宁波地铁1号线高流变软土地层盾构掘进参数分析

汪辉武，郭建宁，李国栋，方　　勇（.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都　　6003；.中铁一局集团有限公司，陕西 西 安　　70054）

宁波地铁1号线高流变软土地层盾构掘进参数分析

汪辉武1，郭建宁1，李国栋2，方勇1
（1.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；2.中铁一局集团有限公司，陕西 西 安710054）

对宁波地铁1号线海晏北路站—福庆北路站区间盾构施工进行三维有限元建模分析，研究盾构机在高流变海相饱和软土地层中掘进时盾尾管片注浆时间、管片注浆压力、上下顶进力差、顶进力、隧道埋深等因素对管片上浮与地表沉降的影响。结果表明:上下顶进力差与管片注浆压力对隧道管片上浮影响最大，盾尾管片注浆时间次之，埋深与顶进力影响最小；上下顶进力差、埋深、盾尾管片注浆时间与管片上浮量呈负相关关系，而顶进力、管片注浆压力与管片上浮量呈正相关关系；盾尾管片注浆时间、管片注浆压力、埋深对地表沉降产生较明显的影响，其次是上下顶进力差，而顶进力的影响较小；上下顶进力差、管片注浆压力、埋深与地表沉降量呈正相关关系，仅盾尾管片注浆时间与地表沉降量呈负相关关系。

地铁盾构；软土地层；数值模拟；管片上浮；地表沉降

盾构施工过程中，既要按照规定线路掘进以确保隧道精确贯通，同时也要控制地表沉降在合理范围内。然而工程实践表明，在盾构掘进过程中会出现姿态偏差过大使盾构掘进方向难控制等问题，特别是掘进过程中遇到具有高流变的饱和软土地层时，由于此种地层具有高含水量、高压缩性、低强度、易触变、高灵敏性等特点，很容易造成地层不能自稳，地表沉降量过大而影响地表建筑物安全，并且导致管片整体上浮、开裂、错台，乃至轴线偏位等问题。

近年来，国内外学者对于在不同地层中盾构掘进姿态问题做了大量的研究，并得出了诸多结论。李志帅［1］针对苏州富水软弱地层的特殊性，结合工程实例，通过理论研究、仿真计算以及现场试验，对软土地层盾构掘进姿态控制技术进行了深入研究。职洪涛等［2］应用有限元数值方法，模拟分析盾构管片结构设置和衬砌背后注浆造成管片结构和周围地层的位移变化特征，探讨盾构隧道上浮的变化规律。殷明伦等［3］分析了某软土地区盾构隧道工程中管片上浮事故的原因，提出了相应的控制措施。李小青等［4］采用有限元数值分析软件模拟武汉长江隧道施工过程，进行了不同影响因素的敏感性分析，并提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型。龚旭等［5］以广州地铁三号线某隧道工程为例，采用FLAC3D对盾构施工引起的地表沉降进行了数值模拟，重点讨论了隧道横、纵向沉降分布规律。王选祥［6］基于Maag球面扩散公式，对盾构隧道壁后注浆的渗透范围及对管片上浮的浮力公式进行了理论推导，并从基本盾构参数出发分析并提出了控制管片上浮的针对性措施。周海群［7］以杭州地铁1号线九九区间隧道盾构施工为工程背景，结合现场实测数据，分析了盾构施工引发地面沉降的影响因素。

本文以宁波盾构地铁1号线海晏北路站—福庆北路站区间软土地层掘进施工项目为依托，采用三维有限元模拟方法，研究在高流变海相饱和软土地层中掘进时盾尾管片注浆时间、注浆压力、上下顶进力差、顶进力、隧道埋深等因素对管片上浮与地表沉降的影响，并与该线实际施工中盾构掘进参数进行对比分析，找出不同影响因素对于盾构管片上浮的影响规律，并给出相应的建议。

1　工程概况

海晏北路站—福庆北路站隧道区间主线位于宁穿路下，起止里程为 K17+356.02—K18+103.47，长747.45 m。区间隧道断面为单线圆形隧道，隧道纵坡最大坡度为24‰，隧道顶部埋深约为9.3～16.3 m。本区间采用小松 TM634PMX土压平衡盾构机掘进。采用外径6 200 mm，内径5 500 mm的预制钢筋混凝土通用环管片，幅宽1 200 mm，厚度350 mm。混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10。

