盾构掘进全过程的地层扰动数值模拟方法及应用

李志文 袁霄雷

摘要：合理地选择模拟盾构掘进全过程的地层扰动数值模拟方法是一个难题。本文依托工程背景为福州地铁5号线建新南路至凤山路站区间盾构下穿地下通道过程中的地表变形、地表纵向沉降槽和横向沉降槽，分别采用应力释放法和位移控制法进行了研究对比分析研究。研究结果表明，盾构施工数值模拟的研究中，隧道开挖部分土体卸荷效应的研究至关重要，先前学者大多采用应力释放法对开挖面进行处理，对于开挖面反向节点力的施加基于开挖面水土压力的计算，而本文采用的周边位移控制法将实际工程施工中盾构机体与刀盘的间隙，以及盾构机体与盾尾管片的间隙考虑进来，提高了盾构施工数值模拟研究的准确性。

Abstract： It is a difficult problem to reasonably select the numerical simulation method of stratum disturbance to simulate the whole process of shield tunneling. Based on the engineering background of the surface deformation， the surface longitudinal settlement trough and the lateral settlement trough during the shield tunneling from Jianxin South Road to Fengshan Road Station of Fuzhou Metro Line 5， the stress release method and the displacement control method are used respectively to make comparative analysis and research. The research results show that in the study of the shield construction numerical simulation， the study of the unloading effect of the part of the tunnel excavation is very important. The previous scholars mostly used the stress release method to deal with the excavation surface， and the reverse nodal force of the excavation surface is based on the calculation of water and soil pressure on the excavation surface. The peripheral displacement control method adopted in this paper takes into account the gap between the shield body and the cutter head in the actual engineering construction， and the gap between the shield body and the shield tail tube， which improves the accuracy of numerical simulation research on shield construction of structures.

關键词：盾构掘进;地层扰动;数值模拟;方法及应用

Key words： shield tunneling;formation disturbance;numerical simulation;methods and applications

中图分类号：U455.43                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0141-04

0  引言

软弱地层条件下盾构掘进施工引起地表的变形沉降无法避免，因此制订专业的施工参数优化方法是确保穿越结构物安全的必要手段。盾构掘进施工主要应用于相对软弱的地层，盾构推进参数经常需要调整以适应地层条件的变化。由于繁华城区对于地层变形控制要求极为严格，需要对盾构作业掘进参数进行精确控制，客观上需要提高盾构施工对地层扰动变形规律预测的精准度。本文运用采用应力释放法和位移控制法来模拟模拟盾构掘进土仓压力，进一步对研究结果进行分析比较，为盾构掘进全过程的地层扰动数值模拟方法研究提供理论参考和实操经验。

1  工程概况

福州地铁5号线2标建新南路至凤山路站区间，建新南路站～凤山路站下穿长364.06m的盘屿路地下通道，地下通道为南北走向双向四车道车道，上方为东西走向两车道，地下通道起点里程YCK24+352.87，终点里程YCK24+716.93，底部标高-1.23m，距盾构区间最小净距10.16m，底板以下分别为淤泥（厚11～16m）、粉质黏土层（13～15m）、淤泥质土（0～3m）、粉砂（2～10m），地下水位-1.5～-4m。盾构掘进主要位于粉质黏土及粉砂层。（图1）

盘屿地道桩基采用φ800旋喷桩加固，桩端距隧道顶板距离小于2m，进入盾构区间二次注浆加固范围1m。其围护结构为Φ1000钻孔灌注桩，桩长18m，桩底标高-12m;Φ600旋喷桩，桩长12m，桩底标高-6m;Φ800钻孔灌注桩，桩底标高-13m;钢板桩桩长15m，桩底标高为-9m。（图2）

地道底部软基处理为高压旋喷桩复合地基，桩底标高-10.5m与盾构机下穿静距小于3m。区间左线从盘屿路地道立柱桩间下穿，立柱桩为直径800mm钻孔灌注桩，桩底标高-13m，隧道最小净距为4.4m。区间右线侧穿盘屿地道围护结构，围护结构为直径1000mm钻孔灌注桩，桩长18m，桩底标高-12m，区间距其2.4m。

