盾构隧道施工引起的地基土超孔压特性模拟与分析

张冰清 宫全美庄 丽

盾构隧道施工引起的地基土超孔压特性模拟与分析

张冰清1宫全美2庄 丽3

（1.广东省交通运输规划研究中心，510101，广州；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海；3.韩国建设技术研究院，10223，高阳∥第一作者，助理工程师）

考虑盾构机盾壳与自重、开挖面正面推力、盾尾空隙、千斤顶推力和同步注浆等因素，利用有限元软件模拟研究了盾构施工过程引起的周边土体超孔压，并与实测值进行对比分析，以此验证了模拟方法的可靠性。基于单层软土、中等埋深条件下的盾构施工有限元模拟，分析了超孔压随施工过程的分布特性。研究表明，施工过程中周边土体的超孔压变化明显，随着盾构机的推进先不断增大，盾构机头到达或盾尾脱出时达到最大，盾构机离开后又逐渐减小。软土层中125 d后隧道四周超孔压的衰减率约为92%。

盾构施工；超孔压；三维有限元；分布特性

在盾构推进施工过程中，作用在开挖面上的土仓压力、盾尾处的注浆压力等均会使土体中产生超孔压，而随着盾构机的远离，超孔压又会缓慢消散。这一过程不仅导致土体强度降低，也使盾构施工引起的土体变形复杂。特别在软土地区，盾构施工完成后的固结沉降常常较大且持续时间较长。如新加坡某盾构隧道由固结引起的沉降占总沉降比值高达90%［1］。尽管超孔压的产生会对工程带来不利影响，但由于施工过程复杂，目前对超孔压的分布规律及特性研究较少，理论分析也不完善。

国内外关于盾构施工在周围土层中产生超孔压的研究方法主要有现场实测、理论分析和数值模拟等。由于现场条件复杂，难以判断引起超孔压变化的主要原因以及各因素对超孔压变化的影响，且可能出现设备失灵的问题。如文献［2］对台北某隧道进行孔隙水压力测试，盾构机脱出时孔压计出现过短暂的失灵，盾构空隙产生的效果未捕捉到。此外，现有的实测资料仍较少［1-4］；而现有的理论分析主要对模型进行简化，做出一定的假设，不能反映盾构施工过程的影响，目前用现有理论对超孔压进行较准确预测还有一定难度［5-6］。由于盾构施工过程及超孔压的复杂性，目前已有的数值模拟结果与实际仍不太符合。这些模拟方法或者是忽略了盾构机、盾尾空隙和注浆压力的模拟，或者是对正面推力、注浆压力模拟不够准确，只是简单地以均布荷载表示，并且绝大多数模拟都没有考虑浆液性质的变化［7-8］。

本文考虑盾构机、盾尾空隙的影响，并对正面推力和注浆进行精细化模拟，以探索更能符合盾构施工过程的超孔压数值模拟方法，并得到盾构施工引起的周边土体超孔压变化特性及规律。

1 盾构施工的有限元模拟方法及可靠性验证

1.1 模拟方法

利用Plaxis3D有限元软件中的Biot固结理论计算超孔压的产生与消散，盾构机的施工过程模拟考虑了盾构机、正面推力的大小及分布方式、盾尾空隙、同步注浆浆液性质随时间的变化及分布方式等。具体的模拟方法如下所述。

盾构机采用实体盾壳单元模拟，将盾构机的重量折算到盾壳上，盾壳厚度为50 mm，用各向同性的板单元模拟，重度γ=120 kN/m3，弹性模量E=23×106kN/m2，盾构机直径为6 340 mm。千斤顶推力简化为均匀荷载作用在盾构机后方衬砌上，其值为2 300 kN/m2。

在盾构施工工程中，一般取土仓压力为施工控制参数，并认为土仓压力与正面推力是相等的［9］。但根据长三角软土地区某盾构隧道的实测统计数据［10］可知，土仓压力与理论计算的静止土压力比值为1.16~1.74，平均值为1.34。其从上到下为梯形分布作用在圆形开挖面上，如图1所示。

图1 正面推力作用示意图

盾尾空隙大小一般为80~160 mm［11］。由于软土中超挖量较小，认为盾尾空隙主要由盾构机壳厚度和盾尾操作空间决定。本文取盾尾空隙的厚度为70 mm，用模量极小的弹性材料模拟，E=20 kN/m2。

同时考虑浆液性质随时间的变化以及注浆压力的大小与分布。采用线弹性材料模拟单液活性浆液的性质变化，并根据对浆液的室内无侧向抗压试验和土工试验规范，拟合出浆液弹性模量随时间的变化函数作为有限元模拟值［12］。其拟合函数为

式中：

t——时间，h；

y——浆液的弹性模量，MPa。

由于浆液最终凝固成混凝土，所以y值增大到混凝土的弹性模量时为止，之后保持不变。注浆层的厚度为70 mm，分布于管片外侧。

由文献［13］关于注浆压力随时间变化的试验结果可知，当盾尾通过后，注浆压力会在较短时间内消散并达到均匀。随着浆液的凝固，注浆压力消失，浆液开始承受地层中的水土压力并传递到衬砌上。据此，确定本文有限元模拟中注浆压力的作用时间仅为盾尾脱出一环管片后的时间，随着盾构的向前推进，注浆压力随即消失。注浆压力的分布形式为沿深度呈梯形分布，沿深度不断增大。注浆压力与理论计算的静止土压力比值为0.8~1.1，注浆压力作用示意图如图2所示。此外，浆液的充填性、流动性等也会影响注浆压力的大小和分布，在此处视为理想条件，不做过多讨论。