区间第四系地层发育，主要为高流变海相饱和软土地层。区间隧道姿态出现较严重恶化段为138环～264环，隧顶覆土厚12.4 m，线路主要穿越③1粉砂地层与③2粉质黏土夹粉砂地层。该地层呈流塑状，强度低，具有易触变、压缩性强、高灵敏性等特点。具体地质剖面见图1。

图1　地质剖面

场区地下水由浅部土层中的潜水、砂性土中的微承压水及深部粉（砂）性土层中的承压水组成。勘察期间实际测得的地下水初见水位为1.2～3.6 m。

2　盾构掘进参数影响数值模似

2.1基本假设

采用FLAC3D有限元软件建立了盾构掘进三维模型，对模型的模拟作出以下假设：

1）管片的六环作为一个整体环计算，只将其刚度进行折减；

2）选取半结构进行计算；

3）盾尾注浆采用等代层进行模拟；

4）盾构机简化为刚度很大的钢筒；

5）盾尾注浆强度随时间变化曲线简化为几段折线；

6）盾尾千斤顶上下顶进力差从顶进面处从上到下呈线性分布。

2.2模型尺寸与边界条件

由于一般隧道开挖对周围围岩的影响为3D～5D （D为隧道直径），确定模型尺寸为51 m（轴向）×37 m（横向）×43 m（竖向）。因为在盾构机上浮比较严重的地段盾构机埋深约为12.4 m，因此建模时埋深取为12.4 m。模型两侧边界施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束。建立的有限元模型见图2。

2.3计算参数

根据图1所示的土层情况、地质勘察资料以及线路设计图纸，将土层简化为7层，其基本物理力学参数见表1。

管片衬砌与注浆层材料物理力学参数见表2。

图2　计算模型

表1　土体基本物理力学参数

表2　管片衬砌及注浆层材料物理力学参数

2.4盾构掘进过程模拟

为了更好地反映盾构掘进过程中的开挖情况，采用改变材料参数的动态模拟方法进行计算。主要通过预先设置好管片以及注浆等代层的材料参数，采用材料的“生”“死”和改变材料参数的方法实现。盾构掘进时，将被掘进的土层材料参数修改为盾构机材料参数，接着施加径向注浆压力以及开挖面注浆压力，紧接着在后方管片施加顶进反力。对于上下顶进力差值的模拟采取在盾尾以及管片最前端施加等梯度变化的应力来代替施工中竖直方向的上下顶进力差。监测盾尾脱出距离，达到一定值后，激活管片衬砌与注浆层单元，然后进行下一步掘进。模拟掘进时，每一步掘进3 m，一共掘进48 m。

2.5监测点布置

为了选取合理的监测位置，在隧道轴线方向36 m处设置监测点。在隧道顶部与底部设置2个位移监测点，另外在该断面顶部设置10个地表沉降监测点。因为本次模型采用半结构进行计算，因此在另外半结构对称位置设置9个测点。具体情况见图3。

图3　监测点布置（单位：m）

3　数值模拟结果分析

本次模拟计算研究在高流变海相饱和软土地层中掘进时盾尾管片注浆时间（计算中采用不同释放步数代替）、注浆压力、上下顶进力差（以其所形成的弯矩来计算）、顶进力、隧道埋深这5个因素对管片上浮以及地表位移的影响。

首先选取注浆压力0.15 MPa，顶进力9 500 kN，埋深12.4 m的初始工况进行掘进模拟，采取控制变量的原则对每一个变量对隧道掘进的影响进行分析。具体分析因素及其控制变量见表3。

表3　具体分析因素及其控制变量

3.1盾尾管片注浆时间对盾构机掘进的影响

采用FLAC3D有限元软件中不同大小的释放步数来模拟实际施工中的盾尾管片注浆时间。根据已做的模拟计算分析，采用释放步数为0～150步来进行计算与实际施工情况相符。