2  应力释放模拟方法分析

盾构掘进数值模拟研究中，大部分学者[1-2]采用应力释放方法来模拟盾构掘进土仓压力。盾构掘进数值模拟开挖时考虑T1的卸载效应，由于T1的加载和约束作用，在T2中形成了初始位移场和初始应力场，在开挖时需要先计算T1对应的等效节点力，反向等效施加在T2上，当施加的等效节点力等于T1的自重和约束作用之和时，T2的应力应变场将不发生变化。（图3）

盾构开挖的模拟计算时，T2部分开挖面上的应力解除，成为自由面。对于每个开挖步的计算需要先求出T2对即将开挖部分的节点力，然后通过等效节点力反向施加在开挖面，才能进行后续的平衡计算，原始節点应力与反压在节点上的应力之间的差值为释放力，释放力与原始节点应力的比值系数为盾构开挖应力释放率。

当然在实际开挖中，盾构机对洞周土体的作用力包括顶推力，刀盘切割土体的扭转力，刀盘与洞周土体之间的摩擦力等，多种作用力无法进行绝对的量化。因此反向节点力的量值只能依靠计算经验或者模型试算。

3  隧洞周边位移控制的盾构掘进过程模拟

3.1 位移控制法的基本原理

位移控制法是基于盾构机刀盘与盾构机身外直径存在的30mm差值。盾构机掘进过程中，由于刀盘切削开挖直径一般大于前盾外径30mm，可取？啄1为30mm，同时管片外径要小于盾尾，一般富余25～40mm，考虑盾尾壳体厚度，可取？啄2为25mm。

盾构掘进过程土体变形阶段：①早期沉降，发生在盾构掘进前方土体破裂面外的沉降;②掌子面变形，盾构前方土体受挤压作用发生向前和向上的移动，从而引起地表发生轻微隆起;③盾构通过时的沉降;④盾尾脱环沉降;⑤后期固结沉降。其中第③、④点主要为刀盘与盾壳、盾壳与管片外径差异引起。

盾构推进过程对土体的扰动除掌子面扰动外，另外一个来源就是开挖直径过渡到管片直径过程中的两次填充间隙的位移过程。考虑到这一特点，采用以下控制周边位移的方法来模拟盾构机掘进过程，步骤如下：

①掌子面开挖掘进1m，掌子面加垂直向土仓压力。

②掌子面后及盾尾1m范围设置环形shell单元，单元属性同土层属性，在计算过程中监测shell单元节点径向位移，当单个节点径向位移增量达到25mm，加节点位移约束，直到监测范围70%节点完成约束，停止计算。

③解除监测范围约束，将掌子面后1m范围shell单元激活为盾壳属性并设置为盾构机自重;将盾尾后1m范围shell单元删除，激活管片实体单元，设置管片横观各向同性属性。

④开始下一步开挖，并重复步骤2、步骤3，直至开挖完成。

3.2 两种盾构施工模拟方法的实例计算

实际工程隧道穿越的地层主要有<2-4-1>，<2-4-4>，<3-1>和<3-5>，各地层的力学指标见表1。

根据施工案例的地层构造和土体物理力学参数，建立三维盾构开挖模型，分别应用应力释放法和位移控制法进行开挖计算。计算结果中典型断面的应变云图分别见图6、图7。

观察两种方法沉降典型断面，y表示测点断面与刀盘所在面的距离，在各个开挖断面，隧道下方地层均有上抬，而隧道拱顶上方土体下沉。靠近盾构刀盘的断面（y=0）开挖扰动范围较小，盾构机尾部（y=10）断面扰动范围变大，同时掌子面的地层扰动延伸到地表，在盾尾后方10m（y=20）断面沉降基本稳定，能够反映盾构开挖对地层扰动的最终影响，因为本案例模拟工况采用的是不排水开挖，未考虑盾构开挖完成后的固结沉降。

