深厚软土地区盾构管片上浮特性数值分析

郎瑞卿 李庆斌 赵 俊 陈霞飞 晏建伟 张京京 冀国栋

(1. 天津城建大学 天津 300384；2. 中铁十八局集团有限公司 天津 300222；3.中铁十八局集团市政工程有限公司 天津 300202)

1 引言

近年来，盾构隧道施工在我国地铁建设中应用广泛。 在盾构掘进的工程中，隧道管片上浮是较为普遍的问题。 若管片上浮量较大，不但会导致管片错台、局部破损等问题，还会影响轴线的整体位置。因此，针对性地开展深厚软弱土层中盾构管片上浮研究具有重要的科学和实践意义。

目前，已有较多学者对盾构管片上浮机理和特性进行了分析并取得了许多值得借鉴的成果：Thomas等[1]通过数值模拟的方法研究了注浆压力对管片上浮量的影响，研究表明上浮量随着注浆压力的增大而增大；戴志仁[2]通过理论推导得到了管片总上浮力的计算方法；叶飞等[3]通过研究提出“动态上浮力”是影响管片上浮量的主要因素，并推导得到了动态上浮力的计算模型；陈仁朋等[4]利用大型商用软件ABAQUS 建立了三维管片施工期上浮分析模型，模型中考虑螺栓、盾构机壳体、注浆体、水土压力之间的相互作用，分析了管片上浮规律及上浮引起的管片之间差异变形等；季昌等[5]结合宁波地区某盾构工程，通过现场试验研究了盾构掘进速度等参数对管片上浮量的影响；魏纲等[6]通过理论分析建立了施工阶段管片的受力模型和相应的计算公式。 上述研究对于分析福州地区盾构管片上浮量具有借鉴意义。 但由于福州临海地区地质条件的特殊性，针对性地开展相关研究具有重要价值。

本文结合福州某地铁盾构工程，建立了考虑地层损失和软土扰动的盾构过程中管片上浮的数值模拟方法，并利用实测数据对该模型进行验证。 利用已验证的数值模拟方法分析了同步等效注浆压力、注浆量、浆液压缩模量、土仓压力和隧道埋深等对盾构参数对管片上浮量和上浮规律的影响，并建立了管片上浮量的经验计算公式。 研究成果可为类似工程提供参考。

2 工程实例

福州某地铁隧道工程某区间左线和右线均采用盾构法施工，某区段需穿越深厚软弱淤泥土层，厚度达16.5 m，此处盾构埋深10.9 m。 隧道采用圆形衬砌，衬砌外径为6.2 m，厚度为0.35 m，内径为5.5 m，如图1 所示。 该区段自地表向下分别分布有杂填土、淤泥和中细砂，土体参数如表1 所示。

盾构区间地下水与闽江水相互补给，平均地下水位埋深为1. 2 m。受到闽江潮汐水位影响，盾构区间水位呈周期性变化，周期为一天，变化最大幅值为1.5 m，如图2 所示。

图1 盾构剖面图

表1 场地主要地基土层分布及工程性质

图2 水位随时间变化曲线

隧道全部处于深厚淤泥层中，此类土体受到卸荷、盾构扰动等影响容易产生弱化现象[7-8]。 同时，在地层损失等的影响下，若不能较好地控制盾构参数，将会引起管片产生较大的上浮，危害隧道安全和周边环境安全。

3 有限元分析

3.1 模型的建立

采用数值模拟方法对此类深厚软弱地层中盾构管片上浮机理和上浮量进行深入分析。 为了提高计算效率，忽略了盾构机刀片等的影响，数值模型中只包含土体、盾构机盾壳、衬砌管片等。 为了降低边界效应对计算结果的影响，建立60 m(高) × 50 m(宽) ×42 m(长)的土体，其中长度方向为盾构掘进方向，共30环管片，如图3 所示。

由于修正剑桥模型能够较好地反映卸荷状态下软土的应力应变特性，因此采用修正剑桥模型对杂填土和淤泥进行模拟，参数选取见表2。 采用摩尔库伦本构模拟中细砂，模拟中参数选取见表1。

图3 有限元计算模型

表2 土体剑桥模型参数

在盾构机壳体外侧设置土体剪切扰动区[9]，范围为0.5 倍盾构半径，对应的土体强度参数和变形参数均折减30%。

利用等代层模拟注浆体，盾构机、衬砌和等代层均采用弹性本构模型进行计算。 盾构机与土体、管片与土体之间的相互作用采用罚函数进行模拟，等代层与土体之间相互作用采用耦合作用模拟。 计算完成后，提取第15 环管片底部中点上浮量进行分析[10-12]。

3.2 模型验证

该工程中右线隧道先于左线施工，故利用右线中相同地质条件下管片上浮量实测数据对数值模拟方法进行验证。 右线工程中等效注浆压力为40 kPa，土仓压力为175 kPa，注浆量约为每环4.8 m3，注浆体压缩模量为8 MPa。 管片上浮量实测值和数值模拟计算值对比如图4 所示。

