地铁盾构隧道施工对地层扰动的影响因素分析

方 勇，杨 斌，杨志浩，符亚鹏

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引 言

在修建城市地铁区间隧道工程中，相对于其它施工方法而言，盾构工法具有对周围环境影响小、施工安全快速等优点，目前已成为我国城市地铁建设的主流施工方法。盾构掘进时不可避免地会对周围地层产生扰动，其中盾构自身的施工过程参数是引起地层扰动的重要因素，这些施工过程参数包括掘削面支护压力、盾构机超挖量、盾尾注浆压力以及注浆的时间等。盾构施工引起的地层扰动一方面在地表引起不均匀沉降，另一方面直接引起地下近接结构物的变位，当变位不均匀时还会产生附加应力。通过合理地控制施工参数，可以有效地防止土压平衡式盾构施工过程中过大的地层变位，有利于盾构机的顺利掘进和确保既有地下结构物的正常使用。

盾构施工对地层的扰动主要包括地层位移、应力及结构承受水压压力的改变等方面。郑宜枫，等[1]针对大型泥水盾构研究了不同施工工况条件下周围土体的土压力、水压力和土体位移等参数的变化过程,分析了软土地区盾构施工对周围土体的影响规律。袁大军，等[2]研究了大型泥水盾构掘进各阶段对土体的扰动机制、扰动规律、影响范围以及影响程度。杜进禄，等[3]研究了泥水盾构在推进过程中隧道周围土体分层沉降及水平位移在时间和空间上的扰动规律。

盾构施工对地层扰动的分析方法主要包括现场测试、数值模拟、室内试验及理论分析等。郦亮[4]采用现场测试和数值模拟相结合的方法研究了卵石地层盾构施工对周围的扰动情况；徐永福，等[5-6]和易宏伟，等[7]分别采用现场测试、室内试验及理论分析等方法研究了盾构施工对周围地层的扰动机制、应力状态变化情况以及地层力学性质的影响。在复杂地质条件下或近接建筑物进行盾构施工时，主要开展了盾构施工信息化、对地层扰动的开展标准、减小扰动的施工控制措施等进行了研究，以减小对地层的扰动和环境的影响[8-9]。

笔者通过对土压平衡式盾构掘进的全过程数值模拟，来研究地层扰动对盾构施工参数的敏感性，以及在不同扰动程度下管片结构的荷载、结构的轴力和弯矩的改变。

1 数值模型

1.1 模型的建立

建立盾构掘进模拟的地层模型见图1。其中隧道外径为D=6 m，埋深为H=2D，模型长78 m，高43 m，宽36.5 m。在纵向上，为了开挖的方便，每隔1.5 m(管片幅宽)划分一个网格，共18 928个单元和20 882个结点。计算中地层和管片的材料参数见表1，其中管片由于是采用螺栓连接的拼装结构，在模型中采用均值体模拟是需乘以一刚度折减系数，模型中该折减系数取为0.8。屈服准则采用摩尔-库仑准则。

图1 地层模型Fig.1 Strata model表1 模型中的材料参数 Table 1 Material parameters in the model

名称密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量/MPa泊松比表层填土1700101020.39粉质黏土1960201850.36中砂220035150.35砂卵石230045450.33中风化泥岩230070050650.29注浆层22002100.20管片2700276000.20

1.2 盾构掘进过程模拟

在FLAC3D程序中，通常采用空单元法和刚度迁移法来实现盾构的掘进过程模拟。而在文中盾构掘进全过程的三维数值模拟中，大部分重要环节将被考虑，以尽可能的模拟出盾构施工对地层的扰动，这些环节包括：

