不同盾构掘进参数下的土层扰动数值分析

摘 要：本文以大连地铁5号线中华路站至泉水东站区间段施工为背景，分析了在不同推进速度和出土速率下盾构掘进过程中的地表沉降规律。运用离散元软件对盾构掘进过程进行数值动态模拟，得到了不同掘进参数下地表变形规律，由此得到最适合的盾构参数。在此基础上，利用经验公式计算的地层损失率模拟横截面土层沉降位移，同时模拟地层拱效应。研究发现，对大连地铁项目最合适的推进速度为1mm/s，最合适的相对出土速率为0.66。当地层损失率为1%时，地表最大沉降约为20mm，沉降形状与Peck曲线基本吻合。

关键词：地表扰动；盾构施工；地层损失率；盾构参数

中图分类号：TU 43 " 文献标志码：A

随着我国经济的发展和城市化的加剧，盾构隧道的建设越来越广泛。在一些复杂地层中进行盾构作业的过程中，由于土体切削，初始地应力发生变化，因此使盾构区间出现隆起或沉降。为确定地表沉降问题，很多学者对地表沉降进行了一系列研究。方恩权等[1]基于Peck公式提出了一种利用插值法、最小二乘法的预测模型，并将该模型应用到信息系统进行地表沉降预测。李建斌等[2]依托厦门地区盾构隧道工程，基于随机场理论，采用蒙特卡洛策略和有限差分模拟计算相结合的方法，对地层变形进行分析。郝如江等[3]选取对盾构施工地表沉降较为敏感的参数，建立神经网络预测模型，结合差分进化蚁群算法，预测地表沉降。

本文对大连地铁5号线中华路站至泉水东站区间的地层进行离散元软件建模分析，结合地质勘察资料，对盾构机掘进过程进行模拟。分析盾构机推进速度、螺旋出土机出土速率等因素对地层扰动的影响，根据模拟结果分析隧道开挖100mm[4]后的地表沉降和隆起位移等指标的变化规律。

1 工程概况

大连地铁五号线全长为23.8km，车站18座。中华路站～泉水东站区间以中华路站为起点，由南向北下穿石灰石矿体育场、在光明路跨泉水河桥西侧下穿泉水河、沿规划道路向北到达泉水东站。本区间设计范围包括中华路站～泉水东站正线区间及区间范围的附属结构工程。附属结构包括一座联络通道兼泵房。

大连市地处辽东半岛最南端，东濒黄海，西临渤海，南与山东半岛隔海相望，北依辽阔的东北平原。山地丘陵多，平原低地少，整个地形为北高南低，北宽南窄。地势由中央轴部向东南和西北两侧的黄、渤海倾斜，面向黄海一侧长而缓。本区为千山山脉南延的丘陵区，长期受地质构造、风化剥蚀及水流侵蚀堆积等内外营力的作用形成了不同地貌单元，地形复杂多变。场地为低丘陵沟谷地貌，早期为入海口，后经人工回填，地势整体较为平坦。区间场地孔口标高为16.90～18.46m，最大相对高差为1.56m。

隧址区内未见规模较大的褶皱构造，但常见小的层间褶曲和揉皱，它对岩体的完整性会产生有不良影响。

2 施工数值模拟

本文使用PFC软件对经过块石处理后的土体进行动态模拟，记录不同掘进参数下的地表扰动情况，总结地层扰动规律，找到最合适的盾构掘进参数，为盾构高效掘进参数设定提供参考。

2.1 宏细观参数标定

与连续介质力学分析方法相比，基于颗粒细观力学行为，以牛顿第二运动定律为准则的颗粒流程序PFC更能准确反映作为散粒体结构的土体，在荷载作用下的细观结构变化[5]。PFC参数标定以地勘报告为准，由原位试验和室内试验确定含水率、天然重度、孔隙比内摩擦角、内聚力等土样物理力学性能指标。根据上述地勘报告，使用三轴数值试验对模型土样进行参数标定，对比两种结果，进一步调整最合理的细观参数。经过标定后的颗粒流数值模拟参数见表1，其中，颗粒半径服从0～1均匀正态分布。

2.2 建立模型

综合考虑离散元计算效率，本文数值模拟过程将三维盾构掘进过程简化为二维状态，根据研究可知，只要隧道直径与颗粒直径之比大于10就可以消除颗粒尺寸效应，离散元模型采用等效缩放模型，隧道直径D=6m，颗粒最大粒径为0.009m，满足要求。计算范围（x，z）选取2×2m的矩形空间，x为隧道掘进方向，z为与隧道垂直的竖向。由地勘报告得知，所处土层主要是素填土，为模拟土样状态，根据表1数据，用均质砂土颗粒线性接触模型，采用砂雨法生成地层。