图4 实测数据与模拟值对比

由图4 可知，在脱离盾尾初期，实测上浮量略大于数值模拟值，但两者差异较小，后期数值模拟得到的上浮量与实测值较为接近。 说明本文建立数值模拟方法能够较好地反映深厚软土地层中由于土体卸荷引起管片的上浮特性。

4 因素研究

为了研究不同工况下管片上浮量，利用上述数值模拟方法对不同等效注浆压力、土仓压力、注浆量、隧道埋深条件下的盾构管片上浮情况进行研究。

4.1 同步等效注浆压力影响

不同同步注浆压力p下，第15 环管片底部变形随脱离盾构环数变化如图5 所示。

图5 管片位移随管片环号变化曲线

由图5 可知，管片脱离盾构机后，距离盾尾0 ～2.4 m 范围内管片急剧上浮，上浮量占总上浮量的60%，主要原因为此时管片刚脱离盾构机的约束，且注浆浆液也处于凝结过程中，模量较小，在较大的应力水平差之下，管片发生较大的上浮；盾构机远离管片2.4 ～8.4 m 范围内，管片上浮增量降低且比较均匀平缓，主要原因为管片距离开挖面较远，地层应力释放对其影响较小，此时浆液凝结时间已经较长，模量较大，同时，受到管片之间相互的作用力的约束，上浮量有一定的降低；盾构机远离管片8.4～14.4 m 范围内，管片上浮量基本稳定，主要原因为此时管片受到开挖影响进一步降低，浆液模量进一步增大，同时土体固结也基本完成。 综上可将管片上浮分为三个阶段：0 ～2 环为上浮激增区，3 ～7环为上浮平缓区，8 ～12 环为上浮稳定区。

4.2 注浆量影响

不同注浆量V下，第15 环管片底部变形随脱离盾构环数变化如图6 所示。

图6 管片位移随管片环号变化曲线

由图6 可知，随着注浆量的增大，管片底部上浮量不断增大。 管片底部受到周围土体卸荷回弹的影响，有上浮的趋势，大量浆液的填充增大了这种趋势。

4.3 土仓压力影响

不同土仓压力P下，第15 环管片底部变形随脱离盾构环数变化如图7 所示。

图7 管片位移随管片环号变化曲线

由图7 可知，随着土仓压力的增大，管片底部上浮量不断增大。 土仓压力过大或者过小都会对盾构前方土体产生一定扰动，使其承载能力和抵抗变形能力降低，从而使管片上浮量增大。

4.4 隧道埋深影响

不同隧道埋深H下，第15 环管片底部变形随脱离盾构环数变化如图8 所示。

图8 管片位移随管片环号变化曲线

由图8 可知，随着隧道埋深的增大，管片底部上浮量不断降低。 隧道埋深较小时，土体卸载后对管片产生向上的作用力，此时由于埋深较小没有较大的荷载压着管片，管片会产生较大的上浮，反之，由于作用在管片上的荷载较大，因此，随着隧道埋深的增大，上浮量降低。

4.5 浆液压缩模量影响

不同浆液压缩模量Es下，第15 环管片底部变形随脱离盾构环数变化如图9 所示。

图9 管片位移随管片环号变化曲线

由图9 可知，随着压缩模量的增大，管片底部的上浮量不断增大。 管片底部受到周围土体卸荷回弹的影响，有上浮的趋势，浆液模量增大了这种趋势。

5 管片上浮量经验公式

将注浆压力、浆液模量、土仓压力、土体参数、水位条件等参数归一化后与隧道管片变形量建立关系，则可得到经验公式如式(1)和(2)所示：

式中，γi为土体饱和容重(kN/m3)；Hi为土层厚度(m)；隧道埋深H＝H1＋H2＋…＋Hn(m)；P为土仓压力(kPa)；Es为浆液模量(kPa)；p为注浆压力(kPa)；h为等代层厚度(m)；D为盾构机外径(m)；d为管片外径(m)。

拟合效果如图10 所示。

图10 管片上浮量拟合效果

由图10 可知，拟合曲线置信度为97%，拟合曲线能够较好地反映盾构埋深、注浆压力、注浆量、注浆模量、土仓压力等与管片上浮量的关系。

6 结论

本文结合福州某地铁盾构工程，建立了考虑地层损失和软土扰动的盾构过程中管片上浮的数值模拟方法，并利用实测数据对该模型进行验证。 利用已验证的数值模拟方法分析了同步等效注浆压力、注浆量、浆液压缩模量、土仓压力和隧道埋深等盾构参数对管片上浮量和上浮规律的影响，并建立了管片上浮量的经验计算公式。 主要结论如下：

(1)数值模拟结果与实测值吻合度较高，数值模拟能够较真实反映盾构管片的上浮特性。

(2)随着注浆压力、土仓压力、注浆量、浆液模量的增大，管片上浮量增大；随着埋深的增加，管片上浮量降低；管片上浮可分为三个阶段，0 ～2 环为上浮激增区，3 ～7 环为上浮平缓区，8 ～12 环为上浮稳定区。

(3)归一化得到了包含盾构埋深、注浆压力、注浆量、注浆模量、土仓压力等参数的管片上浮量经验计算公式，可为类似工程提供参考。