1)盾构机的模拟：盾构机在隧道开挖过程中起到的作用主要包括掘削面支护压力平衡、盾构机壳体刚性支护、超挖以及推进反力影响等。

2)盾尾空隙的模拟：盾尾空隙是引起周围地层移动的主要因素，对盾尾空隙的模拟包括临空面的产生、浆液的注入、浆液压力的耗散与硬化等。

3)管片与注浆层的模拟：管片衬砌在注浆层硬化后产生支护作用，并考虑注浆层硬化的时效特性[10-11]。

4)后方台车荷载。

土压平衡式盾构掘进模拟的基本过程如图2。

图2 盾构掘进过程模拟示意Fig.2 Simulation schematic diagram of shield excavation process

2 施工参数敏感性分析

2.1 掘削面支护压力

掘削面的支护压力主要是用于平衡掘削面前方的水土压力。何川，等[12]进行的室内模型试验也表明，盾构掘削面顶推力对地表移动、临近结构物变位等均有显著影响。若支护压力太大，会引起前方土体的隆起；若支护压力太小，则会引起掘削面坍塌。因而，将掘削面的支护压力控制在一个合理的范围内，有利于盾构机的顺利掘进。在稳定性较差的松软地层中，支护压力的大小与掘削面变形息息相关，对支护压力的控制显得尤为重要。在保持其它参数不变的条件下，分别取掘削面支护压力为0.30，0.20，0.10 MPa进行计算。3种工况下，地表沉隆随掘进步的变化如图3(a)。由图3(a)可以看出，盾尾通过前，掘削面支护压力对地层的影响较大：支护压力越大，地表隆起的量值及分布范围也越大，盾尾通过后，地表的沉降受掘削面支护压力的影响较小，最大沉降量也基本相同。盾构隧道贯通后，管片结构最终受力情况如图3(b)、(c)、(d)。由图3(b)、(c)可以看出，支护压力为0.20和0.10 MPa的工况，两者计算结果相近，而支护压力为0.30 MPa时，管片结构受到的径向土压、轴力及最大正、负弯矩都具有明显增加。故当超过平衡压力后，增大支护压力将引起最终管片结构的受力增加，而当支护压力在一个合适的范围内时，改变支护压力几乎不对管片结构受力产生影响。

图3 掘削面支护压力的影响Fig.3 The influence of cutting face support pressure

2.2 盾构机超挖量

在实际工程中，盾构机通常都存在一定的超挖量，该超挖量主要由刀盘的超挖量和盾构机壳体的楔型量两部分构成，如图4。通过超挖可以达到下面两个目的：减小盾构机摩擦阻力和方便转弯。由于该楔型量的存在，虽然盾构机壳体刚度很大，但随着盾构机的推进，周围土体同样会向内移动，产生正的地层损失。

图4 盾构机超挖的构成Fig.4 The composition of over excavation of shield machine

宋二祥[13]中采用理论分析与数值计算相结合进行的研究表明，盾构超挖将引起隧道结构内力减小。在保持其它条件不变的情况下，分别取超挖量为1.0，1.5，2.0 cm进行计算，计算结果如图5。

图5 盾构机超挖量的影响Fig.5 The influence of over excavation of shield machine

从地表沉降的动态变化曲线〔图5(a)〕可以看出，在盾构机到达之前，不同超挖量下的地表隆起基本相同，或者说盾构机前方地表的隆起基本不受超挖量的影响，这与前面掘削面支护压力的影响是不同的。当盾构机通过过程中，不同超挖量对地表沉降的影响便体现出来，即超挖量越大，地表沉降越大，这种影响一直持续到隧道完全贯通后。表2显示了地表最大沉降与盾构机超挖量之间的关系。若从单位超挖量对最大沉降的贡献量值上看，超挖量小时比超挖量大时要大得多。这也从侧面说明了由于地层损失引起的地层早期变形速率是最大的，随着时间的推移，地层变形速率逐渐减小，并最终收敛(地层较好时)。

表2 不同超挖量下的地表最大沉降 Table 2 Largest surface subsidence with different over excavation volume

以超挖1.0 cm和超挖2.0 cm两种工况为例，计算结果表明，管片受到的径向土压力，前者比后者增大了23%(顶部)、15.7%(侧部)和16.6%(底部)；管片轴力增大了20.6%(顶部)、17.7%(侧部)和15.2%(底部)；管片弯矩增大了24.9%(负弯矩)和26.7%(正弯矩)。各种工况下，管片结构的受力如图5(b)～图5(d)。可以看出，减小超挖将引起管片径向土压力及轴力在管片结构整个范围内都增加，管片弯矩则体现为最大正负弯矩的增加。而且从增加的量值上看，随着超挖的减小，单位超挖量引起的结构受力改变量也随之减小。管片受到的径向土压力、管片轴力和弯矩增加，说明了地层的应力或位移释放率减小。故减小盾构机超挖量可以减小地层的应力或位移释放率，进而增大管片结构的受力。

2.3 盾尾注浆压力

由于盾尾空隙的存在，管片脱环后周围地层会出现一个临空面，使得地层向内移动。盾尾注浆的目的就是填充盾尾空隙、阻止地层移动。盾尾注浆的方式有多种，目前施工中的盾尾注浆主要采用同步注浆方式。孙闯，等[14]的研究表明：注浆压力过小，会导致地表沉降量过大；注浆压力过大，地表会产生隆起。本次数值模拟中通过向临空面施加法向压力来模拟浆液对地层壁面的支撑作用，在保持其它条件不变的情况下，分别取盾尾注浆压力为0.05，0.15，0.25 MPa进行计算，计算结果如图6。从地表的沉降曲线可以看出，在盾构机到达之前以及盾构机通过时，地表的沉隆基本上与盾尾注浆压力无关，当盾构机通过后，不同注浆压力引起的地表沉降差异开始体现出来，而且这种差异随着盾构机的推进一直存在，直到隧道完全贯通。由于注浆压力的支撑作用，地层向隧道内的挤入以及地表沉降等也就得到了控制，故注浆压力越大，地表的沉降也就越小。注浆压力与地表最大沉降之间基本上呈线性关系，如表3。

