浅埋条件下盾构施工参数对地层扰动影响研究——以福州地铁4号线某路段区间盾构隧道施工为例

邱文翔

(福州地铁集团有限公司 福建福州 350004)

0 引言

随着地铁施工工程的日益增多，工程面临的地层情况也愈发复杂，浅埋地层成为盾构施工中面临新的重要的施工工况。由于开挖埋深较浅，盾构施工将对地层稳定性产生显著影响，甚至导致地层或结构失稳破坏，施工参数将对浅埋盾构施工安全存在巨大的影响。

目前，许多学者通过不同的研究方式，对浅埋盾构施工过程的力学行为进行了研究。唐志明[1]通过连续极限方法，验证了已有理论的适用性，指出了各因素对盾构隧道开挖稳定性的影响程度。唐晓武[2]采用模型试验方法，进行不同支护板后退速率试验，研究了开挖面变形和地层变形规律。朱合华[3]等人运用MARC大型三维有限元分析系统，对超浅埋盾构隧道进行了相关分析。周高明[4]采用岩土工程有限元方法，分析了多种工况下小间距浅埋盾构隧道施工对周边环境的影响。吴建文[5]采用三维数值模拟方法，结合上海浅埋盾构隧道工程，研究了盾构前进过程的地表沉降和土压力的变化规律。

综之，现阶段对浅埋盾构的研究虽愈发成熟，但也存在一定不足，考虑各施工因素对地层扰动的综合研究尚未完善。基此，本文在上述研究的基础上，利用FLAC3D有限差分软件，详细模拟盾构施工因素，分析不同施工因素作用下周围地层的变形规律，研究浅埋条件下盾构施工因素对周围地层的扰动机制。

1 工程概况

本文以福州地铁4号线化工路站～福新东路站区间盾构隧道穿越浅埋段软土地层施工为原型，考虑土仓压力、刀盘摩擦、盾壳摩擦和注浆压力对软土地层稳定性的影响。

模型区间内各土层简化为均质水平层状分布，并视为各向同性，从上到下共分为3层，分别为淤泥、残积质粘性土、全风化花岗岩，各层土体的物理力学参数如表1所示。

盾构隧道埋深6 m，管片内径5.5 m，外径6.2 m，厚度350 mm，单幅宽度1.2 m，管片采用错缝拼装。盾构隧道所处地层位置如图1所示。

2 数值模型

模型采用有限差分软件建立，为降低模型尺寸对计算精度影响，取边界距离盾构隧道外围3-5D，其中D为隧道外径。将模型尺寸取为长60 m、宽60 m、高40 m，开挖方向为40环，采用摩尔-库仑本构模型模拟土体的屈服和破坏特性。模型右侧结构如图2所示。

图2 模型结构尺寸图(整体模型一半)

盾构机外壳与管片，采用初衬结构单元liner模拟，并描述为线弹性本构特性。由于实际盾构隧道为拼装结构，整体刚度受接缝影响有所降低，并引入抗弯刚度有效率η模拟接头对管片刚度的折减[6]，取η=0.75，模型材料参数如表2所示。

表2 主要结构物参数

模型开挖面前方土仓压力大小取开挖面静止土压力，以沿深度呈梯形分布的均布力施加在开挖面上。为模拟刀盘与土体摩擦产生的环向扭矩[7]对土体的影响，将前方土体所受摩擦力均匀施加在开挖面土体单元节点上，大小由前方土仓压力与刀盘和土体摩擦系数计算所得，取为33 kPa。考虑盾构机前进过程中盾壳与四周土体的摩擦作用，在盾壳模型周围土体单元节点上添加节点力，模拟盾壳-土体摩擦力，大小由盾壳四周土压力与盾壳和土体摩擦系数计算所得，取为31 kPa。

盾尾注浆层采用等代层[8]进行模拟，等待层厚度115 mm，与盾尾空隙宽度基本相同。基于已有研究[9-11]可知，同步注浆浆液在注入盾尾空隙后逐渐凝固，注浆压力同时随之消散。结合现场注浆浆液性质，把注浆压力变化和浆液凝固过程分为3个阶段：

(1)浆液初凝之前，消散符合文献[10]研究得到的规律，此阶段浆液模量为0.9 MPa。

(2)在浆液初凝之后到24h之间注浆压力消散简化为线性变化，最终衰减为孔隙水压力大小，此阶段浆液模量为4 MPa。

(3)24h之后浆液完全凝固，注浆压力消散完毕，此阶段等代层模量为400 MPa。

将以上注浆压力消散随盾构开挖进度的变化关系，利用注浆压力变化曲线表示，如图3所示。

图3 注浆压力消散规律

本文采用刚度迁移法[12]模拟盾构开挖过程，暂不考虑管片安装和盾构停机对地层扰动效果影响。

3 施工参数对地层扰动规律

选取模型中间断面Y=20 m处为监测断面，通过对比计算，分析土仓压力、刀盘摩擦、盾壳摩擦和注浆压力对盾构开挖扰动效果影响。测点与测线布置如图4所示。

图4 测点与测线布置图

3.1 土仓压力

对以静止土压力换算所得刀盘前方土仓压力，设置了大小分别为静止土压力的50%、100%、150%、200%的4个工况，所得盾构开挖过程中土体竖向和水平位移如图5～图8所示。其中，竖向位移正值代表隆起，负值代表沉降，水平位移正值代表远离隧道开挖空间。

