复合地层盾构掘进隧道地表沉降及支护受力分析

王双龙

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 福州 350014)

复合地层盾构掘进隧道地表沉降及支护受力分析

王双龙

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 福州 350014)

以海岛复合地层为典型代表，盾构穿越较节理发育的全风化花岗片麻岩时，地表以及地层变形难以控制，其施工安全性是需重点解决的问题之一。以厦门地铁一号线董任站～集美中心站盾构区间隧道为工程背景，对盾构穿越的典型节理复合地层盾构开挖进行数值模拟，探明了复合地层盾构施工地表沉降和支护结构力学行为特征的规律，从而为保证复合地层盾构施工安全提供指导。

复合地层；盾构法；地表沉降；节理

1 研究的意义

复合地层盾构开挖难度大，地表以及地层变形难以控制，尤其在典型上软下硬复合地层中盾构穿越节理较发育的全风化花岗岩地层时，掌子面稳定性分析、地表沉降规律以及管片力学特征等问题，均是施工安全性保障中需重点解决的问题。

国内学者针对复合地层中围岩稳定性分析、地表沉降规律等展开了研究，并取得了一些成果：如张恒等[1]通过数值模拟和现场监测，对盾构影响地表沉降的掘进参数进行了系统分析；江帆等[2]研究了盾构掘进对上软下硬土层引起的地表沉降及围岩稳定性的影响。Peck R B[3]基于大量现场监测资料，对地面沉降槽进行分析，并提出了地面横向沉降的估算公式；Mair R J和Taylor R N等[4]基于模型试验，提出粘性土地层中的沉降规律，并分析了不同埋深下沉降槽宽度系数。王为乐[5]结合长沙地铁区间盾构隧道工程，研究了不同复合地层条件下的围岩和管片变形、受力以及地表沉降。

厦门地铁一号线董任站～集美中心站盾构区间隧道，盾构穿越节理发育的全风化花岗片麻岩地层。基于3DEC离散元法，通过对盾构穿越典型节理发育地层时进行盾构开挖数值模拟，分析地表沉降规律、围岩扰动范围及管片受力特征，从而为该区复合地层盾构施工提供安全指导。

2 模型建立

2.1 计算模型的建立与假定

2.1.1 计算模型的建立

隧道开挖尺寸均为6.29 m，管片外直径6 m，内直径5.4 m，管片厚度为0.3 m；埋深大致为10～20 m，为避免边界效应，选取左右边界与隧道边缘距离约为3D～4D，下边界与隧道边缘距离约为3D(D为隧道直径)。开挖环数30环。计算模型取50m×40m×45m的长方体区，所建模型见图1。

2.1.2 计算假定

地层和注浆体模拟均采用实体单元，采用Mohr-Coulomb屈服准则；盾壳、管片采用实体单元，用弹性材料模拟；开挖步距为l.5m，即一环管片宽度；模型初始应力只考虑自重应力场。

2.2 计算参数选取

为模拟岩土体不同的性质，根据地质勘察资料，对本区间典型地层进行分层处理，其中赋予每层岩土体相关土体参数，如表1所示。本区间选用管片支护参数为C50，抗渗等级P12，选用HPB300和HRB400钢筋，管片考虑接头效应，采用等效刚度进行模拟。盾构掘进过程中，盾构管片与土体之间存在缝隙，可以在施工中通过壁后注浆来填充，将注浆层简化成等代层进行模拟，而其厚度大多根据施工经验来选取，根据张云[6-7]提出的方法，选取等代层厚度为0.145 m。

根据掌子面素描以及《工程地质手册》，数值模拟所选取节理参数为：所在地层<7Z>强风化花岗片麻岩，法向刚度2.1 GPa/m，切向刚度0.3 GPa/m，内摩擦角20.5°，粘聚力c0.10MPa，抗拉强度0.05MPa，节理密度4条/m，节理角度30°和150°。

图1 计算模型图

表1 地层、管片、等代层计算参数表

2.3 计算模拟方法

盾构推进时，为防止地表沉降，盾构机壳体起刚性支护作用，为模拟盾构机刚性支护效果，通过掌子面前4环管片和等代层赋予盾构机壳体材料参数来实现。为了方便盾构动态推进的模拟，采用面荷载模拟土仓压力，根据现场掘进参数，向掌子面施加1.5 bar(1 bar=0.1 MPa)法向力。为了模拟施工中的空间效应，采用应力释放或位移释放进行等效处理，在盾尾施加管片时，进行一定计算步释放10%围岩应力后，激活管片和等代层参数。

