土压平衡盾构参数对隧道地表沉降影响研究

杨 晓 东，刘 飞

(中交路桥建设有限公司，北京 100027)

土压平衡盾构施工法具有自动化程度高、掘进速度快、不受天气影响、不影响地面交通与设施等优点，被广泛地应用于城市地下建设[1]。但盾构隧道掘进过程中引起的地面沉降会对地面建筑物、地下管线等设施产生不利影响，甚至导致严重安全事故，造成较大的经济损失[2]。目前研究成果表明，地表沉降的主要原因是盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，正确的选择盾构掘进参数可以有效控制土体位移和地面沉降[3]。因此，开展土压平衡盾构参数对地铁隧道开挖地表沉降影响的研究具有重要的理论意义与工程应用价值。

国内外学者对隧道盾构施工力学行为及其所引起的地表沉降方面的研究主要有经验法、模型试验法[4-5]、理论分析法[6-7]、数值模拟等[8-10]。刘招伟等[11]结合现场监测结果，应用经验法研究了盾构施工引起的地层沉降。魏新江等[12]基于施工现场监测结果，对土压平衡盾构机参数相关关系及盾构机掘进参数对土体位移的影响和地表沉降发展规律进行了研究。何川等[13]基于相似准则进行了室内相似模型试验，研究了土压平衡盾构掘进参数对地层的影响。吴贤国等[14]提出了一种基于粗糙集-支持向量机的盾构关键参数及其组合的建模与求解方法，并依据约简后的关键参数组合进行了地表沉降预测研究。林存刚等[15]基于Mindlin解，经数值积分计算得到了盾构掘进中切口附加推力、盾壳对周围土体的摩擦力及同步注浆附加压力引起的地表竖向位移，并与工程实测值进行了对比验证。张恒等[16]以深圳地铁5号线洪浪～兴东盾构区间下穿广深高速公路立交桥隧道为工程背景，对影响地表沉降的掘进参数进行了数值模拟分析。综合来看，上述研究方法在应用中各有优缺点：经验法参数少、计算简单，但缺乏理论依据，公式的移植性差；模型试验法针对性强、直观清晰，但试验准确性难以保证；理论分析法推导过程较严谨、有充分的理论依据，但一般解题局限性较大；数值模拟法为研究人员提供了强大的可视化手段，但建模过程中往往要对土体参数及边界条件进行简化，使得分析数据存在一定差异性和不确定性。

本文综合理论分析和数值模拟方法的优势，以哈尔滨市轨道交通3号线二期工程海河东路站-先锋路站区间为工程背景，进行土压平衡盾构参数灰色关联度分析，参考关联度计算结果设计正交试验，采用FLAC 3D对试验方案进行模拟，应用方差分析和极差分析进一步确定盾构参数的主次关系和显著性，与灰色关联分析方法相互验证，优化盾构参数水平组合，可为后续类似地层环境下地铁隧道工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

海河东路站-先锋路站区间(以下简称海先区间)自海河东路站起，自南向北沿红旗大街敷设至先锋路站止。该区间采用盾构法施工，区间右线长度629.810 m，区间左线长度629.869 m，隧道埋深较浅，结构埋覆土为9.6～14.5 m，区间线间距为13.3～14.2 m。所处地貌单元为松花江漫滩，场地面起伏不大，区域地质构造较稳定，不存在能引起场地滑移、大变形和破坏等重大不良地质构造，属于基本稳定场地。

2 盾构参数的灰色关联度分析

选取海先区间左线隧道同一地层环境施工区段隧道轴线正上方对应的一系列地表沉降监测点，对盾构施工引起的地表沉降进行监测。依据灰色关联分析模型，分析土仓压力、掘进速度、盾构总推力、刀盘扭矩、注浆压力、注浆量等主要施工参数与盾构施工引起地表沉降的关联度。分析中以地表沉降监测点所测变形影响稳定后的沉降值为参考数列，以不同的盾构参数依次作为影响数列，灰色关联分析的原始信息数列如表1所列。

表1 灰色关联分析原始信息Tab.1 Gray relational analysis of raw information

2.1 无量纲化处理

以地表沉降监测点所测变形影响稳定后的沉降值为参考数列X1，以不同的盾构参数依次作为影响数列Xi(i=2，3，4，…，8)，得到

X1=[x1(1)，x1(2)，x1(3)，…，x1(10)]

(1)

Xi=[xi(1)，xi(2)，xi(3)，…，xi(10)]

(2)

对初值象进行无量纲化处理，得到：

=[x′1(1)，x′1(2)，x′1(3)，…，x′1(10)]

(3)

=[x′i(1)，x′i(2)，x′i(3)，…，x′i(10)]

(4)

2.2 关联系数计算

参考数列与因素数列之间的关联系数为

(5)

2.3 灰色关联度计算

对应参数灰色关联度计算公式为

(6)

计算得到各盾构参数与盾构施工引起地表沉降关联度列于表2。由灰色关联度序列可知，各盾构参数与变形稳定后地表沉降的关联度从大到小依次为：土仓压力、掘进速度、注浆压力、刀盘扭矩、出土量、注浆量、盾构总推力。

表2 盾构参数与地表沉降的灰色关联度Tab.2 Grey correlation degree between shield tunneling parameters and ground settlement

