上述研究大多采用数值分析模拟隧道开挖，并对地表沉降进行分析研究.对于利用MIDAS/GTS 模拟在盾构隧道的施工过程中因土质情况、土体相关参数以及每循环推进进尺的不同对地表沉降影响的数值模拟研究仍然不多.为此，本文通过利用MIDAS/GTS 对以上几种因素在相应变化量下进行模拟分析研究，得出了不同变量下的地表竖向沉降规律.

1 模型的建立及土体参数的选取

采用三维模型模拟，并运用MIDAS/GTS 数值模拟软件模拟某地铁区间段施工过程引起的地表沉降变化规律，采用控制变量法得出不同土质、不同土体力学参数以及不同开挖进尺情况下的地表沉降曲线形式与规律.

土体单元设定为3D，材料属性设定为莫尔-库伦，不勾选结构，初始应力参数K0测定值设为0.5；管片模型定义为3D 实体单元，模型类型设定为弹性，初始应力参数K0测定值设置为1；注浆层模型类型设定为弹性，但应勾选结构.掘进模型如图1 所示，其中土体模型长100 m，宽30 m，高70 m，隧道埋深25 m，外径D 为6.4 m.为开挖方便，每1.5 m 为一个开挖进尺.

图1 盾构模型

2 盾构掘进过程的模拟

MIDAS/GTS 软件中以单元的“钝化”和“激活”来模拟土体的开挖与衬砌的施作及注浆的过程.施工模拟过程中要注意以下几个环节.

2.1 位移清零

在利用建模助手建立施工段时，在“激活”原有土体、边界约束力以及自重的同时要将各单元节点初始应力场清零以模拟初始应力场的情况.

2.2 材料属性的变化

本文在施工阶段分析中，间隙土的特性会发生改变，由于后期注浆的过程，间隙土的特性由原来的土的属性改为注浆体的属性.

2.3 注浆过程模拟

考虑到对地层的变形影响，开挖后及时进行注浆，但由于注浆有硬化的过程，因此在开挖第八步时，进行了注浆层边界组的激活.

3 模拟结果分析

3.1 地表沉降变化

地表沉降等值线图如图2 所示，盾构推进结束，由隧道正上方向隧道两边曲线的走向可以看出，地表的沉降值呈现递减趋势，开挖中线正上方，沉降量是最大的，这说明隧道开挖对周围的影响范围是有限的，距离隧道轴线越远，所受到的影响就越小，整个等值线走向近似服从Gaussian 正态分布.

图2 地表沉降等值线图

3.2 不同土质对地表沉降的数值模拟

本次模拟分别选择了四种不同的土层进行模拟，各参数见表1.根据不同土质情况下得出的地表沉降值绘制图3，由图3 可以看出不同土质情况下沉降槽曲线均近似符合概率论中Gaussian 正态分布，但相应的沉降值不同.这主要是由于不同土的相应的力学参数不同所引起的，如土体的弹性模量、粘聚力、内摩擦角、容重及泊松比.将图3 中的四条曲线进行比较，经分析可以得出：随着土体参数的增加，土体沉降的范围逐渐减小，隧道开挖时，盾尾的空隙不会被立即被填满，土体会在自重作用下向下产生变形进而向着隧道底部位移，导致较大沉降发生；反之，当土体相关参数较小时，土体由于开挖受到扰动，应力得以释放而向着隧道中心移动，部分土体无支撑作用，进而向着初衬聚集，并填满盾尾空隙，到达初衬后在衬砌支撑下土体沉降将会减小，但沉降范围有所增加.[10]此外，从图3中还可以看出，沉降曲线两侧出现轻微地隆起现象，这主要是由于盾构开挖面的平衡压力比开挖面前方的水土压力要大，导致开挖面前面的土体由于挤压作用背向盾构移动，最终导致前上方土体隆起.

表1 模型中的土体参数

图3 不同土质的地表沉降

3.3 不同开挖步骤地表沉降的变化

整个开挖模拟过程分为二十步，从中选取第三、九、十二、十八步的开挖地表沉降云图，如图4 所示.随着盾构的推进，整个沉降槽曲线均近似符合概率论中Gaussian 正态分布，地表沉降最大值越来越大；距离轴线越远，地表的沉降也越小.

图4 不同开挖步骤地表沉降变化云图

3.4 不同土体参数对地表沉降的影响

不同土层情况下对应的地表沉降不同，这主要是由于不同土层的土体参数不同所导致的.下面采用控制变量法，土层定量参数选择表1 中的土层三，依据变量泊松比、内摩擦角、弹性模量以及粘聚力绘制沉降曲线如5—8 图.

从图5—8 中可看出，不同的力学参数下地表竖向沉降曲线在形态上基本相同，其沉降值随着土体参数的增大逐渐减小，而沉降的影响范围是有所增大的.从变化趋势看，土体的弹性模量、粘聚力和泊松比的变化导致的地表最大沉降值变化较大，随着土体的内摩擦角变化，地表的沉降变化量相对不大.这主要是由于在隧道开挖过程中，土体较大的内摩擦角容易形成拱效应，抵消一部分沉降.

图5 不同泊松比的地表沉降

图6 不同内摩擦角的地表沉降

图7 不同弹性模量的地表沉降

图8 不同粘聚力的地表沉降

4 结论

本文通过一系列的模拟结果得出如下结论：

（1）隧道开挖时，隧道中心线向两端的地表沉降是逐渐减小的，开挖中心线最上方的地表沉降量是最大的，即沉降槽槽底，整个沉降槽曲线近似符合概率论中Gaussian 正态分布.

（2）开挖对地表沉降的影响范围是有限的，本模型中，在距离中线48 m 左右的时候，沉降趋于稳定.

（3）不同土体参数对地表沉降的影响不同，土体的弹性模量、粘聚力和泊松比的变化导致的地表最大沉降值变化较大，相对来说，当土体的内摩擦角发生变化时，地表的沉降变化略小.

模拟过程基本考虑了施工范围段土质参数，结论可靠，可利用上述结果指导该施工段施工中地表沉降的控制.