不同释放步数与隧道管片位移的关系见图4。可见：①掘进过程中不管释放步数多大，隧道底部均有隆起的情况（位移为正）；随着释放步数的增加，顶部与底部位移改变量均在逐渐增大，尤其是释放步数在0 ～40步时，顶部与底部的位移变化率为2.5 mm/步，表明在饱和软土地层中，及时注浆对控制位移尤为重要。②释放步数在150步以内时，虽然增加释放计算步数对控制管片上浮有一定的积极作用（管片最大上浮量相比于释放步数为0时减小11.33 mm），但过大的释放步数对于控制管片位移及地表沉降均不利，盾构施工应及时注浆。

图4　不同释放步数与隧道管片位移的关系

图5为盾构掘进通过监测点以后所形成的沉降槽。由图可知：①释放步数从0增至80步时地表最大位移增加近45 mm，且释放步数对沉降的影响较大，变化率约为0.87 mm/步，这表明及时注浆对于控制地表沉降具有明显作用。②释放步数从80增至150步时，地表沉降变化约3.2 mm，且从图4可看出释放步数在100步之后，隧底与隧顶位移也基本收敛，表明隧道已经达到初期稳定，所以沉降变化不大。③不同释放步数对沉降槽宽度影响较小，宽度均大致为6.5 m。

图5　不同释放步数下隧道地表沉降变化曲线

3.2上下顶进力差的影响

盾构掘进时，改变上下顶进力差是控制盾构机姿态的基本方法。针对宁波软土地层，盾构机对推力反应很敏感，上下顶进力差设置非常重要。当地层较软、埋深较浅时，推力小，盾构机栽头严重。为了维持盾构机姿态，施工中有时上下顶进力差最大达到5 000 kN，才能维持盾构机不栽头。由于盾尾千斤顶上下顶进力差从顶进面处从上到下呈线性分布，故会在盾构机掌子面处形成一定弯矩，所形成的弯矩大小由上下顶进力差值大小来控制。

图6为上下顶进力差所形成的弯矩与隧道管片位移的关系。可见：①随着上下顶进力差的变化，隧底隆起及隧顶沉降都有近似呈线性上升的趋势。②当上下顶进力差所形成的弯矩从1 000 kN·m变化为7 000 kN·m时，管片上浮量从106.01 mm减少至96.43 mm，表明随着上下顶进力差的增加管片上浮更容易被控制。随着上下顶进力差所形成的弯矩增加，管片上浮量变化逐渐趋于平缓，尤其当上下顶进力差所形成弯矩超过6 000 kN·m后，管片上浮量保持在0.2 mm左右幅度变化，表明此时上下顶进力差对管片上浮影响已经不大。③虽然随着上下顶进力差的增大，管片上浮情况容易被控制，但是过大的上下顶进力差会造成管片之间的差异性位移，从而形成管片错台现象。所以施工时应根据工程实际采取适宜的上下顶进力差值。本次施工建议上下顶进力差取3 000～5 000 kN。

图6　上下顶进力差所形成的弯矩与隧道管片位移的关系

图7为不同上下顶进力差下隧道横向地表沉降的变化曲线。可知：①随着上下顶进力差的逐渐增大，地表最大沉降逐渐减小，曲线拟合后沉降槽的宽度基本在6.5 m左右，变化不大。②随着上下顶进力差的逐渐增大，沉降槽两侧出现隆起的情况，且隆起变化趋势大于沉降趋势。

图7　不同上下顶进力差下隧道横向地表沉降变化曲线

3.3管片注浆压力的影响

在盾构掘进过程中，要对盾尾脱离形成的空隙进行填补注浆，以保证围岩与管片的紧密性，使得周围的土体得到支撑，控制地表沉降。注浆时，注浆压力直接作用在围岩以及管片上，随着浆液的凝固，注浆压力随之改变。注浆压力的变化对地表沉降以及管片内力都有较大的影响。

图8为隧道管片注浆压力与管片位移的关系。可见：①随着管片注浆压力的增加，隧底隆起及隧顶沉降都能得到有效控制，近似呈线性趋势收敛。②管片注浆压力的改变对于隧道在土体中的上浮影响较大。注浆压力从0.1 MPa增至0.2 MPa时，管片上浮量呈小幅度减小趋势；达到0.2 MPa以后，随着注浆压力的增大，管片上浮量呈线性增大趋势。当盾尾管片注浆压力为0.2 MPa时管片上浮值最小（约113 mm）。为减小地表沉降以及管片上浮，并结合工程实际情况，本区间建议注浆压力取0.2～0.3 MPa。

