深埋盾构掘进环境扰动数值分析

周兴勇

摘要：盾构隧道在建设过程中，常会受到一些环境因素的干扰从而导致一些严重的后果。本文利用ABAQUS建立盾构隧道掘进的数值模型，对整个施工过程进行模拟，计算盾构管片拼装的局部受力与变形、以及整体纵向的拼装变形，以及地层的分层沉降等，分析了盾尾里程与横向地表沉降关系、不同施工阶段横向地表沉降规律以及盾构推进引起纵向地表沉降分析、管片变形等盾构施工扰动机理。分析结果对研究深埋盾构隧道穿越过程中隧道微扰动影响，制定施工安全技术标准，实现大深度盾构隧道安全高效施工具有一定参考价值。

Abstract： During the construction process， shield tunnels are often disturbed by some environmental factors， resulting in some serious consequences.  In this paper， the numerical model of shield tunneling is established by ABAQUS， the whole construction process is simulated. The local force and deformation of the shield segment assembly， the overall longitudinal assembly deformation， and the layered settlement of the formation are calculated. The relationship between the shield tail mileage and the horizontal surface settlement， the horizontal surface settlement law at different construction stages， the longitudinal surface settlement analysis caused by shield propulsion， and the deformation mechanism of the shield construction are analyzed. The analysis results have a certain reference value for studying the influence of tunnel micro-disturbance during the tunneling process of deep-buried shield tunnels， formulating construction safety technical standards， and realizing safe and efficient construction of large depth shield tunnels.

關键词：深埋盾构隧道;地表沉降;数值模拟

Key words： deep buried shield tunnel;surface settlement;numerical simulation

中图分类号：U455.43                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0243-04

0  引言

随着我国城市化进程加快，城市基础设施建设取得了迅猛发展，盾构隧道逐步向密集和大深度方向发展，地质条件越来越复杂，盾构隧道在建设过程中，会受到一些环境因素例如上方基坑开挖、附近打桩等的干扰，会导致一些严重的后果，大都表现为地表不均匀沉降、地表塌陷、地层损失率过大，从而造成盾构隧道掘进过程中经常发生隧道径向的管片拼装有偏差的问题，因此解决掘进过程中环境因素的干扰，实现大深度盾构隧道安全高效施工具有重要意义。

目前对盾构隧道掘进环境扰动的研究通常是结合具体工程实例，深入分析掘进过程中难点并提出解决办法。王启东以天津地铁站金狮大桥至天津站盾构隧道施工为例，分析了盾构尾翼施工过程中出现漏砂的破坏原因，并提出有针对性的措施，确保盾构施工安全[1]。陈骁采用有限元数值方法，以高架桥施工为工程背景，从地表变形、桩基础变形、桩侧阻力等方面对桩基特性进行了深入分析[2]。肖丰结合盾构隧道进出隧道工程建设的难点，提出了其风险控制的技术和管理措施[3]。张耕获等针对北京地铁4号线某盾构段地质不良地段，对工具的磨损和更换、土仓大量积水、沉降等问题进行了分析，并提出解决此类问题的方法[4]。赵继生结合中国某市地铁一标段工程实例，采用数值模拟的方法研究了不良地质条件下盾构隧道地表沉降规律[5]。陈孝湘等以厦门某电力入岛工程为背景，选择了目前常用的隧道施工方法即含卵石砂质粘性土层的隧道施工方法。分析并给出深埋隧道施工技术的选择问题的施工建议[6]。赵先鹏等以深圳地铁5号线临海湾站盾构掘进段为例，分析了施工中的工具磨损、盾构施工过程中轴线偏移和地面沉降等问题，并提出解决方案[7]。徐前卫等进行了土压平衡盾构掘进与切割模型试验，研究了不同埋深、不同刀盘开度、不同土质条件下顶推力和刀盘。

