盾构掘进施工对地表沉降变形规律分析

张效智， 曹广勇， 黄 铃， 江 帆

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230601）

近年来，为了解决城市地面交通拥挤的问题，我国地下铁路的建设得到了迅速发展。目前，一些中小城市如合肥、南昌、昆明等也开始大量建设地铁。盾构法施工因其机械程度高、适用能力强的特点，受到各施工部门的青睐，具有非常广泛的发展和应用前景［1－3］。但是，由于各地区的地质条件、水文条件、周边环境等因素不同，盾构在掘进过程中对周围土体的扰动和沉降差异明显。一旦地表沉降超过一定范围时，就会严重危害地下管线和临近建筑物的安全，甚至可能造成土体坍塌、地上建筑物倒塌等更大的经济损失。因此，预测盾构施工对地表沉降及围岩变形规律，确保盾构掘进过程的施工安全，是施工中非常重要的问题［4］。

目前国内外有关学者关于盾构施工对地表沉降的影响作了大量的研究［5－6］，而有关盾构穿越膨胀土地层引起地表沉降及围岩变形的研究不是很多。因此，本文采用有限差分软件FLAC3D对合肥地铁1号线繁华大道～高铁南站区间隧道进行盾构施工三维数值模拟，研究不同施工阶段下地表沉降及围岩变形规律，确定盾构掘进引起的地表沉降范围，为后期施工提供指导意见，并提出相应的控制性建议，对确保盾构施工安全具有重要参考意义。

1 工程概况

合肥地铁1号线繁华大道～高铁南站区间工程，下穿既有312国道高路基段以及规划中的南广场、飞龙路加油站，场地现况主要为林地，地貌属南淝河河漫滩Ⅱ级阶地。盾构起讫里程K15＋120.270～K15＋753.960，长633.69m。区间设有一个联络通道，与泵房合建，里程为：K15＋343.571；设有2个平面曲线，最小曲线半径350m。线路纵坡为“V”形坡，左、右线均设有4个竖曲线，最大坡度为22.4‰，最小坡度为2‰，区间隧道顶埋深8.8～22.1m。

区间隧道采用单洞式管片拼装衬砌的圆形盾构，外径6.0m、内径5.4m，衬砌管片宽度为1.5m，厚度0.3m，采用C50、P12混凝土。

2 水文地质

依据区域地质勘察资料，拟建场地附近没有断裂经过，无泥石流、崩塌、地裂缝等不良地质作用；场地地下水类型为上层滞水，水位埋深1.5～2.3m，水位标高29.83～30.96m，含水层主要在杂填土①层；场地粘土②层、粘土③层、粘土④层均具有弱膨胀潜势，其中盾构隧道穿越的主要地层以粘土③层为主。各土层物理力学参数见表1。

表1 土体分层及其物理参数

3 盾构掘进施工过程数值模拟

3.1 计算模型建立

依据合肥地铁1号线繁华大道～高铁站区间盾构施工方案建立三维模型，首先在模型中预设开挖土体单元、衬砌单元、盾构钢壳以及等代层单元［7］。以盾构隧道掘进的中轴线为坐标原点，盾构掘进方向水平向右为X方向，其掘进方向为Y轴，竖直向上为Z轴建立计算坐标系。根据圣维南原理计算模型需3D～5D（D为隧道直径）才能消除边界的影响［8］。为满足计算精度的要求，建模范围垂直隧道轴向自隧道边缘水平向外各取4D；自隧道底部垂直向下取2D，盾构埋深取平均约为15m；沿隧道长度方向取40m。最终建立了54m×40m×33m的三维模型，计算网格共有49634个单元，53860个节点。模型侧面边界限制水平位移，底部限制竖直位移，顶部即地表为自由边界，不设置约束，计算模型如图1所示。

图1 盾构隧道三维整体网格划分模型图

3.2 本构模型与参数选取

模型地层土体各参数按表1进行取值，采用摩尔－库仑材料模拟计算［9］。衬砌管片用实体弹性单元进行模拟，用等代层替换盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆情况，厚度根据土层性质取折减系数［10］为0.8计算为240mm.，其他相关参数见表2。掌子面前方土舱压力采用梯形荷载和等效荷载两种形式进行计算，最终的土舱压力是按等效荷载条件下隧道中心线处水平应力实际值的1.08倍模拟计算。

表2 盾构衬砌和等代层计算参数

隧道衬砌结构采用的管片为C50混凝土，支护时将管片设置为各向同性弹性模型。盾构掘进过程采用空模型进行模拟，并结合盾构机的施工推进速度，按每环1.5米进行模拟开挖。

4 计算结果分析

4.1 盾构掘进施工位移云图

盾构掘进施工引起地表沉降变形的大小主要受地层和地下水条件、隧道直径、埋深和施工条件的影响。根据隧道直径的尺寸，分别模拟盾构掘进6m、掘进12m、掘进18m及掘进24m四种工况对地表沉降的影响。从实践经验了解到，隧道拱顶上方地表纵向沉降、地表横向沉降以及围岩沉降是盾构施工中最为关心的控制指标［11］。图2为盾构掘进不同距离时地表竖向位移分布云图，随着盾构向前掘进距离的增加，引起地表纵向沉降最大值逐渐提高，其影响范围也在不断扩大。如掘进6m时，地表最大沉降值为11.28mm；而掘进12m时，地表最大沉降值为14.64mm；掘进18m时，地表最大沉降值为16.89mm；掘进24m时，地表最大沉降值为18.72mm。