图9为不同管片注浆压力下隧道横向地表沉降变化曲线。可见：①管片注浆压力对于地表沉降存在较大的影响，随着注浆压力由0.1 MPa增至0.4 MPa，地表沉降最大值从-48.5 mm增至27.2 mm，增加速率约为9 mm/MPa。②管片注浆压力的改变对于沉降槽宽度影响不大，随着注浆压力由0.1 MPa增至0.4 MPa，沉降槽宽度从8.3 m减小至6.5 m。

3.4隧道埋深的影响

图10为隧道埋深与管片位移的关系。由图可见：①隧道埋深处在5～12.4 m时，隧顶沉降、隧底隆起均随隧道埋深的增大而增加。隧道埋深增大至12.4 m后，随着埋深的增加隧道顶部与底部位移基本不变。这是因为在软土地层浅覆土情况下隧道埋深的改变对隧道顶部以及底部位移的影响较敏感，施工时应注意随埋深控制掘进参数。②隧道埋深＞12.4 m时，管片上浮、隧顶沉降以及隧底隆起均未发生较大变化，而隧道埋深＜12.4 m时，隧道埋深越浅管片上浮越严重，近似呈线性发展，变化率约为5.8 mm/m。

图10　隧道埋深与管片位移的关系

图11为不同埋深下隧道横向地表沉降变化曲线。可知：隧道埋深对于地表沉降存在较大的影响，当隧道埋深由5 m增至12.4 m时，地表从22.5 mm的隆起下沉至-38.5 mm，但隧道埋深＞12.4 m后，地表沉降曲线基本不发生变化。证明隧道埋深取12.4 m比较合理。另外，随着埋深的改变，地表沉降槽宽度基本保持在7 m左右，变化不大。

3.5顶进力的影响

盾构掘进过程中，一般采用千斤顶对泥土仓内土体施加压力来平衡掌子面水土压力，但是由于掌子面土体压力大小的不确定性，很难达到真正意义上的平衡。压力的不平衡会直接造成地表的沉降或隆起，因此顶进力值是盾构隧道施工时一个很重要的参数。

图12为顶进力与隧道管片位移的关系。由图可见：①随着顶进力从8 000 kN增至14 000 kN，隧底隆起情况基本不变，隧顶沉降量从89.3 mm逐渐减至73.6 mm，表明改变顶进力能够在一定程度上控制隧顶位移。②随着顶进力的增加，管片上浮量近似呈线性增加，每增加1 000 kN顶进力，管片上浮量增加约6 mm。

图13为不同开挖顶进力下隧道横向地表沉降变化曲线。由图可见：几条沉降槽曲线基本重合，只存在一定的隆起趋势，说明其对位移的影响不大。随着顶进力的增加，地表最大沉降逐渐减小。顶进力每增加1 000 kN，地表沉降量减小约0.5 mm。

图13　不同开挖顶进力下隧道横向地表沉降变化曲线

4　现场施工掘进分析

参照数值模拟结果，并结合实际施工中的各种影响因素，在宁波地区软土地层掘进，区间隧道顶部埋深10.43～12.89 m，顶进力控制在900～11 000 kN，掘进速度能到达25～45 mm/min，土仓压力与理论计算值基本吻合，且能有效地控制地表沉降。注浆压力控制在0.25～0.33 MPa，注浆量控制在4～5 m3，注浆泵流量为90～135 L/min。盾构掘进至206～229环时盾构机竖直姿态曲线见图14，盾构机上下顶进力差随掘进环数变化曲线见图15。

图14　盾构机竖直姿态曲线

图15　盾构机上下顶进力差随掘进环数变化曲线

考虑数值模拟结果建议值后，实际施工中地表沉降控制在42 mm以内，管片上浮控制在31 mm以内，可见数值模拟建议值合理。

5　结论与建议

1）在改变注浆压力与采用不同释放步数情况下，始终都会出现隧道的上浮。建议施工过程中，采用盾构掘进轴线适当低于隧道设计中线以保证隧道轴线偏差控制在设计允许范围内。

2）在盾构掘进过程中，影响隧道管片上浮的主要因素是上下顶进力差与管片注浆压力，其次是盾尾管片注浆时间、隧道埋深与顶进力。上下顶进力差、隧道埋深、盾尾管片注浆时间与管片上浮量呈负相关关系，顶进力、管片注浆压力与管片上浮量呈正相关关系。

