盾构施工对地表沉降影响数值模拟研究★

唐光生 田雪萍

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.长安大学，陕西 西安 710061)

0 引言

地铁隧道盾构法施工由于对周围岩土地层产生了扰动，使得隧道四周岩土体应力得到释放，从而导致土体发生位移，引起地表沉降。目前，对于盾构单线隧道施工情况下，地表沉降规律、沉降槽的形式和地表沉降预测方法[1-7]，国内外许多研究者各自提出了相应的研究成果。唐晓武等[8]通过研究实际工程中的粉砂土层，分析盾构与土体之间相互作用引起的地表沉降特性，得出盾构施工中拱起的产生与盾构机壳的摩擦直接相关，而地表沉降与盾尾空隙相关。魏纲[9-11]指出土体损失率与土质情况、施工质量和隧道埋深直接相关，建立了盾构法隧道统一土体移动模型，并对盾构法隧道地面沉降槽宽度系数的取值进行了研究。姜忻良等[12]以框架结构楼为对象，利用ANSYS建立三维数值模型，按照结构—土体—隧道共同作用分析了盾构施工对临近建筑物的影响。朱伟等[13]利用FLAC3D对砂土隧道盾构开挖中开挖面支护力与开挖面的稳定性之间的关系进行了分析，为盾构隧道开挖面支护应力的控制提供了参考；同样，郭小云[14]首次对黄土地区盾构施工地铁隧道建设引起的土体位移运用ANSYS软件进行了模拟，分析了盾构施工引起的地层变形和地面沉降规律。韩煊[15]基于工程监测数据，深入分析了隧道盾构施工引起的地层损失、地表位移和建筑物变形规律，并结合上述规律提出了相适应的预测方法和模型。

以上是通过数值方法对盾构隧道的施工过程引起的地表沉降的研究，但是对于利用ABAQUS模拟在盾构隧道的施工过程中因土质情况、土体相关参数、单线盾构推进进尺以及上部结构刚度的差异对地表沉降影响的数值模拟研究仍然较少，本文通过利用ABAQUS对以上几种因素在相应变化量下的分析研究，得出了不同变量下的地表竖向沉降规律。

1 有限元模型相关参数

考虑到模拟需要还原真实工况，本次模拟采用三维模型。运用ABAQUS数值模拟软件模拟某地铁一号线东部市场至拱星墩区间盾构施工过程中引起的地表沉降变化规律，引入土体力学参数、结构刚度和开挖距离等因素，采用控制变量法进行对比分析，研究各种因素在相应变化量下地表沉降曲线形式与规律。

土体和建筑物均采用三维八节点线性实体单元，管片采用八节点线性实体、非协调模式的薄壁结构。在分析盾构注浆中，在盾构掘进过后，土体与盾尾空隙之间注浆填充一层均匀的弹性体，赋予其一定量值的弹性模量并简称为等代层。

盾构模型参数如表1所示。

表1 盾构模型参数

2 盾构隧道施工沉降影响数值模拟研究

2.1 模型及土体相关参数

模型尺寸取130 m×90 m×60 m，整体模型图如图1所示。盾构隧道轴线埋深为h=20.3 m。土体相关参数如表2所示。

表2 土体相关参数

2.2 不同土质条件对盾构隧道施工沉降影响数值模拟研究

不同种类土质因其相关力学参数的不同所引起的地表沉降值也有所区别。以下运用表1中通过现场测试所得到的5种不同特性土质在隧道开挖过程中引起的地表沉降曲线进行研究，分析地表沉降曲线规律。不同力学性质的土体引起的地表竖向沉降值和沉降槽宽度系数如图2，表3所示。

表3 沉降槽宽度系数 m

从图2得出，不同土质情况下盾构施工引起的地表竖向沉降曲线有所不同，但都近似符合Peck所提出的正态曲线分布。这是由于土体相关力学参数(粘聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比)的不同导致的，具体可以理解为当土体较软(土体相关参数较小)时，盾构开挖后因土体受到扰动，应力得以释放而向着隧道中心移动，无支撑作用的较软土体向着初衬聚集，并填满盾尾空隙，到达初衬后在衬砌支撑下土体沉降将会减小，但沉降范围有所增加；相反，当土质较硬时，隧道四周土体虽会向衬砌移动，但盾尾空隙不会被迅速填满，土体会在自重作用下向下产生变形向着隧道底部位移，导致较大沉降发生[16]。另外，从图2中还可以观察到，沉降曲线左右两翼处有隆起产生，这是因为在盾构施工中相对于土体，隧道衬砌管片和盾尾空隙填充物(等代层)的弹性模量等物理参数太大，盾构机穿过后得到应力释放的岩土体将其自身的压力作用在衬砌管片上，致使管片产生竖向挤压的同时也引起了侧向(水平向)的变形，管片的侧向变形力会对土体产生侧向挤压，使得左右两侧土体向背离隧道中心方向产生移动，进而引起土体在一定范围发生隆起。

从表3可以看出不同土质的沉降槽宽度系数存在着一定差异，它主要取决于土体的相关参数，正如以上分析中提到的，土质较软的地层在盾构施工中一般不易引起较大的地表沉降，但沉降范围较广；相反，土质较硬的地层发生的地表沉降较大，地层沉降范围较小。

2.3 土体相关参数变化对盾构隧道施工沉降影响数值模拟研究

对不同土质下盾构开挖引起的沉降影响分析，其本质是各类土体相关参数的不同导致土体沉降曲线有所差异，以下对土体的相关力学参数做进一步模拟分析。不同弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比引起的地表竖向沉降值分别如图3～图6所示。