图6 盾尾注浆压力的影响Fig.6 The influence of shield tail grouting pressure表3 不同注浆压力下的地表最大沉降 Table 3 Largest surface subsidence with different grouting pressure

盾尾注浆压力/MPa0.050.150.25最大沉降/mm15.8014.4413.13

地表位移越小，说明隧道开挖引起的应力释放率或位移释放率也越小，因而增加盾尾注浆压力可以在一定程度上减小应力或位移释放率。但随着应力或位移释放率的减小，管片结构受到的径向土压力以及管片内力必然增大。各种工况下，管片结构的受力如图6(b)～(d)，可见增加注浆压力的虽然在一定程度上减小了地表沉降，但却引起管片结构的径向土压力和管片轴力大幅度增加。与管片径向土压和管片轴力不同，管片弯矩受注浆压力的影响较小，而且随着注浆压力的增加，管片弯矩还得到了一定的降低。

2.4 盾尾注浆时间

盾尾注浆的目的在于有效的填充盾尾空隙，抑制地层移动。山崎広宣，等[15]认为，盾尾注浆时间对地表沉降产生影响。盾尾注浆的最佳注入时期，应在盾构推进的同时进行注入(同步注浆)或者推进后立即注入(及时注浆)。地层的土质条件是确定注入时间的先决条件，对于易坍塌的松软地层而言，必须在盾尾空隙产生的同时对其进行背后注浆，若盾构机所在地层土质坚硬，自稳能力较强，盾尾空隙产生后地层能够较长时间稳定，并不一定非得在产生盾尾空隙的同时进行背后注浆。可见，盾尾注浆的时间决定了脱环后地层临空面的存在时间，因而对地层的移动具有一定影响。数值模拟中同样采用不同的临空面存在时间来模拟不同的盾尾注浆时间。由于具体的注浆时间难以明确界定，故模拟中仅采用“很及时”、“及时”与“不及时”来粗略地表达注浆时间的早晚。比较的基准工况为“及时”注浆，模拟中分别对“很及时”和“不及时”两种工况进行计算，计算结果如图7。从地表沉降曲线来看，盾尾注浆的时间仍然只影响盾构机通过后的地表沉降，盾尾注浆越晚，地层临空面的存在时间越长，地表沉降也就越大，如表4。

图7 盾尾注浆时间的影响Fig.7 The influence of shield tail grouting time表4 不同注浆时间下的地表最大沉降 Table 4 Largest surface subsidence with different grouting time

注浆时间很及时及时不及时最大沉降/mm13.9714.4415.46

盾尾注浆的早晚也影响盾构隧道开挖后的应力释放率，注浆越早，地层临空面存在时间越短，地层的位移或应力释放率也就越小，反之越大。故注浆也必然影响到管片结构的受力，如图7(b)～(d)。可以看出，管片上的径向土压及管片轴力受注浆时间的影响较小，而管片弯矩受注浆时间的影响较大。比较注浆“很及时”和“及时”两种工况，管片受到的径向土压，前者比后者增大了8.0%(顶部)、0.7%(侧部)和4.7%(底部)；管片轴力增大了6.3%(顶部)、3.6%(侧部)和1.5%(底部)；管片弯矩增大了15.3%(负弯矩)和16.0%(正弯矩)。

3 结 论

通过土压平衡式盾构掘进过程的数值模拟，可以得出如下结论：

1)掘削面支护压力是掘削面前方地表沉隆的主要因素，支护压力越大，地表隆起越大。当支护压力在一个合适的范围内时，改变支护压力几乎不对管片结构受力产生影响，但当支护压力超过平衡压力后，增大支护压力将引起最终管片结构的受力增加。

2)盾构机超挖量、注浆压力及注浆时间等对地层位移、结构荷载及内力均具有较大影响。超挖量越大，地表沉降越大，同时开挖引起的应力释放率越大，并使得管片结构的径向压力、轴力和最大正负弯矩均减小。增加注浆压力可在一定程度上减小地表沉降，但却引起管片结构的径向土压力和管片轴力大幅度增加，且增加了封顶块剪坏的危险。注浆越早，地层的位移或应力释放率也就越小，管片受力越大，反之位移和应力释放率较大，管片受力变小。

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