3）隧道开挖完成后，由于宁波土层高流变的性质，盾尾管片注浆时间、管片注浆压力、隧道埋深对地表沉降产生较明显影响，其次是上下顶进力差，顶进力的大小对地表沉降影响较小。这些影响因素中与地表沉降量呈正相关关系的是上下顶进力差、管片注浆压力与隧道埋深，与地表沉降量呈负相关关系的是盾尾管片注浆时间。而影响沉降槽宽度的主要因素是管片注浆压力与上下顶进力差，其余因素影响不大。

4）根据数值模拟结果与工程实际情况建议：及时注浆，注浆压力0.2～0.3 MPa；埋深设计建议尽量较大，如埋深较浅，重点调整顶进力值与管片注浆压力大小；施工时顶进力建议取9 500 kN；管片出现上浮情况时，合理改变盾构机上下顶进力差进行调整，调整范围为3 000～5 000 kN。

［1］李志帅.软土地层盾构掘进姿态控制技术研究［D］.北京：北京交通大学，2013.

［2］职洪涛，路明鉴，杜守继.盾构隧道通缝拼装管片上浮的数值模拟分析［J］.地下空间与工程学报，2007，3（增 2）：1480-1483.

［3］殷明伦，张阳玉，王睿.某软土地层盾构隧道管片上浮事故分析［J］.市政技术，2014，32（5）：70-72，82.

［4］李小青，朱传成.盾构隧道施工地表沉降数值分析研究［J］.公路交通科技，2007，24（6）：86-91.

［5］龚旭，慎乃齐，李标.土压平衡盾构隧道施工引起的地面沉降分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009（增1）：395-399.

［6］王选祥.盾构隧道管片上浮机理及控制技术［J］.铁道建筑，2009（5）：52-55.

［7］周海群.软土地层盾构施工中掘进速度对地面沉降的影响分析［J］.铁道建筑，2012（3）：45-48.

（责任审编葛全红）

Analysis of Shield Driving Parameters for High Rheological Soft Soil on Ningbo Metro Line 1

WANG Huiwu1，GUO Jianning1，LI Guodong2，FANG Yong1
（1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chendu Sichuan 610031，China；2.China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054，China）

Interval shield construction of Haiyan north road station to Fuqing north road station in Ningbo M etro Line 1 was modeled and analyzed by three-dimensional finite element，and the effects of segmental lining grouting time at the tail，grouting pressure，jacking force difference between top and bottom，jacking force and tunnel buried depth on segmental lining floating and surface settlement was studied during shield machine excavation in the high rheological marine saturated soft soil stratum.T he results showed that jacking force difference between top and bottom and segmental lining grouting pressure has the largest influence on segmental lining floating，followed by the effect of segmental lining grouting time at the tail，and jacking force and tunnel buried depth has the least effect，jacking force difference between top and bottom，tunnel buried depth and segmental lining grouting time at the tail has a negative correlation with the amount of segmental lining floating，jacking force，segmental lining grouting force has a positive correlation with the amount of segmental lining floating，segmental lining grouting time at the tail，segmental lining grouting force and tunnel buried depth has a obvious effect on surface settlement，followed by jacking force difference between top and bottom，and effect of jacking force is small，the jacking force difference between top and bottom，segmental lining grouting force，tunnel buried depth has a positive correlation with the amount of surface settlement，and only the segmental lining grouting time at the tail has a negative correlation with the amount of surface settlement.

M etro shield；Soft soil stratum；Numerical simulation；Segmental lining floating；Surface settlement

汪辉武（1992— ），男，硕士研究生。

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.13

1003-1995（2016）07-0049-06

2015-12-10；

2016-04-28

国家自然科学基金（51278422，51578460）；国家科技支撑计划 （2012BAG05B03）；四川省青年科技基金（2012JQ0021）