2.3 盾构掘进过程模拟

在颗粒流软件PFC中，用墙体单元模拟盾构机刀盘及边界，在水平地表设置101个测点，用来检测位移和速度情况。通过赋予墙体x轴方向速度控制推进速度，用支护面板推进代替盾构机推进，对进入螺旋出土机的颗粒进行删除，模拟土体运出的状态。通过控制土仓内颗粒体积模拟不同出土速率下的推进情况。

3 计算成果分析

3.1 推进速度分析

当隧道位移增至85mm时，隧道表面会发生较大的颗粒变形，这表明该区域的土壤开始失效，并且可以观察到地表沉降/隆起。为便于观测地表的位移情况，选择推进距离为100mm。分别对推进速度为1mm/s、3mm/s、5mm/s、7mm/s这4种工况进行模拟。地表位移与推进速度关系图如图1所示。

由图1可知，盾构机推进速度越快，对地表的扰动影响也越大。当速度超过5mm/s时，地表位移超过20mm，根据掌子面颗粒状态可知，此时掌子面已经失稳，地基承载力下降，颗粒发生重分布，沉降位移不再继续增加，而是趋于稳定。分析不同速度位移的均方差，当速度为1mm/s时，均方差为45.5mm²，当速度为3mm/s时，均方差就达到了65mm²。可以发现推进速度对地层影响极为明显，为保持掘进过程中的地表稳定，推进速度一般不能超过1mm/s。

3.2 出土速率分析

通过调整土颗粒在螺旋出土机中的常态高度来模拟螺旋机出土速率变化，以颗粒高度为0模拟土速率大于推进速率，改变常态土颗粒高度分别为0m、0.05m、0.1m、0.15m，模拟4种不同工况出土速率下的地表扰动情况。4个不同的高度为右侧离开螺旋出土机的4种土压力，用掘出土颗粒的体积表征出土体积，其相对出土速率分别为1、0.66、0.44、0.38。

螺旋出土机出土速率对地层的扰动包括刀盘前方的地面隆起和沉降，随着出土速率增加，位移先减少后增加，其中，最佳状态是保证开挖速率的同时减少地层扰动。当推进速度为1mm/s时，对应的最佳出土速率为工况0.05m，因此施工时，应提前确定不同的推进速度的最佳出土速率。

螺旋机出土速率对地层的影响小于推进速度。但仍然是控制地层扰动的关键因素，因此控制好出土速率对维持地层稳定极为重要。

3.3 地层横截面沉降与拱效应分析

盾构法施工逐渐应用广泛，对盾构法施工引起的地面沉降的相关研究也日益增加。目前有很多计算盾构法施工引起地面沉降的方法，当前可以通过Peck公式计算地层损失率。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下，所有沉降槽的体积应该与地层损失的体积相同，如果地层损失在隧道长度上均匀分布，那么地面沉降的横向分布为正态分布。地表沉降的横向分布如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：S（x）为沉降量；vi为地层损失量；Smax为隧道中心线处最大的沉降量；i为沉降槽宽度系数。

i的计算方法有很多，常用的attewell计算，如公式（3）所示。

i=r（z/2r）0.8 "（3）

式中：r为隧道半径；z为隧道的中心埋深。

地层损失率的计算过程如公式（4）所示。

R=v1/v （4）

式中：v为盾构的截面积。

PFC模型参数选取见表1，采用刚性墙wall来模拟隧道，由于wall不会因外力而产生位移或变形，因此必须手动确定地层损失率。假设衬砌已经因为重力下沉，开挖面和衬砌相切，则模型试样如图2所示。

用砂雨法生成土样，模拟自然条件沉积下的土层应力状态。根据等效缩放理论放大自重应力以贴合实际状况。开挖后的地层横截面地表沉降值由隧道中点向四周逐渐减少，最大沉降值在中轴线。由于地层损失，因此围绕隧道四周土层出现明显的拱效应，上侧应力分布较均匀，没有明显的峰值应力，这种效应大大减少了对地表的位移扰动。