本文引入数值模拟来解决隧道管片的计算问题，对深埋盾构隧道掘进环境微扰动问题进行了全面细致总结，以实际盾构机推进过程为模拟对象，模拟一环一环管片拼装和推进过程。针对盾构机刀盘的切削以及管片的拼装过程，考虑盾构切削与管片拼装过程中存在的几何大变形、材料非线性、接触非线性等几个方面的复杂因素，计算盾构管片拼装的局部受力与变形、以及整体纵向的拼装变形，以及地层的分层沉降等，分析盾尾里程与横向地表沉降关系、不同施工阶段横向地表沉降规律以及盾构推进引起纵向地表沉降分析、管片变形等盾构施工扰动机理。

1  工程概况

上海某隧道全长共5260m，主要采用盾构法隧道和明挖顺做方式进行主体结构施工，其中盾构隧道长3390m，分东西两线进行施工。采用一台直径14.93m泥水气平衡盾构进行施工。盾构段主要埋置于上海第④、⑤、⑤1-1、⑤3、⑥、⑦1-1、⑦1-2、⑦2土层中，隧道中心埋深18m-52.2m。

2  盾构隧道施工过程有限元分析

2.1 盾构施工过程及模拟要点

盾构的施工过程主要包括4个步骤。首先是对开挖面进行开挖，此时应注意对周围土体的扰动。接下来是盾构机尾部的管片拼接，此时要注意，一般用6-8块管片衬砌一次，常规的衬砌环厚度在0.5-1.2m。再接下来是在盾构机尾部进行注浆，此时注浆主要是为了填充盾构尾部和土体之间的缝隙同时对衬砌起到防渗的作用。最后就是不斷重复上述的步骤，随着开挖面的深入，重复之前的操作，直到隧道施工完成。

基于盾构施工过程的复杂性的综合考虑，具体盾构施工过程数值模拟的要点主要有以下几个方面：

①首先要建立一个初始的地应力场，本文地面超载，因此只考虑自重应力场;

②由于浆体是由液态逐渐硬化，但液态难以模拟，因此建立等效层、布置等效均布力来模拟盾尾注浆过程;即在挖掉土体后形成隧道洞室的土体和衬砌单元面上分别施加均布压力;

③建立特殊结构—等代层，让一些不易体现的外部因素的影响可以在计算中量化体现;

④为了反映出施工过程不连续的特点，可以改变单元材料的类别，进而采用刚度迁移法来考虑。

2.2 参数的选取

根据数值仿真需要，考虑到隧道底部高水压作用，同时根据各段土层液性指数，对液性指数接近或是大于1的土体，按照有效重度进行计算;将注浆材料采用非线性弹性模型。由于随着水合作用的发生，注浆材料从液体变化固体，其物理形态发生一定改变，为了简化模型计算，将杨氏模量按照一定规律变化，来近似描述注浆材料层的非线性材料属性其变化规律。材料参数详见表1和表2。

2.3 模型建立

根据实际隧道空间曲线形状以及土层分布的非均匀性，建立土层和待开挖隧道的空间几何有限元模型图。在综合分析计算效率和实际隧道开挖的最大影响范围的基础上，将整条隧道分成若干段进行重点分析，当盾构穿越不同地层时，通过更改地层土体参数，经过不同的施工参数设置的思路来建立，一方面可以简化重复建模的繁琐过程，减少工作量，另一方面可以对多种不同工况进行对比分析。

所建立的模型的基本尺寸为：深度方向（Y向）59m，沿在建隧道方向（Z方向）70环，分析601环-628环;垂直在建隧道方向69m（X向）。盾构管片外径8.5m，内径7.7m，环宽1.6m，管片厚400mm。以实际开挖一环作为一个载荷进行迭代计算。总共需要计算的载荷步约为125步左右，单元总数：29540;节点总数：32108。隧道建成后的有限元计算模型及管片构造的整体模型如图1所示。其中隧道管片、注浆层等都以实体单元建模，盾壳以壳单元建模。管片单元以线弹性材料处理，模型侧面为位移边界，限制水平移动，底部为固定边界，限制水平移动和垂直移动，模型上面为地表，取为自由边界。

