盾构施工对地表沉降的数值模拟分析

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(1.安徽建筑大学,安徽 合肥 230601;2.安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心，安徽 合肥 230601)

0 引 言

城市地铁可以行之有效的解决交通拥堵问题[1]。虽然盾构法施工技术已经日渐成熟，机械化程度高、施工速度快、对周围环境影响小和施工安全等,但是地铁隧道在掘进中会对周围的土体和产生不同程度的影响，使得周围围岩产生应力重分布。空间上造成地层损失和地层位移，甚至导致对应地表的沉降和变形，从而影响地上建筑，因此，地表沉降变形必须加以控制，使之在合理范围之内。地表变形不在合理范围之内，严重的将导致地面产生裂缝或塌陷，对地表建筑物的正常使用构成威胁。所以，对盾构施工过程中地表沉降和围岩变形的研究非常重要，只有对盾构施工进行合理的预测，才能确保盾构施工的安全，施工过程中的地表沉降和围岩变形是主要的控制依据，是进程盾构施工研究的主要方法和手段[2～4]。

目前，已有很多学者研究了地表沉降和盾构施工的关系并分析其原因[5～6]，而由于膨胀土的特殊特性，导致盾构法施工穿越膨胀土层的研究不多。因此，采用模拟软件MADAS/GTS对合肥地铁3号线进行盾构施工过程的三维数值模拟，分析不同施工阶段下的地表沉降，确定最大竖向位移的位置和盾构施工引起的沉降范围，分析结果为后期施工提供指导意见，可以为类似工程沉降控制提供参考。

1 工程背景及模型参数

根据工程现场施工情况，选择模型参数。盾构机的内外径分别取为5.4m和6.0m，隧道的衬砌部分厚度取0.3m，隧道拱顶埋深取14m。为了避免模型的边界效应，根据圣维南原理，数值模拟计算模型的边界取隧道外径D的3～5倍[7]。为保证计算结果的准确性和精准度，隧道左右边界长取4D=24m，底部边界长取2D=12m，宽度方向取5D=30m。最终建立了54m×30m×32m 的三维模型。隧道断面布置图见图1。

图1 隧道开挖断面布置图

合肥地区属于膨胀土地区，土体模型采用弹塑性理论计算。盾构隧道的盾壳和衬砌管片采用线弹性本构模型，管片参数采用C50混凝土的参数进行计算，盾壳和管片的弹性模量分别为210GPa 和34.5GPa。在模拟软件中选择摩尔—库伦准则进行计算分析。隧道断面岩土力学参数如表1所示。

表1 岩土力学参数

2 模型的建立及模拟步骤

2.1 数值模型的建立

(1)模型尺寸：数值模型X、Y和Z方向尺寸为54m×30m×32m，模型最终有22328个单元 ，120831个节点；

(2)地层划分：按图1所示地层进行划分；

(3)断面形态：按图1所示建立模型；

(4)约束条件： ①模型地表面：自由面

②底部边：固定边界

③侧面：限制水平方向移动；

(5)荷载条件：模型的荷载采用自重应力荷载；

(6)考虑初始应力条件；

建立的整体计算模型和施工完成后的模型如图2、图3。

图2 开挖前计算模型

图3 开挖后计算模型

通过建立好的计算网格模型进行检查网格拓扑，模型检查网格拓扑中锁紧单元和重复单元数为0，说明模型的网格质量较高，计算精度也较高，也反映了该模型的建立是正确合理的(图2和图3Y=0断面处地表横向沉降槽曲线的变化规律符合数值模拟要求，所以数值模拟是可行的)。

2.2 模拟的过程

通过数值模拟施工，对只有一条隧道的施工过程进行模拟并分析盾构施工对地表竖向位移参数的影响。

具体模拟过程如下：

(1)盾构机向前推进3m即为二个管片的宽度，支护力主要有盾构机壳提供；

(2)对挖掉核心土的临空区进行管片衬砌；

(3)盾尾支护力开始由管片提供；

(4)对盾尾建筑空隙进行注浆；

(5)盾构机再向前推进3m；

(6)盾构注浆后，导致土体产生了一定的强度，挤压管片；

(7)重复模拟以上的施工流程。

运用有限元数值模拟软件MADAS/GTS建立三维隧道施工的数值模型模拟盾构施工，模拟的过程共分为10步，下面选取部分盾构开挖施工位移云图进行分析[8]。

3 计算结果分析

3.1 盾构开挖施工位移云图

盾构施工时，地表沉降变形的大小主要受到地下水位降低、土体密实、盾构推力、施工扰动、注浆等支护不足和残余的影响。根据不同的施工段，选取盾构每6 m掘进长度为分析点，进行五种施工阶段的地表沉降分析。位移云图如图4～8。