从图5可以看出，盾构开挖面到达监测断面前，在刀盘前方土仓压力顶推作用下，地表出现隆起，随着开挖面通过监测断面，形成地层损失；在隧道上部土体重力作用下，地表出现沉降，并在一定范围内形成如图6所示沉降槽。在盾构开挖面通过监测断面约3D后，地表竖向位移基本趋于稳定，沉降槽保持在距开挖空间约1.0D范围内。

图5 测点1竖向位移

图6 地表竖向位移

由于土仓压力挤压前方土体向四周扩散，压力越大，上方地层沉降量越小，4倍土仓压力变化过程中，地表沉降最大值从8.34 mm减小到6.79 mm；而较小的土仓压力使开挖空间上方地层沉降加剧，并向两侧挤压土体，使两侧地表隆起更为显著。

图7 测点2水平位移

图8 测线2水平位移

图7与图8为隧道右侧测点2和测线2水平位移变化情况。在盾构开挖面到达监测断面前，侧面土体受到土仓压力挤压作用，水平位移缓慢增加，且随着土仓压力的增大而增大。随着盾构继续掘进，在盾尾注浆压力作用下，土体水平位移进一步增加，在盾构通过开挖面2D左右时，水平位移达到稳定，最大值出现在如图8所示开挖轴线埋深位置，水平位移与土仓压力呈现出正相关变化；4倍土仓压力变化过程中，地层水平位移最大值从10.40 mm增大到12.12 mm。

3.2 刀盘-土体摩擦扭矩

对由刀盘前方土仓压力与刀盘和土体摩擦系数产生的环向扭矩，设置了大小为原始扭矩50%、100%、150%、200%大小的4个工况，对比计算刀盘-土体摩擦扭矩对地层扰动影响，所引起土体位移如图9～图12所示。

图9 测点1竖向位移

图10 地表沉降槽

由图9和图10可以看出，各工况地表竖向位移变化规律与土仓压力影响下一致。随着刀盘摩擦扭矩的增大，地表沉降值随之增加，而沉降槽宽度变化不大，沉降区域集中在盾构范围内；4倍刀盘摩擦扭矩变化过程中，地表沉降最大值从7.38 mm增加到9.68 mm。

图11 测点2水平位移

图12 测线2水平位移

刀盘摩擦扭矩工况下地层水平位移变化如图11和图12所示，各工况变化规律同样与土仓压力影响下一致。随着摩擦扭矩的增大，隧道一侧土体的水平位移也随之增大，水平位移与摩擦扭矩呈正相关变化；4倍刀盘摩擦扭矩变化过程中，地层水平位移最大值从9.97 mm增大到12.38 mm。

3.3 注浆压力

为分析注浆压力对地层的扰动影响，设置了压力大小为150 kPa、200 kPa、250 kPa和300 kPa的计算工况，所得地层位移如图13～图16所示。

图13 测点1竖向位移

图14 地表沉降槽

图13和图14中，各工况地表竖向位移变化规律与土仓压力影响下一致。注浆压力变化对地层竖向位移的影响，主要体现在盾构机通过监测断面之后，随着注浆压力增大，地表最终沉降值随之减小，沉降槽宽度也逐渐减小。当注浆压力由150 kPa增大至300 kPa过程，地表沉降最大值从13.15 mm减小到7.89 mm，沉降槽宽度减小6 m。因此，合理增大注浆压力对于控制地表沉降效果显著。

图15和图16为不同注浆压力下地层水平位移在盾构开挖过程中变化规律。注浆压力变化对地层水平位移的影响同样体现在盾构机通过监测断面之后，且注浆压力越大，水平位移越大，注浆压力由150 kPa增大至300 kPa过程中，单侧地层水平位移最大值从5.33 mm增加到10.76 mm。

图15 测点2水平位移

图16 测线2水平位移

3.4 盾壳-土体摩擦力

以初始盾壳-土体摩擦力为基准，设计大小分别为50%、100%、150%、200%的计算工况，得到盾壳摩擦对地层扰动的影响规律如图17～图20所示。

图17和图18所示盾壳-土体摩擦力作用下地层竖向位移变化规律与土仓压力影响下一致。在开挖面到达前，地表隆起值随着摩擦力的增大而略微增大，盾尾通过后测点沉降值也随着盾壳-土体摩擦力的增大而增加。4倍盾壳-土体摩擦力变化过程中，地表沉降最大值从7.25mm增加到9.46mm。

图17 测点1竖向位移

图18 地表沉降槽

图19和图20中盾壳-土体摩擦力作用下，地层水平位移变化规律与土仓压力影响下一致。盾壳-土体摩擦力越大，地层水平位移越大。4倍盾壳-土体摩擦力变化过程，地表沉降最大值从9.77 mm增加到12.13 mm。

图19 测点2水平位移变化规律

图20 测线2水平位移变化规律

4 结论

(1)盾构开挖过程，由于土仓压力的挤压作用，在刀盘到达监测断面前，开挖空间上方地层出现隆起变形，盾构通过后，地层受到自身重力作用，在开挖空间两侧1.0D范围内形成沉降槽。

(2)盾构隧道单侧地层水平位移，受刀盘土仓压力和盾尾注浆压力的挤压作用，随开挖进行逐渐增大，最大值出现在开挖空间轴线埋深位置。

(3)提高盾构施工的土仓压力和盾尾注浆压力，有利于降低因开挖引起的上方地层沉降，但挤压作用的提升，隧道单侧地层水平位移量显著增加，其中以盾尾注浆压力的影响最为明显。因此，应适当调节两施工参数，满足地层变形要求。

(4)提高刀盘及盾壳与所接触土体的摩擦力，对地层竖向及水平变形均产生不利影响，且两者影响效果近似，施工过程应尽量减少机械与地层摩擦力。