地铁盾构隧道下穿停机坪的地表沉降研究

吴薪柳， 刘惠敏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 230000)

0 引言

盾构施工过程中，对土体产生扰动，超挖及土体重新固结会造成地层损失，软土地层强度低，难以自承。盾尾脱出的拼装好的管片与土体之间存在空隙，若不及时进行回填，会引起地层出现较大的变形。

同步注浆技术是在盾构向前推进的过程中，同时向盾尾的空隙进行压力注浆，从而控制地面沉降。注浆压力一般大于隧道上方的覆土压力，从而达到抵消开挖引起的部分沉降。注浆压力过小则浆液填充速度慢，填充不充分，注浆压力过大则会引起土体的“劈裂现象”［1-2］，即注浆层切入土体，还可能引起盾构上方土体的隆起［3］，注浆压力的大小对于要求地表隆起量为0，同时又严格控制地表沉降量的工程显然更为重要。

目前，同步注浆的压力大多靠经验控制，因此，针对某地铁线延长线盾构隧道下穿某机场停机坪工程，结合国内外相关的研究成果，计算出合适的注浆压力。在此基础上，借助有限元软件，对盾构下穿停机坪的施工过程进行二维数值模拟［4］，研究了地表沉降规律，并且对比分析了不同注浆压力对地表沉降量的影响，从而为施工提供参考依据。

1 工程概况

某地铁线机场延伸线工程盾构隧道约在里程右DK26 +375 ～右DK27 +012、左DK26 +375 ～左DK27 +003 范围下穿某机场现状停机坪。右线下穿停机坪范围线路平面主要为直线，局部为缓和曲线以及半径为440 m 的圆曲线，线路坡度为4．001‰，下穿机坪长度约637 m;左线下穿停机坪范围线路平面主要为直线、局部为缓和曲线以及半径为430 m 的圆曲线，线路坡度为4．04‰，左线下穿机坪长度约628 m。隧道覆土厚度为10．3 ～12．6 m。

某机场的停机坪坪面由现浇水泥混凝土板块拼接而成，板块大小不一，一般为5 m 见方，板块厚400 mm，水泥混凝土设计28 d 抗压强度为5．0 MPa;板块下方依此分布有两层200 mm 厚水泥碎石基层，水泥碎石基层7 d 浸水抗压强度设计值为4 MPa。该机坪于2006 年投入使用，机坪设计为F 类、E 类机型使用，目前国内F 类飞机最大机型为A380-800，E 类单轮轮载最大机型为B777-300ER。

设计方提出:盾构下穿停机坪范围设计按地面沉降10 mm，隆起量为0 mm，差异沉降量不大于0．15%控制，咨询单位认为10 mm 的沉降量不会对道面正常使用造成影响，并建议施工过程中对沉降情况进行严格监测，控制盾构的掘进速度，道面若出现不良情况应及时采取措施。

2 数值模型的建立

2．1 有限元模型概况

鉴于盾构隧道下穿停机坪的距离较长，将其施工过程近似考虑成平面应变问题，采用Midas/GTS4．2软件建立有限元模型如图1 所示。盾构管片埋深取12 m，左右线隧道中心间距13 m，盾构管片两侧及底部距离管片边缘不小于3 倍洞径，模型尺寸取长×宽=60 m×36 m。盾构管片的内径为5．5 m，衬砌厚度为0．35 m，将盾尾空隙考虑成等代层［5］，厚度取为0．15 m，如图2 所示。

图1 有限元模型

图2 等代层

土层及各结构均采用四节点平面应变单元模拟。结构采用线弹性本构模型，土体采用服从Drucker-Prager 屈服准则［6］的理想弹塑性本构模型模拟。根据设计资料，从上至下各土层及结构的材料参数如表1 所示。隧道衬砌是由管片通过螺栓连接而成，有限元模拟时将其考虑成连续的壳体，刚度折减［5］系数取0．8。为了体现注浆材料的硬化过程，给注浆层设置“注浆初始”及“注浆凝固”两种材料属性。由于整体模型的尺寸相对结构的尺寸较大，可近似忽略边界的影响，对模型采用位移边界条件，即模型两侧边约束水平方向位移，底部约束竖向位移，顶面自由。

表1 计算参数

2．2 计算荷载

模型计算考虑的荷载主要有:(1)结构及土体的自重荷载;(2)飞机在道面上运行时的荷载传至道面结构层底面，考虑飞机滑行产生的动载及道面的结构重量，地表施加均布荷载140 kPa;(3)盾尾空隙注浆时的注浆压力。

国内外的研究认为，注浆压力相当于隧道埋深处的地层应力时，能有效的减少地表沉降。文献［7］对同步注浆的参数进行了研究，认为地铁隧道一般埋深在10 ～20 m 之间，采用太沙基的土压力计算方法较为合理，公式如下