通过分析位移云图4～8可知，在盾构开挖中隧道顶部产生沉降区域，且拱顶处有最大沉降。距离隧道中心线越远土体沉降越小，这符合使劲盾构开挖沉降规律。开挖后隧道底部出现隆起，最大隆起处位于隧道拱顶，且随着土体竖向位移不断增大，拱底处土体隆起量逐渐减小。盾构掘进6m、12m、18m、24m和30m时，对应的地表最大沉降为3.1mm、8.15mm、10.51mm、11.55mm和12.58mm，所以随着隧道开挖的不断进行地表沉降也在不断加大。

图4 掘进6m的竖向位移云图

图5 掘进12m竖向位移云图

图6 掘进18m竖向位移云图

图7 掘进24m竖向位移云图

图8 掘进30m竖向位移云图

3.2 盾构开挖引起地表横向沉降分析

在不同的开挖进度下对盾构开挖引起的隧道围岩隆沉进行数据分析。取地表位置上的检测点分析得到如图9，取隧道底部上的检测点分析得到如图10。

分析可知，Y=0断面处地表横向沉降槽曲线的变化规律符合数值模拟要求，所以数值模拟是可行的。进一步分析图9可知，随着盾构的不断掘进，断面处地表沉降量逐渐上升。当盾构掘进达到30m时，隧道中心线处的地表沉降位移最大达到了12.58mm，随着地表离隧道中心线的横向距离逐渐增大，地表沉降位移值呈现向两边递减的状态。由图9可看出，在地表离隧道中心线20m范围之内地表沉降相对较大，即盾构掘进横向沉降影响范围为隧道直径D的3倍。分析图10可知，随着盾构的不断掘进，隧道下部围岩在隧道中心线附近有较大隆起，远离隧道中心线时，围岩有较小沉降，且不同施工段隧道下部围岩隆起值差距不大，但围岩沉降随着隧道的不断开挖不断增加。隧道下部围岩隆起主要分布在隧道中心线6m(1.0D)范围之内，即盾构掘进引起的下部围岩横向沉降影响范围约为洞径的2倍。

图9 Y=0断面处盾构掘进过程中地表横向沉降槽曲线

图10 Y=0断面盾构施工对地表隆沉的竖向位移

4 结 论

通过对合肥地铁3号线某区间断盾构隧道施工进行数值模拟，分析不同施工阶段下地表沉降，并结合施工经验得出如下结论：

(1)综合地表竖向位移云图4～8可知，盾构施工对地表的竖向位移的影响为地表的沉降与隆起，具体表现为拱顶沉降拱底隆起，且最大竖向位移发生在拱顶上方地表位置。

(2)地表横向沉降以隧道中心线为对称轴，隧道中心线两边沉降变化一直。隧道拱顶沉降最大，两侧逐渐减小。在地表离隧道中心线3倍洞径范围之内地表沉降相对较大，3倍洞径范围成为地表沉降监控的重点。

(3)隧道下部围岩隆沉在开挖面前后具有对称性，且不同施工段对隧道下部围岩隆起影响不大。隧道拱底处围岩隆起最大，向两侧隆起分别减小，并且横向隆起影响范围约为洞径的2倍，同时在远离隧道中心线时，围岩伴有小量沉降，所以要注意这些位置的隆沉的防护。

参考文献:

[1] 任建喜，李庆园，郑赞赞，等. 盾构诱发的地表及邻近建筑物变形规律研究[J]. 铁道工程学报，2014(1):69-75.

[2] 严峻，席培胜，齐天龙，等．盾构施工引起土体位移的数值分析[J]．安徽建筑工业学院(自然科学版)，2014(1):26-29.

[3] 张效智，曹广勇.盾构掘进施工对地表沉降变形规律分析[J].安徽建筑大学学报，2014,22(5),31-36.

[4] 杨福麟，刘永林，胡斌 .武汉地铁隧道开挖引起地表沉降的数值模拟研究[J].工程地质学报，2103,21(1):85-91.

[5] 张书丰，孙树林，吴凯 ．南京地铁盾构施工引起的地表沉降分析[J].城市轨道交通研究，2006(5)：30-32.

[6] 赵华松，周文波，刘涛，等．双线平行盾构施工引起的土体位移分析及其软件开发[J].上海大学学报，2005(4)：418-422.

[7] 夏元友，张亮亮，王克金．地铁盾构穿越建筑物施工位移的数值分析[J].岩土力学，2008(5)：1414-1418.

[8] 代朋飞. 合肥地铁盾构法施工引起地表沉降的分析与数值模拟[D].安徽：安徽建筑大学，2016.