图2 注浆压力作用示意图

根据以上讨论，得到了盾构机、正面推力、盾尾空隙和同步注浆的模拟方法，由此可得到本文的模拟示意图，如图3所示。

三维模型的边界条件是：四周表面和底面为法向位移约束，表面自由。开挖面边界条件如图3所示。渗流边界为表面透水边界，模型四周和底部为不透水边界，衬砌处为不透水边界。

1.2 可靠性验证

为了验证模拟方法的可靠性，根据上述有限元模拟方法，采用文献［4］中的工程及参数，以实际工程为例建立模型，并与实测孔压值进行对比验证。文献［4］中实测孔压计分布和地层情况如图4所示。计算值和实测值的对比，如图5和6所示。由图5和图6可知，各孔压计的初始值、稳定值以及变化趋势基本一致；孔隙水压力在盾构到达不同位置处会出现不同程度的突然增大，盾构离开后，孔隙水压力也开始衰减。但由于现场施工情况复杂多变，有限元模拟不可能完全准确模拟，所以在量值和变化趋势上会有一些差别，但整体规律是符合的。

图4 孔压计的分布

图5 不同位置处计算孔隙水压力随时间的变化曲线

2 施工引起的周边土体超孔压分布特性

2.1 模型参数

为减少土层非均质对超孔压变化规律的影响，此处选取盾构隧道位于单一软土层。计算中隧道顶部埋深12.4 m，地下水位为地表以下2 m，隧道管片外径6.2 m、内径5.5 m、宽1.2 m，盾构机的直径为6.34 m。所建立的有限元模型长80 m，宽20 m，高30 m。土层物理力学参数如表1所示，施工参数见表2。

2.2 计算结果

图6 不同位置处实测孔隙水压力随时间的变化曲线

分别在隧道顶部、中部和底部各选取3个共9个观察点A1~A3、B1~B3、C1~C3。各位置观察点分布在距离隧道0.5 D和1.0 D处，如图7所示。

图7 观察点位置

各观察点超孔压随时间的变化分别如图8~图13所示。每个观察点均给出了超孔压短期（5 d）和长期（125 d）的变化过程。

由图8、图9可知，盾构施工中隧道顶部土体中最大超孔压为100 kPa，发生在A1点。A1、A2两点超孔压随盾构施工过程的变化明显，A3点不明显。125 d后A1、A2、A3点超孔压的衰减率分别为91%、68%和45%，说明距离隧道越近超孔压的变化幅度越大。

表1 土层物理力学参数表

表2 施工参数表

与顶部相比，隧道中部和底部超孔压规律相同，仅量值上有差别。如隧道中部最大超孔压为97 kPa，而底部为 103 kPa。超孔压 125 d 后 B1、B2、B3点超孔压的衰减率分别为92%、76%和69%，而C1、C2、C3点超孔压的衰减率分别为92%、81%和78%。

综合以上隧道顶部、中部和底部超孔压随时间的变化可知：距离隧道越近，超孔压受盾构施工的影响就越大，在隧道周边位置，均会出现两次极值，分别在盾构机到达和盾尾脱出的时刻（分别定义为第一极值、第二极值），且第一极值明显大于第二极值。说明掌子面推力对隧道附近土体超孔压的影响比注浆的影响大；随着距离的增大，虽仍会出现两次极值，但两极值的差异不明显，甚至出现第二极值大于第一极值的情况，此现象的出现为超孔压的累积效应；随着距离的进一步加大，如大于1 D的位置，盾构施工产生的超孔压不明显，超孔压的变化与盾构施工过程并无明显对应关系。

图8 短期隧道顶部土体超孔压随时间的变化曲线

图9 长期隧道顶部土体超孔压随时间的变化曲线

图10 短期隧道中部土体超孔压随时间的变化曲线

图11 长期隧道中部土体超孔压随时间的变化曲线

图12 短期隧道底部土体超孔压随时间的变化曲线

图13 长期隧道底部土体超孔压随时间的变化曲线

3 结论

（1）计算结果与实测结果基本符合，说明本文的模拟方法可靠，可用于计算盾构隧道施工引起的周边土体超孔压。

（2）随着盾构机的推进，隧道周边土体超孔压逐渐增大，在盾构机到达和盾尾脱出注浆时会出现两次极值，隧道附近超孔压随施工过程的变化非常明显，第一极值明显大于第二极值；较远处差异不明显，甚至出现第二极值大于第一极值的情况；随着距离的进一步加大，如大于1 D的位置，盾构施工产生的超孔压不明显，超孔压的变化与盾构施工过程并无明显对应关系。

（3）盾构机离开后，超孔压会缓慢消散，消散所需时间较长，在软土层中125 d后隧道四周超孔压的衰减率约为92%。

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Modelling Research and Analysis on Excess Pore Water Pressure Caused by Shield Tunneling

ZHANG Bingqing，GONG Quanmei，ZHUANG Li

A 3D FEM method is used to simulate the excess pore water pressure on the surrounding area caused by EPB(electric park brake)shield construction,with full consideration of factors like TBM(tunnel boring machine)shell and weight，shield face pressure，tail void，jack thrust and tail void grouting.The simulation result is compared with measured data to verify the reliability of the simulation.In addition,based on the 3D FEM simulation of one layer soft soil in the medium depth tunnel construction,the distribution regularities of excess pore water pressure during tunneling is analyzed.The research shows that the excess pore water pressure changes sharply with the advance of EPB，it decreased by 92%in soft soil around the tunnel after 125 days.

shield tunneling；excess pore water pressure；three-dimensional finite element；distribution character

U455.43；U456.2

10.16037/j.1007-869x.2017.11.003

First-author′s address Guangdong Provincial Transportation Planning and Research Center，510101，Guangzhou，China

2016-02-26）