软土盾构隧道基底加固对长期沉降的影响分析

龚彦峰，王爱武，周坤，刘新根，陈瑜嘉

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.水下隧道技术湖北省工程实验室，湖北 武汉 430063；3.广东珠三角城际轨道交通有限公司，广东 广州 510230；4.上海同岩土木工程科技股份有限公司，上海 200092)

软土盾构隧道基底加固对长期沉降的影响分析

龚彦峰1，2，王爱武3，周坤2，刘新根4，陈瑜嘉4

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.水下隧道技术湖北省工程实验室，湖北 武汉 430063；3.广东珠三角城际轨道交通有限公司，广东 广州 510230；4.上海同岩土木工程科技股份有限公司，上海 200092)

在富水软弱地层中，如何预测及控制地层扰动引起的长期固结沉降一直是盾构隧道施工面临的重要问题之一。基于FEM-FDM水土完全耦合理论，利用同济曙光三维有限元软件，分析了珠海某隧道软土区段局部加固对盾构施工引起的土体工后长期固结沉降的影响规律。数值计算结果表明：地层及隧道拱顶长期沉降槽随埋深增大逐渐变深变窄；盾构隧道基底加固分别使地表及隧道拱顶的最大沉降量减小34.2%和27%，且使二者更快趋于稳定，但对隧道结构变形的影响并不明显；加固会使隧道竖向应力有所增大，但不会改变其沿隧道轴向的分布规律；有基底加固时隧道拱腰处的超孔隙水压力消散更快，使得固结沉降更快趋于稳定。

隧道工程；软弱地层；固结沉降；水土耦合；盾构施工

0引言

近20年来以解决城市交通压力、节约城市用地等为主要功能的地下交通隧道建设在我国得到了飞速发展，据住房和城乡建设部公布的数据，到2014年为止，我国地铁总运营里程已达2 900多km，规模居世界第一，在未来将得到进一步的发展。盾构施工因占地少，作业安全，不受外部环境影响及对地层扰动小等优势，在建设地铁等地下隧道中发挥了巨大作用[1]。但在富水软弱地层中，盾构掘进施工不可避免会对地层产生一定的扰动，产生超孔隙水压从而引起工后地层长期沉降[2]。一旦地层沉降控制不当就会严重危及邻近建筑物基础、地下管线的安全[3]。

国内外许多学者已对盾构施工引起的地层变形进行了大量的研究，然而这些研究中大部分都是集中在隧道施工过程产生的土体变形[4-8]，而对于施工扰动土体引起的长期固结沉降研究相对较少。但是有关工程实例及研究表明，在软土地区，隧道施工扰动引起的土体长期沉降占总沉降的比例可达30%～90%[9]。因此分析研究盾构施工引起软土体的长期沉降具有重要意义。

隧道软弱下卧地基加固处理是提高软土地基承载力与控制其压缩沉降的传统方法[10]。基于FEM-FDM水土耦合理论，笔者利用同济曙光三维有限元分析软件，模拟了珠机某隧道软土区段盾构施工引起的土体工后长期固结沉降，分析了基底局部区域加固与不加固对地层长期沉降的影响规律。

1FEM-FDM水土耦合理论

水土耦合理论的控制方程可由平衡方程式与连续方程式组成，具体的推导过程可参考相关文献[11-12]。

平衡方程式：

(1)

连续方程式：

(2)

对上述控制方程进行空间/时间离散时，平衡方程采用传统的有限元方法进行离散，而连续方程式则采用K.AKAID等[13]提出的有限后差分法进行离散。其中位移的形函数由单元节点给出，而超孔隙水压只在单元重心处给出。最终FEM-FDM水土耦合理论的有限元方程式可写为：

(3)

2数值分析模型与计算方法

2.1本构模型

目前，在数值模拟中常用的本构模型主要包括莫尔-库伦模型和修正剑桥模型[14]。其中，莫尔-库伦模型具有建模简单、 参数较少且易于确定等优点，在工程中被广泛应用，但其不能很好地模拟卸荷工况下的变形。