3 基于正交试验的盾构参数敏感性分析

正交试验设计利用标准化正交表安排试验方案，并对结果进行计算分析，最终迅速找到优化方案，是一种高效处理多因素优化问题的科学计算方法[18]。根据灰色关联计算结果，土仓压力、掘进速度、注浆压力这3项参数关联度数值明显大于其余4项参数。因此本章选取土仓压力、掘进速度及注浆压力作为3个正交参量，并利用参量水平进行正交实验设计，采用FLAC 3D数值软件模拟正交试验各工况地表沉降值，根据正交实验结果，应用方差分析和极差分析进一步确定盾构参数的主次关系和显著性，优化水平组合。

3.1 正交试验设计

参考左线854～935环盾构掘进参数，结合盾构工程经验和相关参数理论计算，确定各个掘进参数的调控取值范围，在各因素掘进阶段取值范围内选取3个水平，建立3因素3水平的正交试验如表3所列。

表3 正交试验设计Tab.3 Orthogonal experimental design

3.2 数值模型建立

根据工程地质的概化模型，按照各层土所属的类别，结合该工程相关土体的具体特性选定各层土体的相关参数，具体参数列于表4。

表4 土层分层信息Tab.4 Soil layer information

图1为区间工程整体模型，为保证计算精度，隧道部分及周边受开挖影响较大的区域网格单元的边长均为0～2 m，靠近边界受开挖扰动较小的区域网格单元边长为2～3 m。为了防止角点处产生过大的应力集中，在局部又进行了网格细化处理，模型共划分为197 400个单元、202 566个节点。

图1 整体模型Fig.1 Overall model

根据工程经验与圣维南原理，该模型沿隧道开挖方向取近似130 m，水平方向取60 m，左右边缘距离隧道开挖边界约为3D；竖直方向取31.8 m，上边缘取至地表，下边缘距离隧道开挖边界约为3D。

盾构开挖过程模拟参考现场施工流程，盾构掘进力学参数适当进行简化：土仓压力垂直于开挖面均匀分布；土体摩擦力等效为均匀分布在盾构机外壳与土体接触面上，盾尾脱出后摩擦力清零；盾尾注浆压力等效为均匀分布。开挖过程中盾构掘进主要力学参数模拟如图2所示。

图2 盾构掘进力学参数模拟Fig.2 Diagram of soil stress parameters in shield excavation

3.3 正交试验结果及分析

为确保试验结果的可靠性，减少工程无关变量影响，运用FLAC 3D进行左线单隧道开挖模拟，根据正交试验设计分别设置不同盾构参数的9种工况，得到正交试验结果见图3及表5。

表5 正交实验模拟结果Tab.5 Orthogonal experimental results

图3 隧道左线不同工况沉降Fig.3 Settlement of left tunnel under different conditions

3.3.1方差分析

根据数值模拟结果，由方差分析进一步确定盾构参数影响的显著性，如表6所列。对于最大沉降值的检验结果，注浆压力、掘进速度、土仓压力的F值分别为3.077，5.687，124.889，土仓压力F>F0.05(2，2)，F>F0.01(2，2)，注浆压力和掘进速度的下值均小于F0.05(2，2)，说明土仓压力对地表沉降有着较显著的影响，注浆压力和掘进速度对地表沉降的影响相对不够显著。

表6 方差分析结果Tab.6 Variance analysis results

3.3.2极差分析

极差分析结果如表7所示，在试验范围内，各参数对试验指标的影响从大到小的顺序依次为土仓压力、掘进速度、注浆压力，这一结果与方差显著性分析结果吻合，与灰色关联分析结果亦吻合。最终根据正交试验选取的优化水平组合为：土仓压力180 kPa，掘进速度30 mm/min，注浆压力0.3 MPa。

表7 极差分析结果Tab.7 Range analysis result

现场施工参数在优化水平组合的参考下进行调整，在盾构正常推进的过程中，进行连续监测，图4为模拟y=40 m断面与监测断面的沉降对比分析图，从图中可以看出，在整体沉降规律上，模拟的沉降曲线和实际监测的沉降走向是基本吻合的，说明了数值模拟很好地反映了地表沉降的规律，实测地表的最大沉降值为-25.79 mm，略大于数值模拟得出的沉降值，分析认为主要原因是现场隧道上部的堆载和土层因素的不确定性，但结果依然能够说明优化后选取的参数在施工现场中具有较好的效果。

图4 模拟沉降值与监测断面实测沉降量对比Fig.4 Comparisons of simulation settlement and monitored settlement

4 结 论

(1) 由灰色关联度序列可知该隧道区间各盾构参数与变形稳定后地表沉降的关联度从大到小依次为：土仓压力、掘进速度、注浆压力、刀盘扭矩、出土量、注浆量、盾构总推力。

(2) 正交试验的模拟分析结果表明：盾构参数对变形稳定后地表沉降影响从大到小的顺序为土仓压力、掘进速度、注浆压力，与灰色关联分析结果吻合。这一结果可以在一定程度上证实在此类问题上两种分析方法的适用性。基于正交实验的盾构参数的优化水平组合为：土仓压力180 kPa、掘进速度30 mm/min、注浆压力0.3 MPa。

(3) 现场参数根据模拟结果进行了调整后，实际监测结果表明，模拟数据与监测数据基本相符，并且在现场施工中具有很好的效果，有效地控制了地表沉降。