图2 盾构掘进不同距离时地表竖向位移分布云图

为了总结盾构掘进对地表沉降的影响规律，提取不同掘进距离时隧道中心线上方纵向及Y＝9m断面横向地表沉降数据进行分析，分别按不同掘进距离绘制地表竖向沉降曲线曲线如图3所示和地表横向沉降槽曲线如图4所示。

图3 盾构掘进不同距离时地表竖向沉降曲线

4.2 盾构掘进引起地表纵向沉降规律

通过分析图3盾构掘进不同距离时地表竖向沉降曲线图可知，地表纵向沉降变形规律为：随着盾构开挖面的前进，地表纵向沉降值不断增加，纵向影响范围也在加大。当距离开挖面前方较远处，地表纵向沉降位移较小，当开挖面通过该截面后，地表土体下沉较快，并且达到最大。

值得注意的是，盾构掘进6m时即盾构处于始发阶段，地表最大纵向位移出现在盾构始发位置而不是开挖面的地表处，因此，施工时要注意盾构始发端头土体的加固。同时，由于盾构施工区间地层土体的弱膨胀特性，使得盾构掘进对其开挖面前方地层近20m（约为3倍洞径）范围仍有影响。

4.3 盾构掘进引起地表横向沉降规律

通过分析图4盾构掘进过程中地表横向沉降槽曲线可知，其变化规律和peck沉降槽的变化规律大体上是一致的，这说明本数值模型的建立、边界条件和地层参数的选取，以及模拟隧道盾构施工预测地表沉降是可行的。

随着盾构的掘进，Y＝9m断面处的沉降值也在不断增大，沉降变化最大的地方位于隧道中心线的地表处；离隧道中心线的距离越大，其沉降值也在逐渐减少。地表横向沉降主要分布在离隧道中心线10m（约1.5D）范围之内，即盾构掘进引起的地表横向沉降影响范围约为洞径的3倍。

4.4 盾构掘进引起围岩位移

为了更好说明盾构掘进施工对地表沉降的影响，下面从地层围岩角度分析，按不同掘进距离分别取一代表沿隧道轴线剖开，提取围岩竖向位移分布云图如图5所示。

由图5分析可知，盾构衬砌支护后，开挖面后方的围岩在隧道顶部出现一个的沉降区域，最大沉降位置位于围岩的拱顶处，远离拱顶的距离越大，其相应土层发生的沉降量越小；在隧道底部出现一个卸载隆起区域，最大隆起位置位于围岩的拱底处，远离拱底距离越大时，其相应的土层隆起量也越小。沉降和隆起区域随着盾构的推进而不断扩大，最大值也随着开挖面的前进而不断增加，如掘进6m时，围岩拱顶最大沉降值为3.02cm，拱底最大隆起值为3.71cm；而掘进18m时，拱顶最大沉降值为3.43cm，拱底最大隆起值为3.43cm。这些均与前面所述对地表沉降变形影响规律相同。

图4 Y＝9m断面处盾构掘进过程中地表横向沉降槽曲线

此外，由于开挖面有开挖掌子力的支护应力和土体的应力相互支撑，其围岩的沉降量变化不是很大，即离工作面较近的地方沉降量较小，相反，开挖衬砌后远离工作面的地方，其拱底围岩的沉降量变化比较大。

图5 盾构掘进不同距离时围岩竖向位移分布云图

5 结论与建议

本文主要对合肥地铁1号线繁华大道～高铁南站区间隧道盾构施工进行了数值模拟，分析不同施工阶段下地表沉降及围岩变形规律，并确定此工程盾构掘进引起的地表沉降范围，结合施工经验得出结论与建议如下：

（1）地表纵向沉降变形范围随着盾构掘。进的推进而不断扩大，其最大沉降值也随之增加。由于盾构区间地层土体的弱膨胀特性，使得开挖面前方沉降有效影响范围约为洞径的3倍。此外，防止盾构始发位置地表沉降过大，要注意始发端头土体的加固。施工中随掘进长度的增加，应加强开挖面前方3倍洞径内地表最大沉降监控。

（2）地表横向沉降在开挖面前后都具有对称性，隧道拱顶地表沉降最大，向两侧沉降分别逐渐减少，并且横向沉降影响范围约为洞径的3倍。对土体扰动引起的地表横向沉降变化规律和Peck沉降曲线的变化大体相同，采用Peck沉降曲线能较好地预测横向沉降影响范围。因此，施工时注意加强盾构掘进横向3倍洞径范围内的地表沉降监控。

（3）盾构衬砌支护后，衬砌环拱顶及其上部围岩发生沉降，下部围岩发生隆起现象。随着盾构的掘进，围岩沉降和隆起区域不断扩大，拱顶沉降和拱底隆起的最大值也随之不断加大。因此，施工中应注意及时注浆，控制相应的注浆量，保证衬砌与土层之间的密实性，从而减少围岩土体变形，并加强衬砌环拱顶及拱底土体沉降监控。

1 张凤祥，朱合华，德 明.盾构隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004.

2 陶龙光，刘 波，丁成刚，等.盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟［J］.中国矿业大学学报，2003（3）：27－31.

3 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.

4 于 宁，朱合华.盾构隧道施工地表变形分析与三维有限元模拟［J］.岩土力学，2004（8）：1330－1334.

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.

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7 赵耀强，李元海，朱世友，等.不同地层条件盾构始发对地表沉降影响规律研究［J］.隧道建设，2011（4）：463－469.

8 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.

9 刘 波，韩彦斌.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

10 张 云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析［J］.岩石力学与工程学报，2002（3）：388－392.

11 洪 源.盾构法隧道施工地表沉降变形模拟分析［J］.铁道建筑，2012（4）：65－67.