修正剑桥模型作为经典的弹塑性模型，其参数很容易通过常规试验确定，可较好地模拟淤泥质黏土等软弱地层的变形特性，但该模型计算效率低，并不适合较大模型。

为了兼顾两种模型的优点，采用两种模型相结合的方法，即距隧道轴心小于3D(D为隧道直径)的土层采用修正剑桥模型，之外的土层采用莫尔-库伦模型。

图1等代层示意Fig.1Diagram of equivalent circle zone

2.2注浆层模拟

盾构开挖的同时，盾尾进行同步注浆，通过一定的压力将浆液压入盾尾空隙，以阻止由于盾壳脱开后空隙造成的地层损失。为模拟注浆层，将一些与施工密切相关但又不易量化的变量(如盾尾空隙的大小、注浆充填程度、隧道壁面土体受扰动的程度和范围等)概化为均质、等厚的等代层[15]，其示意图和模型图如图1，这样能较客观地反映这些不易量化因素对地表位移的综合影响，避免研究过程中的顾此失彼，达到既能反映工程的实际情况，又能简化计算模型的目的。等代层厚度可取为

δ=η·Δ

式中：Δ为盾尾空隙的理论值(盾构外径与衬砌外径差值的一半，单位：mm)；η为折减系数，取值范围为0.7～1.5。

2.3隧道基底加固模拟

当隧道洞身完全位于流塑状淤泥质地层中，由于地层承载力较低，需要对隧道下卧土体进行局部加固，以增强基底承载力，防止地层变形过大。隧道基底加固的方法有很多，笔者主要研究旋喷加固法，根据实际工程情况，采用φ800竖直旋喷桩进行加固，并采用42.5级以上的普通硅酸盐水泥，旋喷加固后，土体28 d无侧限抗压强度不小于2.0 MPa，渗透系数不大于10-7cm/s。基底加固示意图如图2，旋喷桩大样图如图3，盾构到达前对相应区段进行地层加固，加固范围为拱腰以下，隧道底5 m，图中所示加固范围为旋喷桩中心距离。

图2基底加固Fig.2Basement reinforcement

同济曙光有限元软件渗流模块基于FEM-FDM水土完全耦合理论，可以很好地模拟岩土工程中涉及水土耦合相互作用的工程问题。笔者利用同济曙光有限元软件对饱和软土地层盾构隧道基底有加固和无加固的长期沉降进行数值模拟，分析注浆加固体对地层及隧道结构长期沉降的影响规律。

图3旋喷桩大样(单位：mm)Fig.3Sketch of jet grouting piles

3工程概况

3.1地质概况

珠机某隧道位于海积平原，地势平坦，洞顶埋深15.4 m，隧道外径8.5 m，隧道穿越的为流塑状淤泥质地层，洞顶上方为粉砂和人工填土，洞底下方为中砂层和花岗岩地层，其地质剖面图如图4。各土层物理力学参数如表1。

图4地质剖面(单位：m)Fig.4Geologic section profile

表1材料物理力学参数Table 1Physical and mechanical parameters of material

注：NA表示本构模型不存在该参数

3.2计算模型

由于地基为半无限空间，有限元计算时通常截取一定范围的地基土体，吕爱钟等[16]的计算结果表明，当计算模型的水平范围取为5～6D以上时可获得较好的计算精度。根据土层分布情况，取计算模型尺寸为x方向110.5 m，y方向51.43 m，z方向80 m，隧道中轴线埋深21.68 m。计算模型如图5。隧道结构及盾壳采用线弹性壳单元来模拟，用0.8刚度折减系数来体现环向接头的影响[17]。土体的加固效果以增加土体强度的方法进行模拟。

图5计算模型(单位：m)Fig.5Calculation model

模型采用位移边界条件，前后、左右侧面均施加法向位移固定约束，底面施加竖向位移固定约束。模型除底部边界设为非排水面外，其余边界均为排水面，土体与衬砌间边界设为非排水边界。

数值模拟时首先根据土体自重进行平衡计算，从而确定初始应力；然后进行隧道土体开挖模拟并施加管片衬砌，最后进行固结沉降计算。

初始状态地层、隧道及其下方加固土体和管片局部放大图如图6，开挖到隧道中部时，管片及开挖面处局部放大图如图7。

图6加固区示意Fig.6Sketch of the reinforced area in the model

图7管片局部放大Fig.7Local enlargement of pipe segment

4计算结果分析

4.1加固对地表沉降的影响

施工后490 d，隧道基底有加固和无加固时地表横向沉降槽的曲线如图8，地表下6 m地层横向沉降槽曲线如图9，地表下12 m地层横向沉降槽如图10。有无基底加固时，隧道中心上方地表沉降随时间变化曲线如图11。

