盾构隧道施工过程地表变形的数值模拟计算*

张巍 王贵全 李春良

(1:吉林大学第二医院，长春130021;2:吉林建筑大学交通科学与工程学院，长春130118)

0 引言

盾构法以施工速度快、受地下水及对周边环境影响小等优点，已广泛应用于地铁区间隧道施工中［1］.但盾构施工引发的问题也较多，在施工期间不可避免地会产生地层损失，引起地层变形及地面沉降［2］.其中，较为突出的是在盾构开挖过程中，在盾构隧道管片周围土体的移动与应力突然释放，及其正上方地表的不均匀沉降等问题引发的相关工程附属问题越来越引起人们的注意.如上海地铁1号线在盾构出洞过程中，由于端头洞口土体沉降位移过大，大量土体和地下水涌进工作井内，导致地表下沉，危及地下管线和附近的建构筑物［3］，广州地铁3标始发端头面出现涌水涌砂事故等.

目前，国内学者赵耀强［4］用软件建立盾构始发三维模型，模拟始发施工的全过程，对各地区不同地层参数下盾构始发对地表沉降的影响进行计算分析.孙海霞［5］等人用有限元软件模拟了地铁隧道盾构开挖过程，计算分析了地铁隧道盾构开挖引起的地表沉降规律.肖立［6］等人采用三维有限元方法，对在多条铁路轨道下长距离盾构掘进过程引起的地表变形进行数值模拟，得出盾构施工各阶段的地表沉降规律.但由于盾构施工过程的复杂性与地质情况的多样性，对施工引发的地层变形与位移问题仍然缺乏系统的研究.因此，本文针对现存问题进行了相关研究.

1 盾构掘进的模拟过程

(1)盾构掘进的模型划分.根据所需要结构的问题和计算要求的精度，建立一定范围的土体，并划分出盾构隧道结构、注浆层、土芯和管片结构，对结构体进行网格划分，采用不同的网格划分技术在结构的关键部分指定节点位置，划分后的结构通过节点组成连续的单元.

在数值模拟过程中，将盾构掘进的连续施工状态离散成施加顶推力、注浆压力—挖土芯—装管片环—灌浆层.这一完整过程为一环的开挖掘进.为研究方便，将每一个这样的过程作为一组载荷步进行计算，而后依次循环进行.并且相应的荷载条件、边界条件被施加，最终完成整个掘进过程.

(2)盾构隧道模拟开挖.为了真实地反映出实际施工阶段的各个环节，在有限元模拟过程中，采用生死单元的方法，模拟盾构的挖土、管片的安装和壁后注浆材料的硬化过程.模拟时，每次掘进的深度为3 m，每掘进施工一段后，将该相应的土体单元立即设置成死单元.然后在相应位置通过更改材料参数和激活管片单元或注浆材料属性实现管片的安装和注浆材料的硬化过程.整个模拟过程共分为32个工况，其中，奇数工况为相应位置段处的挖土工况，偶数工况为相应位置段处的管片拼装与壁后注浆工况.施工过程中的壁后注浆压力和顶面压力采用施加均布荷载的方式模拟等效，管片部位的土体重新被激活成活单元，并通过改变该部位土体的材料属性来实现管片的拼装.

2 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元软件进行分析，用体单元Solid 45模拟管片、土层及注浆层结构，并用网格单元Mesh 200辅助完成网格的划分.

(1)模型尺寸.计算中取的土体范围为:水平方向取80.2 m，向下取47.7 m.隧道掘进方向取60 m长.隧道中心距离地表以下18.1 m，隧道管片外径为6.2 m，内径为5.5 m，管片厚度为0.35 m，管片弹性模量，隧道外围的注浆层厚度0.25 m.管片壁后注浆压力为0.15 MPa，盾构机顶面压力大小为0.3 MPa.隧道所在地层土体回弹模量采用，土体重度为2.5 kN/m3，有限元模型如图1～图2所示;

图1 壁后注浆与页面压力等效图

图2 有限元三维模拟图

(2)边界条件与连接方式.对模型体下底面内所有节点的竖向位移进行约束，对模型体左右两个侧面内的所有节点的左右方向位移进行约束，对模型体的两个前后面内的所有节点的前后两个方向位移进行约束.其中，管片、注浆层及土体间的连接方式采用共用节点方法连接.

3 计算结果分析与讨论

(1)初始面内拱顶、拱底及其上方地表点的竖向位移.图3为盾构隧道在单一土层中的开挖施工时，掘进到不同位置时，在初始开挖面内隧道的拱顶、拱底及其上方的地表点的沉降变化曲线.通过图3发现，当隧道第一步开挖后，初始开挖面内的拱顶点处位移下沉2.24 cm，拱底点处位移向上隆起5.9 cm，其上方的地表点处位移下沉0.37 cm.主要由于隧道位置的土体被挖走后，土层局部位置的应力平衡被打破，隧道所在土层中的部分应力释放，导致上下土层发生了相应的位移.

根据图3发现，随着盾构掘进位置的增加，在初始开挖面内，隧道的拱顶、拱底及其上方地表点的位移逐渐增大.同时当盾构掘进深度超过到15 m左右时，这三点的位移基本不再发生变化，以后盾构的掘进施工对初始开挖面的位移影响不再明显.

