考虑尾隙的砂层盾构隧道地表沉降数值分析

(江西理工大学建筑与测绘工程学院 江西 赣州 341000)

引言

近几年来，随着城市交通建设的发展，地铁建设工程日益增多，在地下隧道修建过程当中，盾构法施工凭借快速、高效、安全等优势得到了广泛的应用[1]。而盾构隧道开挖过程中会造成地表沉降，对周边道路、建筑及管道等造成一定程度的影响。盾尾空隙的存在造成土体损失，引起上层土体扰动，并向下层空隙移动产生沉降。尤其在砂性土中，这种沉降更为明显。因此，对砂层盾构隧道开挖尾隙引起的地表沉降的研究具有重要的现实意义。

目前，国内外对于地表沉降的研究方法有很多，如经验公式法、数值模拟法、理论解析法等等。朱才辉[2]总结了大量国内外的关于地铁施工引起地表沉降的预测公式，为工程设计人员提供更加丰富全面的参考资料；徐良[3]利用有限元软件数值模拟进行地表沉降变形规律分析；黎春林[4]采用ANSYS进行数值分析，揭示了盾构隧道施工对建筑物沉降的影响规律；江英超[5]采用离散元软件对砂卵石地层滞后沉降过程进行了模拟；Peck经验公式法由于简单实用，是目前应用最广的方法。而对于隧道施工开挖过程中，引起地表沉降的因素很多，经验公式法具有一定的局限性[6]，而数值模拟分析可以综合考虑较多因素对地表沉降的影响，更加准确预测隧道开挖引起的地表沉降。

本文主要从尾隙引起的地层损失出发，利用离散元软件PFC建立隧道-土体颗粒流模型，对砂层盾构隧道上部地层扰动及地表沉降进行研究分析。

一、离散元计算模型

(一)参数选取

参照张冬梅[7]建立的隧道-土体离散元模型，对其进行改进：考虑到砂土的角粒效应[8]，在PFC采用由三个圆形clump组成的椭圆颗粒来模拟砂土，如图1所示。

图1 砂土颗粒单元示意图

本文采用线性接触模型，砂土颗粒级配曲线如图2所示，具体参数取值参考前人进行砂土颗粒模拟的取值[7-8]，详见表1

图2 砂土颗粒级配曲线图

参数名称取值颗粒密度)2600颗粒法向刚度)1e8颗粒切向刚度)1e8颗粒间摩擦系数0.4墙体法向刚度)1e9墙体切向刚度)1e9颗粒与墙体间摩擦系数0

(二)建立模型

考虑到对大尺度的土层结构进行模拟，PFC软件将产生百万数量级以上颗粒，现有的计算机难以完成。本文参照离心机试验原理[9]，采用缩小地层模型的方法，并增加重力加速度使之达到真实地层的效果。

数值模型建立步骤：

1.通过分层压密法生成砂土地层模型。将地层分为四层，目标孔隙率为0.19。首先在第一层区域内通过clump distribute命令按照级配生成颗粒，然后调用编写好的FISH语言，对第一层土体进行墙体压密，直到孔隙率达到目标值。同理，在第一次基础上，生成2-4层土体。最终生成宽0.32m，高0.32m的地层模型；

2.施加100g重力加速度。在重力加速度的作用下运行程序，使模型达到稳定状态，该模型可以模拟宽32m，高32m的真实地层；

3.盾构隧道模拟。为了真实模拟隧道开挖过程中尾隙引起的土体损失，先将半径设为0.0313m,埋深0.16的隧道开挖区内的颗粒删除，在该位置生成半径为0.031m的颗粒代表盾构隧道，尾隙值由隧道与开挖区之间的差值来表示，本文分别取3cm,10cm,12cm进行分析。在100g重力加速度的作用下，该颗粒可以模拟直径6.2m,埋深16m的盾构隧道。隧道-土体离散元模型如图3所示。

4.在盾构隧道和尾隙生成之后，运行程序，使其在100g重力加速度的作用下达到稳定状态。

图3 隧道-土体离散元模型图

二、数值结果分析

(一)盾构隧道上部土体扰动分析

隧道开挖稳定后，隧道上部土体的位移云图，如图4所示。由图可知，由于尾隙的存在，产生了土体损失，隧道上部土体在重力作用下下沉，随着深度的增加，土体下沉量越大，隧道两侧顶部三角形区域的土体位移最明显。隧道中轴线两侧1.5倍洞径区域为土体扰动主要范围，该结论与前人得出的研究结论[10]相符合。

图4 土体扰动位移云图

(二)地表沉降分析

图5为地表横向沉降曲线图，由图可知，隧道开挖引起的沉降在地表呈槽形分布：地表沉降沿着隧道中轴线两侧对称分布，中间沉降量最大，随着与隧道中轴线的距离增大，沉降量在逐渐变小。该结论与前人进行Peck公式的理论计算得出的结果[11]相吻合。

图5 不同尾隙的地表横向沉降曲线图

三、结论

通过离散元法进行数值模拟对砂层盾构隧道地表沉降进行了研究，得到以下几个结论：

(1)由于尾隙的存在产生的土体损失，造成隧道开挖后上部土体产生扰动，从地表到隧道顶部，随着深度增加，土体位移逐渐增大，隧道两侧顶部三角形区域的土体位移最明显，隧道中轴线两侧1.5倍洞径区域为土体扰动主要范围，因此在一定程度上可以通过增加隧道埋深来减少对地表沉降的影响；

(2)由土体损失造成的地表沉降呈槽形分布，沿着隧道中轴线向两侧减小；随着尾隙的增大，造成了更大的土体损失，地表沉降量也逐渐增大，因此在隧道开挖注浆过程中，要严格控制尾隙的大小，尽可能减少尾隙产生的土体损失对地表沉降的影响；

(3)本文建立的隧道-土体模型能够考虑隧道开挖中存在的因素，揭示地表沉降及底层扰动的一般规律，为实际工程中隧道开挖地表沉降的预测分析提供一定的参考。