图8地表沉降槽曲线Fig.8Ground surface settlement trough curve

图9地表下6 m地层沉降槽曲线Fig.9Settlement trough curve of 6 m stratum below the ground surface

图10地表下12 m地层横线沉降槽曲线Fig.10Settlement trough curve of 12 m stratum below the ground surface

图11隧道中心上方地表沉降的时程曲线Fig.11Time history curve of ground surface settlement above the tunnel center

由图8～图10可知，有无加固时，不同埋深地层的沉降槽曲线均符合高斯分布，最大沉降点均在隧道中心上方；随着埋深的增加，地层沉降槽宽度减小，最大沉降量增大，说明有无加固时沉降槽的变化规律相同。从沉降量上来看，有加固时地表、埋深6 m和12 m地层比没有加固时减少了8.5 mm、9 mm和10 mm，表明加固对地层沉降的影响程度不同，地层埋深越深，加固起到的降低沉降的作用越明显。

由图11可得，隧道基底有加固和无加固时，地表沉降都随着时间增加而增大，但在固结490 d后有加固的地表沉降最大值比无加固时减少了8.535 mm，约为后者的34.2%；同时可以发现，有无基底加固时，地表的沉降速率都随时间增加而逐渐减小，但有加固时沉降速率明显比无加固沉降速率大，到固结490 d后有加固的沉降基本趋于稳定了，而无加固的沉降仍需一段时间才能达到稳定。由此可知，基底加固对减少饱和软土地层的长期沉降有显著的作用。

4.2加固对隧道结构变形的影响

有无基底加固时，隧道结构拱腰水平位移和拱顶沉降随时间变化曲线分别如图12和图13，隧道水平和竖直方向上的净空收敛值随时间变化曲线分别如图14和图15。

由图12和图13可知，隧道基底有加固和无加固时，拱顶沉降和拱腰水平位移随时间的变化规律相似，即沉降和水平位移都随时间增大，但二者的增大速率逐渐减小。由图13可得，490 d时，有基底加固的隧道拱顶沉降比无加固时减少9.6 mm，约为未加固时的27%，且此时沉降增加速率基本趋于稳定。由图12可得，有加固时拱腰的水平位移比未加固时有较小的增加。

图12隧道拱腰水平位移时程曲线Fig.12Time history curve of horizontal displacement of tunnel arch

图13隧道拱顶沉降时程曲线Fig.13Time history curve of settlement of tunnel vault

由图14和图15可得，从施工结束到工后490 d，基底有加固时隧道的水平方向净空收敛比无加固时大1.3～1.7 mm，但竖直方向净空收敛小0.9～2.5 mm，由此可见，基底加固对隧道水平和竖直方向的变形影响较小。

图14隧道水平净空收敛时程曲线Fig.14Time history curve of horizontal clearance converge of tunnel

图15隧道竖向净空收敛时程曲线Fig.15Time history curve of vertical clearance converge of tunnel

4.3加固对隧道结构内力的影响

固结491 d时，有无基底加固工况下隧道管片竖向应力云图分别如图16和图17。

由图16可以看出，无基底加固时管片最大竖向应力出现在腰部，且内侧受拉、外侧受压，其值分别为7.82 MPa和10.16 MPa；由图17可以得出，有基底加固时竖向应力沿管片的分布规律与无加固时相同，其腰部内侧和外侧的竖向应力分别为9.85 MPa和12.67 MPa，比无加固时增加了26%和24.7%，表明基底加固对管片的应力影响较为显著。

图16无基底加固时隧道管片的竖向应力云图(单位：kPa)Fig.16The vertical stress contour of tunnel segments without base reinforcement

图17有基底加固时隧道管片的竖向应力云图(单位：kPa)Fig.17The vertical stress contour of tunnel segments with base reinforcement

4.4加固对超孔隙水压的影响

有无基底加固时，隧道左侧拱腰处的超孔隙水压随固结时间的变化曲线如图18。

图18隧道拱腰处超孔隙水压时程曲线Fig.18Time history curve of the excess pore water pressure of tunnel arch