图3 拱顶、拱底及其上方地表点的竖向位移

图4 掘进方向隧道中心线正上方地表各点沉降位移

(2)掘进方向隧道中心线正上方地表各点沉降位移.图4为盾构隧道在单一土层中的开挖施工时，不同工况下盾构隧道掘进方向隧道中心线正上方地表各点的位移变化曲线.根据图4发现，随着盾构不断的向前掘进，隧道掘进方向中心线正上方地表各点发生了相应的沉降与隆起.同时发现地表的最大沉降量位置是在初始开挖面处的地表，最大沉降值为3.5 cm，因为随着隧道的每向前开挖一段，该处地表点向下的沉降值都会增加而达到最大;并且较远处的地表点会发生向上的隆起，隆起位移不大，仅为0.244 cm.隆起的原因为盾构机前方的顶进压力使未开挖土体发生向前的堆淤而出现隆起.因此，在控制地表沉降问题时，应注浆初始开挖面的地表的沉降是最大的特点.

(3)初始开挖面、15 m处断面内横向地表点沉降位移.图5为盾构隧道在单一土层中的开挖施工时，不同工况下初始开挖面地表横向各点的沉降位移曲线.根据图5发现，随着盾构不断向前掘进，初始开挖断面上的横向地表各点的沉降位移会不断增加.在各横向地表点中，隧道拱顶正上方对应的地表点沉降最大，主要因为盾构隧道在此处向下的应力释放最为明显.而距该点越远的两侧其它地表各点的沉降越小.通过比较发现，在前8个工况内的各点的沉降增量均较大，而在第8个工况以后的各工况中，各地表点的沉降增量基本近于0.说明在隧道开挖的过程中，当掘进深度超过一定范围后，对于前面已经开挖后的初始断面的影响已经基本不大了.

图5 初始开挖面地表横向点的沉降位移

图6 15m处断面内地表点的横向沉降位移

图6为盾构隧道在单一土层中的开挖施工时，不同工况下纵向15 m断面地表横向各点的沉降位移曲线.根据图6发现，在前5个工况内15 m处横断面地表各点的沉降值均为正值，表明此时15 m处横断面地表各点是向上隆起的，其中，第1个工况时的隆起值最大，最大值达到0.289 cm，而后几个工况逐渐降低，主要由于盾构开挖时，对前端土层有较大的顶推力，使其前方一定距离的土体发生隆起，而随着盾构的掘进，越来越靠近15 m处的横断面时，顶推力产生的向隆起位移，被土体挖空后产生的应力释放导致地表点产生的向下沉降位移所削弱，当达到第6个工况后，15 m处横断面地表各点开始产生向下的沉降位移.

(4)注浆层硬化前、后各点的沉降变形.为研究施工过程中，盾构隧道管片壁后注浆层硬化前、后管片顶部与底部沉降变化情况，图7为盾构隧道在掘进过程中，以盾构隧道在初始开挖面内的拱脚点、拱顶点及对应地表点的沉降变化过程为例，进行了注浆层硬化前、后沉降变化对比.根据图7发现，在注浆层硬化前、后，不论拱脚、拱顶及对应地表点的沉降位移均比注浆层硬化前大.

图7 施工过程中注浆层硬化前、后的沉降

4 结论

盾构隧道施工过程中的工序比较复杂，在盾构掘进过程中会扰动地层土体，产生相应的变形，对这方面的控制也比较复杂.本章针对盾构隧道的施工工序，利用ANSYS软件对其进行了有限元模拟分析.

盾构隧道在掘进过程中，由于隧道位置处的土芯被挖掉，会导致地下土体应力释放，导致地表土体发生相应的沉降，并且隧道纵向轴线正上方地表点的沉降变形最大.随着掘进深度的增加，沉降变形逐渐增大，但当盾构隧道向前掘进超过一定距离后，其后方较远地表点的沉降变形趋于稳定，不再继续增大.

在盾构隧道在向前掘进过程中，会产生一定的顶推力，因此会导致其前方一定范围的地表土层发生向上隆起变形.隆起的原因为盾构机前方的顶进压力使未开挖土体发生向前的堆淤而出现隆起.

随着盾构不断向前掘进，初始开挖断面上的横向地表各点的沉降位移会不断增加.在各横向地表点中，隧道拱顶正上方对应的地表点沉降最大，主要因为盾构隧道在此处向下的应力释放最为明显，而距该点越远的两侧其它地表各点的沉降越小.

［1］日本土木会.隧道标准规范(盾构篇)及解说［M］.朱伟译.北京:中国建筑工业出版社，2001:1-4.

［2］张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京:人民交通出版社，2002:867-874.

［3］吴韬，韦良文，张庆贺.大型盾构出洞区加固土体稳定性研究［J］.地下空间与工程学报，2008，4(3):85-90，193.

［4］赵耀强，李元海，朱世友，林志斌.不同地层条件盾构始发对地表沉降影响规律研［J］.隧道建设，2011，4(31):465-469.

［5］孙海霞，赵文，王钊宇，于建军.地铁盾构法施工对地表变形的影响分析［J］.隧道建设，2010，S1(30):151-155.

［6］肖立，张庆贺.铁路轨道下盾构施工所致地面沉降的数值模拟［J］.同济大学学报(自然科学版)，2011，9(31):1286-1291.