3 全风化—强风化花岗片麻岩复合地层盾构施工数值模拟

选取的典型复合地层包含5种地层，其地层分布如表2所示。其中，盾构穿越节理较发育的全风化花岗片麻岩地层和强风化花岗片麻岩地层(隧道轴线埋深17 m)。

表2 软岩地层分布监测及隧道埋深表

注：节理发育。

3.1 地表沉降分析

盾构动态推进过程中，刀盘距离监测断面不同距离时，监测点沉降量如表3所示。监测断面距刀盘为负值时，表示刀盘尚未到达该断面；反之，表示刀盘已通过该监测断面。

由图2、图3和表3可以看出，盾构推进过程中，刀盘距监测截面2D左右(D为隧道直径)时，监测点出现隆起，在通过监测断面之后，将会发生沉降，影响范围约为2D。隧道中心线正上方监测点CJ1隆起值和沉降值最大，监测点距隧道中心线越远，其沉降值和隆起值越小。本区间沉降警戒值为累计沉降24mm，累计隆起8mm，数值模拟计算结果是安全的。

表3 全风化—强风化花岗片麻岩复合地层监测点累计沉降 mm

图2 刀盘距监测截面不同距离砂—粘土地表沉降云图

图3 监测点纵向沉降曲线

由横向沉降曲线(见图4)可知，当刀盘在监测断面前方4.5 m左右时，地表沉降(隆起)规律呈正态分布。通过监测断面后，地表沉降槽明显。隧道中心线正上方，即CJ1点处沉降发展最迅速。盾构开挖对地表沉降影响分布在隧道中心线-15～15 m范围(约4.8D)。

图4 监测点横向沉降曲线

选取全风化—强风化地层现场实测D169-1和D169-2与数值模拟监测点CJ1结果(见图5)进行分析对比，结果表明，两者的地表最大隆起值与沉降最大值出现的位置基本一致，规律曲线也基本吻合。

图5 现场实测与数值模拟地表纵向沉降对比曲线

3.2 围岩竖向位移分析

由图6可以看出，盾构掘进过程中，在掌子面推力和隧道围岩应力释放过后，围岩在支护后的拱顶周围出现了沉降最大值，位置集中在掌子面后方4.5～6.0 m范围内，隧道上方围岩沉降范围较大，距离拱顶越远围岩沉降值越小；隧道下半部分周围围岩变形较小，仰拱隆起最大值约为0.632 mm，几乎没有隆起现象，这是由于隧道穿越上软下硬复合地层的原因。

图6 不同掘进长度围岩竖向位移分布云图

随着盾构的继续推进，刀盘通过监测断面之前，仰拱和拱顶几乎没有位移变化，刀盘通过监测断面之后，监测断面拱顶沉降在不断增大，在刀盘掘进至监测断面后方13.5 m左右时，监测断面拱顶沉降值开始达到最大，为-9.117 mm，即盾构开挖对隧道拱顶和仰拱竖向位移的影响区域大致在2D左右，如图7所示。

图7 监测断面仰拱和拱顶竖向位移

3.3 围岩剪切滑移区分布规律分析

剪切滑移是围岩失稳、发生破坏前存在的共有形态，即诱发围岩发生渐进性破坏的主要原因。根据张志强[8]对于隧道穿越节理岩体的围岩稳定性分析，采用剪切滑移区作为围岩稳定性的判定指标。进行隧道开挖数值模拟之后，得到围岩剪切滑移区如图8所示。

一般来说，节理剪切滑移存在一个限值[9]，当岩层间节理滑移值超过这个限值时，区域围岩将会发生松动，因此可根据围岩节理滑移限值来作为安全性判释标准。从图8可以看出，剪切滑移区分布集中在隧道拱肩和拱顶区域，呈“帽子型”。其中拱顶部位剪切滑移深度较大，相对其它部位偏于不安全。5 mm剪切滑移区分布深度约为拱顶上方1.5～1.7 m。