由图18可得，固结时间相同时，无加固下隧道拱腰处超孔隙水压值总是比有加固时大，但两种工况下其值随固结时间的变化规律相似，都是随固结时间的增加而减小，在前100 d，超孔隙水压迅速减小，分别比初始值减少了75%和78%，固结时间大于100 d时，超孔隙水压缓慢减小并趋于稳定，分别比初始值减少了93.6%和96%，说明有加固时隧道拱腰处的超孔隙水压消散速度更快，使得固结沉降更快趋于稳定。

5结论

利用同济曙光三维有限元分析软件，对软土地层隧道盾构掘进对周围土体产生扰动而引起工后地层长期固结沉降进行了数值模拟分析，并对有无基底加固两种工况下地层沉降及隧道变形规律进行了对比分析，得出以下结论：

1) 土体长期沉降量及沉降槽宽度会随固结时间不断增大；当固结时间一定时，地层最大沉降值随地层埋深增大而增大，而沉降槽的宽度随之减小，但土体固结引起的沉降随着土体埋深增大而减小。

2) 随着时间的推移，隧道拱顶和拱底均表现为沉降，拱腰两侧有向外的水平位移，隧道结构变形主要发生在工后90 d内。

3) 有基底加固的隧道拱顶沉降比无加固时减少27%，且其更快趋于稳定。隧道基底加固能有效减小拱顶沉降，但对隧道结构的变形影响不明显。

4) 基底加固不改变隧道管片的竖向应力分布规律，但会使其最大增大24.7%。

5) 有基底加固时，隧道拱腰处的超孔隙是压力消散的更快，因而固结沉降更快趋于稳定。

本研究通过数值分析方法表明了在软弱地层中盾构隧道局部下卧土体的加固不仅可以减小长期沉降大小，而且可以使固结沉降时间缩短，可为实际盾构施工时控制地层沉降提供一定的依据。

[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：1-22.

ZHOU Wenbo.ConstructionTechnologyandApplicationofShieldTunneling[M].Beijing：China Architecture & Building Press，2004：1-22.

[2] 华志刚.富水软弱地层盾构掘进引起长期沉降研究[D].北京：北京交通大学，2013.

HUA Zhigang.StudyonLong-termSettlementCrossedbyShieldTunnelingWater-richSoftSoil[D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2013.

[3] 陈海丰，袁大军，王飞，等.软弱地层地铁盾构下穿高铁的安全控制技术研究[J].土木工程学报，2015，48(增刊1)：256-260.

CHEN Haifeng，YUAN Dajun，WANG Fei，et al.Study on safe control of metro shield under passing high-speed railway in weak stratum[J].ChinaCivilEngineeringJournal，2015，48(Sup 1)：256-260.

[4] 黄茂松，王卫东，郑刚.软土地下工程与深基坑研究进展[J].土木工程学报，2012，45(6)：146-161.

HUANG Maosong，WANG Weidong，ZHENG Gang.A review of recent advances in the underground engineering and deep excavations in soft soils[J].ChinaCivilEngineeringJournal，2012，45(6)：146-161.

[5] GONZALEA C，SAGASETA C.Patterns of soil deformations around tunnels, application to the extension of madrid metro[J].ComputersandGeotechnics，2001，28(6)：445-468.

[6] MAIR R J.Tunneling and geotechnics：new horizons[J].Geotechnique，2008，58(9)：695-736.

[7] TADASHI H，JUNICHI N，TAKAHIRO K.Prediction of ground deformation due to shield excavation in clayed soil[J].SoilsandFoundations， 1999，39(3)：53-61.

[8] 王冠琼.宁波轨道交通盾构隧道地表变形规律研究[D].宁波：宁波大学，2014.

WANG Guanqiong.StudyontheGroundDeformationLawofShieldTunnelinNingboRailTransit[D].Ningbo：Ningbo University，2014.

[9] SHIRLAW J N.Observed and calculated pore pressure and deformations induced by an earth balanced shield：discussion[J].CanadianGeotechnicalJournal，1995，32(1)：181-189.

[10] 周梁，廖少明，史宁强，等.隧道软弱下卧地基注浆加固试验[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(6)：880-884.

ZHOU Liang，LIAO Shaoming，SHI Ningqiang，et al.In-situ test of grouting reinforcement for subway tunnel foundation in soft ground[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)2010，29(6)：880-884.