式中，Pe为土压;D 为隧道外径;2B 为隧道顶部松动圈幅;K0为水平土压和垂直土压之比;γ 为土体的容重;C 为土体的黏聚力;φ 为土体的内摩擦角;H 为覆土深度;W0为地面荷载。

根据以上公式，计算出适合本工程的注浆压力约为:0．25 MPa。

2．3 施工过程模拟

实际工程中，盾构隧道双线的开挖会间隔一定的距离，对于特定的横断面，左右单线隧道存在开挖先后的顺序。有限元模拟时，按以下步骤进行:

第一步(CS1):天然土层在自重荷载及其他荷载作用下，已完成固结沉降，在此基础上进行隧道开挖，需将已固结完毕的原状土作为后续开挖步的初始状态。因此，通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场。

第二步(CS2):开挖左线盾构隧道土体，包括衬砌及空隙层所在位置的土体，通过钝化单元来实现。

第三步(CS3):对左线盾尾空隙进行注浆，采用表1 中的“注浆初始”材料模拟，同时对空隙层与土体交界处的节点施加环向的压力荷载，以模拟注浆压力。

第四步(CS4):注浆层硬化，通过钝化“注浆初始”，激活“注浆凝固”单元来实现，并认为硬化后注浆压力消散。

第五～七步(CS5 ～CS7):模拟右线盾构隧道的施工过程，重复左线的第二、三、四步，直至施工结束。

3 计算结果分析

根据计算所得的注浆压力，注浆压力值采用0．25 MPa。施工结束后，土体竖向位移云图如图3 所示。

图3 CS7 步土体位移云图

从图3 可以看出，开挖结束以后，盾构隧道下方的土体出现竖向向上的位移，与盾构管片相邻处的下方土体隆起较大，最大值为1．54 cm，主要是由于隧道开挖后，其下方的土体出现卸荷回弹所致。盾构隧道上方土体则在重力及地面荷载的作用下出现下沉，与盾构管片相邻处的上方土体沉降较大，最大沉降为1．51 cm，随着深度的减小，沉降值逐渐减小。

左线隧道施工结束(CS4 步)与双线均施工结束(CS7 步)后的地表沉降槽曲线如图4 所示。

从图4(a)可以看出，左线施工结束后，地表沉降槽曲线呈现V 型正态分布形状，最大沉降值出现在左线隧道的正上方位置，最大沉降值为9．35 mm，沉降槽宽度约为30 m(横断面相对距离10 ～40 m 范围)，约为洞径的5 倍，计算得最大差异沉降率为0．09%。

双线隧道均施工结束后，图4(b)表明，地表沉降槽曲线近似呈现U 型形状，地表最大沉降值出现在两隧道之间，且靠近左线隧道一侧，最大沉降值为9．82 mm，沉降槽宽度增大为40 m 左右(横断面相对距离10 ～50 m 范围)，最大差异沉降率为0．1%。

为了研究不同注浆压力对地表沉降的影响，采用注浆压力分别为0．22 MPa，0．26 MPa，0．28 MPa 及0．3 MPa 进行计算，不同注浆压力与地表最大沉降值的关系如图5 所示。

从图5 可以看出，随着注浆压力的增大，地表最大沉降值逐渐减小，两者近似成反比关系，通过曲线的线性拟合，得两者的关系式为:y = -34．5x + 18．4，0．22 ≤x ≤0．3，y 为沉降值，x 为注浆压力值。根据设计提出的地表10 mm 控制要求，则注浆压力值不应小于0．244 MPa，从有限元后处理结果可知，注浆压力增大至0．3 MPa 时，地表出现轻微的隆起值，对于地表要求不允许出现隆起的工程，不建议采用过大的注浆压力。

图4 地表沉降槽曲线

图5 注浆压力与地表最大沉降值关系

4 结论

对某盾构隧道下穿停机坪的施工过程进行了二维数值模拟，计算出合适的注浆压力值并应用至数值分析，研究了盾构隧道施工过程中地表沉降的规律，包括沉降槽曲线，最大差异沉降率等。在此基础上，计算得出不同注浆压力与地表沉降最大值的关系，得出如下结论:

(1)盾构隧道单线施工完成后，地表沉降槽曲线呈现V 型正态分布形状，沉降槽宽度约为洞径的5倍，双线均施工结束后，沉降槽曲线近似呈现U 型。最大沉降值小于设计提出的10 mm，最大差异沉降率也满足设计要求。

(2)适合本工程的注浆压力值为0．25 MPa 左右，注浆压力值与地表最大沉降成反比，注浆压力过小，则沉降较大，不满足设计要求，而注浆压力过大则会引起“劈裂”或地表隆起现象。

［1］魏纲，魏新江，洪杰．盾构隧道壁后注浆机理及其对周边环境的影响［J］．防灾减灾工程学报，2010，30(增刊):299-304．

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