盾构隧道施工对地表沉降影响研究

贾建强

（山西省博大正昊工程勘察设计咨询有限公司，山西 太原 030032）

引言

隧道开挖会诱发地表沉降，合理控制地表沉降对保护邻近地表构筑物具有重要的意义。近年来，国内学者对此进行了一些研究，李小青和冯国冠等[1-2]以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场和位移场变化，对隧道施工引起的地表沉降变形规律进行了分析并对不同影响因素的敏感性进行了研究。孙闯和金明等[3-4]采用FLAC3D软件对上海某越江隧道施工过程进行了数值模拟，分析注浆压力对管片上浮的影响。杨圆等[5]依托某地铁区间工程，研究盾构施工参数的选取对隧道开挖附近的地表沉降及土体变形的影响，并提出相应控制措施，采用Abaqus有限元软件对该工程典型掘进段进行精细化仿真得到沉降模拟值，并运用三维Peck公式得出沉降计算值，最后与施工过程中典型监测点的沉降监测值进行对比，总结施工参数对地表沉降的影响规律。祝和意[6]认为盾构法施工作为一种安全高效的隧道施工方法具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，然而在盾构法施工过程中刀盘与盾体，盾体与管片存在间隙，在同步注浆无法及时跟上的情况下，容易造成地表沉降。

1 工程概况

隧道直径为6 m，隧道中心埋深为15～26 m，区间范围内主要以素填土、黏土、泥灰岩、细粉砂等为主，工程区内不考虑地表和地下水存在的影响。为了分析盾构隧道施工对地表沉降的影响，选取3个典型断面进行分析，分别为DK3+006断面、DK4+124断面和DK4+375断面, 见图1。

图1 3个断面土质分布/m

2 现场沉降监测

为了监测隧道施中引起的地表横向沉降，给出了地表横向监测点布置见图2，每个断面上设置5个监测点，其中中间位置的地表监测点位于隧道轴线正上方。

图2 水泥稳定碎石的运输

图2 地表横向监测点布置

DK3+006断面、DK4+124断面和DK4+375断面的实测地表沉降数据见表1。

表1 断面现场实测数据

3 数值模拟对比分析

3.1 模型建立

DK3+006断面采用有限元软件PLAXIS建模分析，见图3。DK3+006断面隧道中心埋深为17.0 m。由于隧道埋深较浅，建模时模型上表面即为地表，模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束，土体本构模型采用摩尔库伦本构模型，混凝土本构模型为线弹性模型。由于对称性，仅建立左侧半边模型，模型长、宽、高分别为80 m、20 m和30 m，网格共计3 764个。

图3 数值模型

表2给出了模型从上至下的土体物理力学参数。

表2 土体物理力学参数

隧道支护为预制管片支护，衬砌采用结构单元，力学参数见表3。

表3 管片、盾壳及注浆材料的力学参数

3.2 不同工况下模型竖向位移分析

在模拟过程中，以模型中部断面为监测面，为了分析隧道开挖过程中的监测面的位移变化规律，给出掌子面距离监测面10 m、8 m、6 m和0 m时的隧道竖向位移结果，此时还未进行壁后注浆，见表4。

表4 隧道开挖过程中竖向位移结果

（1）当隧道掌子面距离监测面10 m时，监测断面发生较小的沉降，而在隧道底侧管片壁后注浆位置处，由于围岩应力释放，发生了较大的隆起，最大隆起值高达2.8 mm。（2）管片壁后进行注浆，掌子面继续向前，当掌子面距离监测面8 m时，监测面最大沉降达8.7 mm。（3）当掌子面距离监测面6 m时，监测面最大沉降达9.6 mm。（4）当掌子面达到监测面时，监测面最大沉降达10.7 mm。之后，当盾构机继续向前时，监测面地表沉降仍会继续增大，直至最终趋于稳定。

3.3 现场监测与数值模拟结果对比分析

为了验证数值模拟过程和结果的合理性，给出了DK3+006断面、DK4+124断面和DK4+375断面3个断面现场实测地表沉降与数值模拟沉降对比，见图4。

图4 现场监测与数值模拟结果对比曲线

由图4可知，3个断面的模拟值均与现场实测值吻合良好。（1）对于DK3+006断面，现场监测与数值模拟最大值分别为12.5 mm和13.1 mm，二者误差约为4.8%。（2）对于DK4+124断面，现场监测与数值模拟最大值分别为12.7 mm和12.4 mm，二者误差约为2.4%。（3）对于DK4+375断面，现场监测与数值模拟最大值分别为13.2 mm和12.8 mm，二者误差约为3.1%。综上，3个断面误差均不超过5%，说明数值模拟结果的合理性。

图4 水泥稳定碎石压实成型

4 结语

对典型的3个断面的监测和数值数据进行了对比分析，得到结论：（1）由于围岩释放作用，盾构开挖离监测面越近，隧道上部土体发生沉降越大，当掌子面分别距离监测面8 m、6 m和0 m时，监测面最大沉降分别为8.7 mm、9.6 mm和10.7 mm。之后，当盾构机继续向前时，监测面地表沉降仍会继续增大，直至最终趋于稳定。（2）DK3+006、DK4+124和DK4+375 3个断面的数值模拟地表沉降值均与现场实测值吻合良好，3个断面的数值模拟与现场实测值误差均不超过5%，说明数值模拟结果的合理性。