从图3～图6可以得到，地表竖向沉降值随着土体相关力学参数的增大而减小，同时，沉降影响范围有所增大。土体自身不同的力学参数所引起的地表沉降曲线在形态上基本相同，其中弹性模量和泊松比的变化所导致的沉降值变化较大，并且变化趋势也越来越快，反映出这两个参数对土体沉降影响较大。例如，由图3可知土体最大和最小弹性模量(70 MPa和10 MPa)所引起的地表竖向沉降值相差3.7×10-2m；由图6土体最大和最小泊松比(0.4和0.1)所引起的地表竖向沉降值相差7.91×10-2m。

而土体的内摩擦角和粘聚力对地表竖向沉降影响并不明显，这是由于内摩擦角相对较大的土体在盾构隧道开挖时容易形成拱效应，使得盾构开挖过后受到扰动的土体应力释放范围较小；而对于黄土等较硬土质来讲，其沉降宽度大、深度较浅，开挖过后沉降影响范围较大。

2.4 单线盾构推进进尺对盾构隧道施工沉降影响

土体发生沉降的实质是地层的损失和土体受扰动后应力释放进而在自重作用下向衬砌和隧道底部移动的过程。在盾构施工过程中，盾构机在进行土体挖掘前进的同时，会对隧道四周地层进行不同程度的扰动，所造成的土体应力释放程度和释放空间范围也有所不同，这往往取决于推进距离的大小，因此，不同的盾构推进距离所引起的地表沉降也必然有一定的区别。本次模拟采用五种不同的推进距离(推进进尺分别为6 m，9 m，15 m，18 m和22.5 m)来分析其对地表沉降的影响规律。不同推进进尺引起的地表竖向沉降值如图7所示。不同推进进尺引起的地表最大竖向沉降值如图8所示。

由图7，图8可以得出，隧道盾构最大和最小推进进尺所引起的地表最大竖向沉降值分别为1.68×10-2m和1.52×10-2m，两者之间竖向沉降值差为1.6×10-3m。进而分析得出，在盾构隧道深度、直径和隧道四周土质条件等一定的情况下，盾构推进距离的变化对于地表竖向沉降值的影响不大，但两者之间存在着一定的正相关性，即地表最大竖向沉降值随着开挖距离的增大呈线性增长趋势。这是由于盾构推进距离较大时，对周围土体的扰动也越多，受扰后的土体由于应力得到充分释放而向着隧道中心移动的距离也相对较大，最终造成地表沉降值较大；相反，当盾构推进距离较小时，对四周土体的扰动也较少，受扰土体的应力并没有得到完全释放而使得其向隧道中心移动的距离相对较小，造成地表沉降值也较小。

2.5 上部结构刚度对盾构隧道施工沉降影响研究

建筑物结构的刚度对地层土体起到控制制约作用，限制土体发生位移，造成地层移动与天然状态相比有所不同[20]。本次模拟中土体上部设计带有结构刚度的建筑物，并通过改变土体上部建筑物结构的弹性模量进行计算分析，取0 MPa，10 MPa，102MPa，103MPa和104MPa五种情况。考虑到土体沉降影响范围，建筑物长度方向尺寸取60 m，并以杂填土为例进行分析。不同结构刚度地表竖向沉降值如图9所示。

从图9得出，在盾构隧道上方存在一定刚度的建筑物结构时会对地表沉降产生较大影响，可以明显看到，在建筑物长度方向上地表竖向沉降有两种不同的变化规律，即以隧道中心轴线为起始端，左右两侧约15 m(沉降槽宽度系数)范围内地表竖向沉降值随着土体上部结构刚度的增大而减小；而在隧道中心两侧15 m～30 m范围内地表竖向沉降值随着土体上部结构刚度的增大而增加。这是由于上部建筑物结构通过地基基础来协调与土体的变形之间的关系，土体上方存在建筑物时，尽管地表沉降数值有所差异，但沉降曲线形态与上方不存在建筑物结构时相类似，其原因在于建筑物地基基础的变形与土体沉降相互协调，沉降槽变化相对均匀。在隧道开挖过后，地层土体的损失虽然导致了土体向着隧道开挖的方向缓慢地移动，但是在高层建筑物的基础与地层土体的相互作用下，土体移动的趋势平缓。

同时，可以发现在沉降曲线两侧有隆起现象，隆起刚好发生在隧道中心两侧30 m处，即土体上部建筑物长度方向的边缘，其原因在于建筑物基础的刚度相对于土体而言过大，建筑基础不易发生较大变形，在盾构开挖过后土体向着衬砌管片发生位移，而使建筑物基础中部失去支撑作用而产生弯矩，进而建筑物为了与土体位移相协调而向下挤压土体并发生变形，使得左右两侧土体受到侧向挤压而发生形变，造成基础边缘土体产生向上的隆起。

可以得出，盾构隧道上方存在建筑物时，建筑物的整体结构刚度会对地表沉降起到控制和制约的作用，所表现出的沉降曲线形状较宽较浅，这也侧向说明在建筑物刚度的影响下地表沉降值在隧道中心两侧建筑物长度方向范围明显减小。

3 结语

1)盾构施工在不同土质条件下引起的地表竖向沉降值、沉降槽宽度系数以及沉降影响范围都有较大差异。地表竖向沉降值随着土体相关力学参数的增大而减小。

2)盾构开挖过程中，不同的推进距离引起的地表竖向沉降值有一定差异，随着盾构推进距离的增加地表竖向沉降值在增大，并且呈一定的线性关系。

3)在盾构隧道上方存在一定结构刚度的建筑物时，地表竖向沉降值与天然地面相比大小有所不同，但沉降曲线形式相类似。在上部建筑物结构刚度的影响下，建筑物基础与土体变形相互协调，起到相互制约的作用，最终在隧道中心两侧较大范围内产生较小沉降。