图8 剪切滑移区分布规律图

3.4 管片应力分析

由图9可知，掘进过程中管片所受最大拉应力在2～4 MPa左右，最大压应力在16～18 MPa左右，均小于《混凝土设计规范》C50混凝土的最大拉应力和最大压应力设计值，结构安全。管片受压区域主要集中在管片环上半部分，这是由于隧道穿越上软下硬地层时下部地层变形较小的原因。

4 结论

本文选取董任站～集美中心站盾构区间典型上软下硬复合地层建立数值计算模型，通过对地表沉降规律、围岩与支护结构受力及稳定性分析，对盾构开挖安全性进行了研究。

(1)现场实测表明，采用数值模拟分析实际地层情况是合理的。在上软下硬复合地层中盾构开挖引起的地表沉降有明显的沉降槽现象，隧道穿越节理地层并不影响地表沉降的正态分布规律，监测断面最大地表隆起值和沉降值分别为1.618 mm和5.178 mm，满足安全的需要。

(2)在上软下硬复合地层中，随着盾构的继续推进，在刀盘通过监测断面之前，围岩竖向位移值很小，可以忽略不计。拱顶沉降在刀盘通过监测面之后，距离监测面2D的时候达到最大值-9.117mm，而由于隧道下半部分穿越硬岩地层，故仰拱几乎没有隆起。

图9 不同掘进长度管片主应力分布云图

(3)在上软下硬复合地层盾构开挖过程中，剪切滑移区主要集中分布在隧道的拱肩和拱顶区域，可根据围岩节理滑移限值来选取剪切滑移区分布规律图作为安全性判断标准。

(4)在上软下硬复合地层盾构掘进过程中，管片以受压为主，且由于下部地层岩性强于上部地层，管片环下半部分受压比上半部分略小，管片所受的最大拉应力值在2～4 MPa左右，最大压应力值在16～18 MPa左右，均小于《混凝土设计规范》C50混凝土的拉压应力设计值，结构安全。

[1]张 恒，陈寿根，邓稀肥.盾构掘进参数对地表沉降的影响分析[J].现代隧道技术，2010(5): 48-53

[2]江 帆.盾构掘进对上软下硬土层引起的地表沉降及围岩稳定性影响分析[D].合肥：安徽建筑大学,2014

[3]PECK R B.Deep excavations and tunneling in soft ground [C]//Proc 7th in conference on soil and mechanics and foundation engineering.Mexico City：[出版者不详]，1969

[4]MAIR R J，TAYLOR R N，BRACEGIRDLE A.Subsurface settlement protiles above tunnels in clay[J]. Geotechnique，1993，43(2)：315-320

[5]王为乐.长沙地铁复合地层盾构选型与掘进参数研究[D].长沙：中南大学，2012

[6]张 云.盾构法隧道的位移反分析及其工程应用[J].南京大学学报(自然科学版)，2001(3)：334-341

[7]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

[8]张志强，何本国，关宝树.节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究[J].现代隧道技术，2012(1)：12-19

[9]林 银.TBM在特长隧道中的地质适应性及关键控制技术研究[D].成都：西南交通大学，2013

Analysis of the Ground Settlement and the Stress of the Support and Supporting Lining of a Shield-Drilled Tunnel in Composite Stratum

WANG Shuanglong

(The 6th Engineering Co. Ltd. of the 17th Bureau Group of China Railway,Fuzhou 350014,China)

With the composite stratum of the sea island as the typical representative of the composite strata,when a shield is drilling through a joint-well-developed stratum of fully-weathered granite gneiss,it is extremely difficult to control the ground surface and the deformation of the stratum,in which case the security of construction is one of the most important problems that have to be focused on and solved.With the shield-drilled section of the tunnel of Line One of the Xiamen Metro between the Dongren Station and the Jimei Central Station as the engineering background, the shield's drilling through a typical joint-well-developed composite stratum is numerically simulated in the paper,with the laws of the ground settlement and the features of the mechanical behavior of the supporting structure in the course of a shield drilling through the composite stratum made clear,upon the basis of which the shield-drilling construction is guided in time and the security of the construction is ensured.

composite stratum;shield-aided method；ground settlement；joint

2016-07-15

国家自然科学基金(51278427)；国家自然科学基金(51678503)

王双龙(1979—)，男，高级工程师，主要从事隧道工程方面的研究工作。2970902613@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.014

U452.12

B

1672-3953(2016)06-0053-05