[11] 张锋.计算土力学[M].北京：人民交通出版社，2007：144-160.

ZHANG Feng.ComputationalSoilMechanics[M].Beijing：China Communication Press，2007：144-160.

[12] BORJA R.Conservation laws for three-phase partially saturated granular media[J].UnsaturatedSoils：NumericalandTheoreticalApproaches， 2005，94：3-14.

[13] AKAI K，TAMURA T.Numerical analysis of multi-dimensional consolidation accompanied with elastic-plastic constitutive equation[J].JournalofJapaneseCivilEngineeringSociety， 1978，269：95-104.

[14] 侯伟，韩煊，王法，等.采用不同本构模型对盾构施工引起地层位移的数值模拟研究[J].隧道建设，2013，33(12)：989-994.

HOU Wei，HAN Xuan，WANG Fa，et al.Numerical simulation of ground settlement induced by shield tunneling using different constitutive models[J].TunnelConstruction，2013，33(12)：989-994.

[15] 张云.土质隧道土压力和地层位移的离心模型试验及数值模拟研究[D].南京：河海大学，2000.

ZHANG YUN.CentrifugeModelTestandNumericalModeloftheEarthPressureandSoilDisplacementforTunnelinSoil[D].Nanjing：Hohai University，2000.

[16] 吕爱钟，蒋斌松，尤春安.位移反分析有限元网格划分范围的研究[J].土木工程学报，1999，32 (1)：26-30.

LV Aizhong，JIANG Binsong，YOU Chun’an.Study on range of mesh about finite element for back analysis of displacement[J].ChinaCivilEngineeringJournal，1999，32 (1)：26-30.

[17] 于宁，朱合华.盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析[J].岩土力学，2004，25(2)：292-296.

YU Ning，ZHU Hehua.The simulation of shield tunnel construction and analysis of its influence upon surrounding environments[J].RockandSoilMechanics，2004，25(2)：292-296.

(责任编辑：朱汉容)

Influence of Base Reinforcement of Shield Tunnel on the Long-Term Settlement in Soft Soil Stratum

GONG Yanfeng1，2，WANG Aiwu3，ZHOU Kun2，LIU Xin’gen4，CHEN Yujia4

(1.China Railway SIYUAN Survey & Design Group Co.Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，P.R.China; 2.Engineering Laboratory of Underwater Tunnel Technology of Hubei Province，Wuhan 430063，Hubei，P.R.China; 3. Guangdong Pearl River Delta Intercity Railway Co.Ltd., Guangzhou 510230, Guangdong, P.R.China;4.Shanghai Tongyan Civil Engineering Technology Co.Ltd.，Shanghai 200092，P.R.China)

In water-rich soft soil stratum，how to predict and control the long term consolidation settlement induced by ground disturbance in the shield tunnel construction is one of the important problems.Based on soil-water fully coupling theory in the FEM-FDM scheme，the influence rule of the local reinforcement of the soft soil section of one tunnel on the long-term post consolidation settlement of soil caused by shield tunneling construction was analyzed by using GeoFBA3D software.The numerical calculation results indicate that the long-term settlement trough of the soft stratum and the tunnel vault becomes deeper and narrower with the increase of the buried depth.The maximum settlements of the ground surface and tunnel vault caused by the base reinforcement in shield tunneling construction are reduced by 34.2% and 27% respectively，and both of them tend to be more stable，but the influence on the deformation of the tunnel structure is not obvious.The reinforcement will make the vertical stress of tunnel increase，but it does not alter its axial distribution rule along the tunnel; furthermore，the excess pore water pressure of tunnel arch with the base reinforcement dissipates faster，which makes the consolidation settlement tend to be stable faster.

tunnel engineering; soft stratum; consolidation settlement; soil-water coupling; shield construction

U455.43

A

1674-0696(2017)10-019-07

2016-06-30；

2016-08-30

龚彦峰(1969—)，男，河南鹿邑人，博士，教授级高级工程师，主要从事隧道及地下工程的设计及研究工作。E-mail: tsygyf@126.com。

王爱武(1967—)，男，湖南攸县人，硕士，高级工程师，主要从事土木工程技术研究及管理工作。E-mail: wawwam@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.04