对地表位移设置测点进行位移监测可知，地表位移形状基本符合Peck曲线，最大位移出现在隧道中轴线上，证明地层损失率假定合理，通过限制地层损失率的相关参数，减少地层损失率可有效限制地表位移。由于土样试验数据不完整，因此无法完全确定实际位移，但可以此为参考，指导实际工程。根据已有经验，应将地层损失率控制在1%以下。

3.4 推进过程模拟与分析（速度角度）

刀盘前方的开挖面土体会形成三维松动区域，加上开挖面上方所覆土体的重力作用，土体受到挤压，有发生松动并向盾构机土舱滑动的趋势。可以通过螺旋输送机排出进入盾构土舱的土体，保持土舱内渣土量恒定。由于现场地质情况的不确定性，因此很难保证盾构掘进的动态平衡，当进土过快或者过慢时，易导致开挖面失稳。将PFC2D部分盾构刀盘前方0.5m范围内的土体颗粒视为开挖面土体，监测开挖面土体颗粒进入土舱的状态。在模拟过程中，不断调整耦合模型中的盾构掘进模式，若开挖面土体颗粒进入土舱的速度基本不变，则开挖面稳定，若开挖面土体颗粒进入土舱的速度发生突变，则开挖面失稳。

对推进100mm后的地面扰动情况进行检测，有效掘进面积与有效出土面积之比为3.9/0.7=5.57，因此出土速率为5.57。初始状态颗粒速度为0，并以推进100mm时的速度状态模拟施工推进过程的掌子面状态，用30mm/min推进，掌子面颗粒运动速度最大达到1.5mm/s，相对扰动可忽略不计，对地层的影响随深度减少，影响范围为正前方约45°楔形体。地表颗粒最大速度约为0.2mm/s，可见此状态对地表影响增加，但整体仍较小，掌子面稳定。地表颗粒最大速度约为0.2mm/s，此状态下的掌子面颗粒变化较大，但对地表影响不大，地表小范围出现隆起或沉降现象。用70mm/min推进，掌子面颗粒运动速度最大为3.0mm/s，掌子面处的颗粒受到周围土体的阻力，速度没有显著提高。地表颗粒最大速度约为1mm/s，此状态下的掌子面颗粒变化较大，但对地表影响不大，地表出现隆起或沉降现象。

4 结论

当使用土压盾构进行地层施工时，除了可能引起地层变形外，若土仓内支护压力控制不当，则可能导致开挖面失稳，出现地表坍塌，严重影响施工人员、施工机械和周围环境的安全，给国民经济造成重大损失。因此选择合适的盾构掘进参数极为重要。本文针对大连地铁工程具体参数进行分析，得出以下结论。1）盾构机掘进速度越大，对地表扰动的影响也越大，在速度超过5mm/s后，位移基本达到最大。推进速度对地层的扰动主要体现在刀盘前方地面隆起，随着推进速度增加，隆起位移也随之增加。当速度增加时，沉降位移也会增加，但幅度与隆起相比较小。由此可见，速度对地层扰动影响较大，控制好推进速度对维持地层稳定极为重要。由实际项目可知，推进速度不足0.1mm/s，对地表扰动可基本忽略。2）螺旋出土机的出土速率对地层的扰动包括刀盘前方的地面隆起和沉降，随着出土速率增加，位移先减少后增加，最佳状态是保证开挖速率的同时减少地层扰动。当推进速度为1mm/s时，对应的最佳出土速率为工况0.05m，因此施工时，应提前确定不同的推进速度的最佳出土速率。3）当地表损失率控制为1%时，地表沉降位移最大为46mm，此时的地表扰动可忽略，对地面建筑基本无影响。根据地层力链分布状况可知，拱效应对维持地层稳定有较大帮助，充分利用地层拱效应可有效减少地表扰动。

参考文献

[1]方恩权，杨玲芝，李鹏飞.基于Peck公式修正的盾构施工地表沉降预测研究[J].现代隧道技术，2015，52（1）：143-149，162.

[2]李健斌，陈健，罗红星，等.基于随机场理论的双线盾构隧道地层变形分析[J].岩石力学与工程学报，2018，37（7）：1748-1765.

[3]郝如江，季雁鹏，倪振利.基于DEACO-WNN的盾构施工地表沉降预测[J].铁道工程学报，2015，32（1）：12-16.

[4]梁荣柱，夏唐代，林存刚，等.盾构推进引起地表变形及深层土体水平位移分析[J].岩石力学与工程学报，2015，34（3）：583-593.

[5]龙飞.基于PFC的盾构穿越既有隧道稳定性分析[J].土工基础，2020，34（5）：587-592.