盾构施工在不同推进压力下对地表沉降的影响①

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(安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心，安徽 合肥 230601)

0 引 言

随着城市地下空间的开发利用规模的不断扩大，地下空间的利用也有效解决了城市人口密度不断增长带来的地面空间紧张问题，同时也是促进城市发展、加强环境保护的有效措施[1]。而盾构法在城市地铁隧道施工中以其特有的快速、高质量、高精度等优势而被广泛应用[2]。但盾构法施工又不可避免的对地表沉降产生影响，沉降较大时还会危及周围建筑物安全，引发一些岩土工程问题[3]。因此，在开挖隧道时，要采取有效措施来减小地表沉降，避免对地面建筑物造成损害，使生态环境恶化[4]。随着科学技术的发展，数值模拟分析法已经成为研究岩土工程问题的重要方法，为深入了解盾构施工以及地层变形，利用数值模拟软件对施工过程进行三维模拟十分必要[5]。

针对合肥某地下工程，借助MIDAS/GIS软件，研究通过控制施工过程中推进力的变化，讨论推进力的不同对周围地表沉降的影响，根据其影响规律对盾构隧道施工提出相关建议，以使地表沉降减小到最低。

1 工程概况

合肥地铁某区间盾构隧道,开挖轴线距离地面15m。盾构区间的地质条件按岩性及工程特性分为5层，①人工填土(0～2m),②可塑状粘土(2～8m)，③硬塑状粘土(8～23m)，④粉质粘土(23～26m),⑤全风化泥质砂岩(26～30m)。区间隧道设计成圆形隧道，隧道外径为6m，内径为5.4m，管片厚度为0.3m。盾构机机长7.98m，外径为6.28m。模型采用的地层及其一些参数如表1：

表1 地层情况

2 计算模型的建立

根据盾构区间的地质条件、隧道埋深以及周边环境为建立计算模型，岩土体尺寸为 60m×50m×30m，在模拟过程中，盾构掘进的长度对计算结果会有一定影响，综合考虑，盾构施工过程分25步来模拟，每步掘进4m；z轴负方向为重力方向，岩土体厚度为30，所建模型共划分17792个单元，9009个节点。盾构机在硬塑状粘土层中掘进，y轴正向为盾构掘进方向。具体模型见下图：

图1 计算模型

图2 计算模型正面

图3 核心土

图4 y=25m 处断面地表横向沉降对比图

图5 推进压力300kN时土层位移云图

边界条件：①侧面：水平方向施加约束；②底部：垂直方向施加约束；③上表面：地表，设定为自由边界。

图6 推进压力400kN时土层位移云图

图7 推进压力500kN时土层位移云图

图8 推进压力600kN时土层位移云图

图9 不同推进压力下隧道中心线地表沉降变化曲线

图10 y=25m断面在不同推进压力条件下的横向沉降槽曲线

整个模型采用四面体混合方式进行网格划分，其中管片和盾构机外壳采用平面网格单元，模型的土体部分以3m为网格尺寸进行划分，土体核心部分以1m为网格尺寸进行划分。管片和盾构机外壳部分以1m为网格尺寸进行划分，土体的塑性破坏模型采用了修正-摩尔库伦准则，考虑地下水的影响，具体计算参数见表1。

3 计算结果分析

取y=25m断面处用此模型模拟的横向地表沉降结果与工程实测结果进行对比，对比图如图4所示。

由图4可知，模拟结果与实测结果曲线大致走向一致，最大沉降差值也在合理的范围内，因此此模型是合理的，可以运用此模型进行分析。

采用控制变量法在模拟过程中分别对计算模型施加 300kN、400kN、500kN、600kN的推进压力，进行对比分析。模拟计算的结果如图5-图10。(统一取盾构机推进50m时的地层位移云图)

由图5-图8可知以看出，沿开挖方向地表沉降呈现增大趋势，曲线变化率较小。推进压力是影响施工土层的纵向位移关键因素之一。由图9-图10可知，在盾构法隧道施工过程的模拟中，推进压力达300kN时，土体纵向变形发生较大变化，推进压力达600kN时，土体纵向变形发生的变化不及推进压力达300kN时。且地表沉降随着推进压力增大而减小。

综合考虑，区间采用500kN的推进压力较更为合适。当推进压力为500kN时，土体的横向变形、纵向变形和隧道周围土体稳定性均呈现出较为良好的状态，故而区间采用500kN的推进压力。但是，在盾构法隧道施工过程中，盾构机掘进时若只考虑通过控制掘进力来控制地表沉降也过于单一。因为当推进压力达到一定值时，开挖在隧道掘进的过程中尾盾向前离开衬砌时产生的沉降是整个掘进过程中最大的，此推进压力在盾构面上施加的应力大于开挖面土体释放的应力时，地表即出现隆起情况。虽然模拟由于推进压力选取合适而未出现地表隆起，但从位移云图中依然可以看出，隧道横断面处拱顶的土体沉降量达到最大。沉降值随着当土体深度的减少而减少，且土体隆起值在隧道拱底处达到最大，随着土体深度增大，隧道拱底处达到的最大值亦会随之减少。

4 结 语

通过控制施工过程中推进力的变化，讨论推进力的不同对周围地表沉降的影响，并根据软件模拟的结果，得出以下结论：

a)推进压力是影响地表沉降的关键因素，可通过控制推进压力减少土体的扰动，从而避免地表过大的变形；

b)不同的推进压力作用下，地表的沉降都是沿隧道中心线对称分布的，且隧道中心部分沉降量最大；

c)盾构推进压力越大，地表沉降值越小，但当推进压力超过一定限度时，则有可能会造成地表隆起变形。