3  计算结果与分析

3.1 盾尾里程与横向地表沉降关系

选取K=0.5-K=0.7时的第12.8m处横向地表沉降为研究对象。图2-图4分别为为K=0.5、K=6、K=7时施工至12.8m处和25.6m处第12.8m处第3环、第6环、第9环、第12环处横向地表沉降曲线。分析可知施工至25.6m的横向地表沉降变化规律与12.8m处的曲线类似，随着盾构的不断推进，其横向地表沉降不断减小，沉降变化幅度也呈减小的趋势;横向地表的沉降量随着盾尾里程的增加，而不断减小，这是由于，埋深的增加使得盾构对地表位置处的扰动影响减小，因而产生的沉降值较小。

此外不难发现，K值的不同，其横向地表沉降与盾尾里程的关系基本相同，主要差别在于沉降量的大小以及变化幅度出现最大位移量的位置由于盾构埋深的变化而不断向盾构掘进面前方移动，随着埋深的增加（通过调整K的值反映埋深的变化），盾构掘进对地表沉降的影响逐渐减小，地表沉降的增加幅度也相应减小。

3.2 不同施工阶段横向地表隆沉规律

图5所示为盾构不同阶段下第8环地表横向沉降曲线。可得知随着盾构掘进的不断推进，盾尾穿越离开后对横向地表变形的影响达到最大，但由于同步注浆施工对隧道四周的加固作用，穿越后期地表沉降的增长幅度逐渐减小。随着埋深的逐渐增加，盾构穿越后期产生的地表沉降逐渐减小，这是由于盾构隧道覆土埋深的增加，隧道开挖产生的应力释放对于地表位置的影响十分有限。但横向地表沉降仍呈正曲线性态分布，沉降槽宽度也有所增加。

3.3 盾构推进引起纵向地表隆沉分析

图6为不同掘进深度地表纵向沉降曲线。可以发现，随着盾构的推进，盾构前方产生的沉降较小，而盾构后方沉降由于受到同步注浆等加固措施的作用，沉降逐渐减小并趋于稳定且在开挖至16m位置时，其施工产生的纵向沉降较开挖至8m时大，两者纵向沉降变形规律相近。

随着埋深的增加，由于土拱作用范围的增大，可以有效抑制破坏朝地表发展。因而其产生的地表沉降非常小，而在相同埋深条件下，随着开挖的推进沉降槽宽度也逐渐减小直至消失，可以推断，在盾构远离到一定里程后，此时产生的地表沉降几乎可以忽略不计。

4  结束语

本文通过建立盾构隧道掘进的数值模型，分析了盾尾里程与横向地表沉降关系、不同施工阶段横向地表沉降规律以及盾构推进引起纵向地表沉降分析等盾构施工扰动机理。随着盾构的推进，地表沉降值的变化幅度呈现逐渐减小的趋势，横向地表的沉降量随着盾尾里程的增加，而不断减小，盾尾穿越离开后对横向地表变形的影响达到最大。随着埋深的增加，可以有效抑制破坏朝地表发展。可以推断，在盾构远离到一定里程后，此时产生的地表沉降几乎可以忽略不计。

参考文献：

[1]王启东.深埋盾构机施工盾尾漏水治理方法的探讨[J].科技向导，2012，26：235-236.

[2]陈骁.浅析关于盾构法隧道施工对桥梁桩基数值研究[J]. 科技向导，2011，3：263-265.

[3]肖丰.盾构法隧道进出洞施工安全的风险管理-以上海轨道交通13号线世博园站～长清路站区间为例[J].施工技术， 2011，12：163-164.

[4]张耕获，乐贵平，苏艺.北京地铁4号线某盾构区间基岩及砂卵石混合特殊地层施工技术[J].现代隧道技术，2008（S1）：447-451.

[5]赵继生.不良地质条件下盾构法施工隧道地表沉降规律研究[J].桥梁与隧道工程，2012，3：127-129.

[6]陈孝湘，王贤灿，杨巡莺.残积砂质黏性土层中隧道施工工法的比选分析[J].施工技术，2010，12（39）：278-280.

[7]赵先鹏，张恒，陈寿根，等.盾构穿越软硬不均地层技术研究[J].施工技术与测量技术，2010，30（6）：191-193.