应力释放法中各断面的沉降位移云图均呈“蝴蝶”状，随着盾构推进影响范围逐渐扩大，可以理解为开挖面应力释放作用是四周等效的，各个方向土体均有向开挖面运动的趋势，拱顶沉降最大，从拱顶到地表沉降逐渐减小。

从位移控制法模拟的地表沉降中可以看出，初始开挖阶段，沉降基本位于拱顶和拱底，开挖影响地层的范围较小，盾尾部分土体沉降也出现“蝴蝶”状，这是由于盾尾注浆应力扰动引起的。

两种方法计算的地表纵向沉降槽变形趋势基本一致，位移控制法模拟沉降数据更接近于实测数据。应力释放法不同释放率时，掌子面前方的变形沉降规律基本一致，在盾尾后方沉降出现差异，应力释放率越大，地表最大沉降值越大如图8所示。

OReilly等通过对英国黏性土、砂性土和回填土的实测数据分析，总结了地层的沉降槽体积、最大沉降量和沉降槽宽度系数。得出了沉降槽宽度系数i和隧道轴线埋深h呈线性关系：

i=Kh

选取位移控制法中六个典型沉降断面的横向沉降数据如图9所示。

距离掌子面后方越远的地方地表沉降越大，各横断面最大沉降值均位于隧道轴线上方，地表最大沉降值为10.3mm。同时监测数据表明随着盾构机的到达和继续推进，地表沉降在持续增大。

3.3 两种计算方法结果比较

通过对桩土相互作用和等效地层模型的盾构开挖计算，对开挖过程中的地表变形分别进行了分析，接下来对地表纵向沉降槽和横向沉降槽进行对比分析。选取等效地层模型中四个典型沉降断面的横向沉降数据如图10所示。

从地表沉降的数据分析中可以得出，在盾构隧道符合一定埋深的条件下，其瞬时地表沉降曲线基本符合高斯分布[4]。在盾构后方地表沉降基本稳定的区域，沉降槽宽度变化不大，不同开挖面的宽度系数基本保持不变，这与开挖地层的土体力学特性相关。

4  结论

①将位移控制法应用到等效地层盾构开挖的计算中，把桩土模型开挖作为对照组，计算结果表明等效地层模型与桩土模型的地表最大沉降值比较接近，因此采用等效地层模型替代复合地基地层模型的研究方法具有一定的可行性。

②盾构机头前方0～1D范围内土体沉降，说明掘进面的土体损失已经对地表产生影响，在距离掘进面前方大于1D区域土体出现隆起，原因可能是盾构机的顶推力大于掌子面前方的水土压力，引起地层应力平衡状态导致的。盾构推进的扰动范围在掌子面前方4D左右。

③纵断面沉降曲线表明，在盾尾后方4～5m处沉降逐渐稳定，然后基本保持不变。这是由于软土的黏聚力较大，在盾构掘进过程中存在一定的“时空效应”，当盾尾管片脱出后，周边土体需要一定时间来填充与管片之间的空隙，所以地层损失沉降在盾构掘进继续向前进行一段时间后才结束，后续还会发生孔隙水压力变化引起的土体次固结沉降。

参考文献：

[1]郦亮.北京地铁10号线盾构对周边土体扰动模拟分析[J].施工技术，2010，39（5）：12-14.

[2]王志云，李守巨，于賀.盾构机土仓压力平衡系统混合建模方法研究进展[J].水利水电技术，2019：5-9.

[3]OReilly M P，New B M.Settlements above tunnels in the United Kindom-their  magnitude and prediction [A].Proc.Tunneling 82[C].Institution of Mining and Metallurgy，London，1982.173-181.

[4]韩煊，李宁.Jamie R STANDING.Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J].岩土力学，2007，28（1）：23-28，35.

[5]张志强，何川.地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究[J].铁道学报，2003，25（1）：93-95.