小半径曲线隧道盾构施工地表沉降分析

刘亚辉， 王亚飞， 黄运生， 尹忠辉， 陈磊杰

(1.中铁隧道局集团路桥工程有限公司， 天津 300300； 2.安徽建筑大学 土木工程学院， 安徽 合肥 230601； 3.安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心， 安徽 合肥 230601)

随着我国城市化水平的提高，地下空间开发利用规模增大，隧道建设成为地下空间开发中的重要方式[1]。理想的城市地铁线路由直线和少量曲线组成，但受城市区域内错综复杂的地上和地下建筑物影响，地铁线路常需避开障碍物，不可避免地出现小半径曲线隧道。与直线型隧道相比，小半径曲线隧道盾构施工时更易出现超(欠)挖，造成盾体被卡、管片破损、隧道侵限和地面沉降等问题[2]。过大的地面沉降将造成建筑物倾斜、地基稳定性破坏，影响地面建筑物的正常使用。因此，施工过程中最大程度减少对地表及邻近建筑物的干扰，正确预测及有效监测施工带来的沉降，确保施工安全有序进行显得尤为重要。

邓皇适[3]基于镜像法推导小转弯半径盾构施工引起地表沉降计算公式，地层损失模型合理且地表沉降分布与实际情况一致。路林海[4]通过Peck公式修正后得到曲线隧道的地表沉降预测公式，并将计算结果与工程实测数据进行了对比分析。肖昭然[5]通过数值建模及工程现场实测，研究曲线隧道中地铁列车荷载对隧道结构的影响。张雁[6]研究发现曲线半径小于300 m时地表沉降将随着半径变小而显著增加。刘攀等[7]通过现场实测与理论计算相结合的方式分析曲线隧道施工中的衬砌控制措施。黄雪梅等[8]研究盾构在曲线下穿多轨道铁路群时的地表沉降，总结了相关盾构施工控制措施。

本文以合肥地铁4号线天水路站-翠柏路站区间段为背景，利用有限元软件Midas GTS NX模拟盾构动态开挖过程，研究不同超挖量下地表沉降的变化规律，并将数值计算结果与实际监测数据进行分析对比，为合肥地铁建设提供技术参考，完善施工。

1 工程概况

合肥轨道交通4号线翠柏路站-天水路站区间段采用盾构法施工，平面呈“S”型，区间总长约2 773 m。区间线路出翠柏路站后以R=350 m平曲线从铜陵北路与泗水路交口进入铜陵北路，沿铜陵北路自北向南前行一段距离后，以R=350 m平曲线下穿合肥东编组站42股道群，最终到达天水路站。区间隧道平面图如图1所示。

图1 区间隧道平面图

天水路站-翠柏路站区间位于江淮波状平原，南淝河二级阶地之上，地形较平坦。隧道采用单层装配式衬砌结构，衬砌圆环内径5.4 m，外径6.0 m，另有14 cm的注浆层，隧道开挖直径为6.28 m。盾构穿越合肥东站股道群处的覆土厚度(至道床顶)为14.35～15.59 m，隧道左右线间距为11.82～16.39 m。

根据勘察资料，隧道穿越区段为工程地质V单元，主要可分为第四系人工堆积层(Q4ml)、第四系全新统沉积层(Q4l)、第四系晚更新统冲洪积层(Q32al+pl)、第四系残积层(Qel)及上白垩纪统张桥组地层(K2z)。其中，盾构穿越段隧道洞身主要位于第四系晚更新统冲洪积层的黏土和粉质黏土层。

2 盾构隧道三维有限元模拟

2.1 本构关系与计算参数

本模型中，土体采用实体3D单元模拟，采用Mohr-Coulomb本构模型[9]，依据本工程地勘报告进行合理简化，确定各土层参数，其余材料参数依照实际结合混凝土结构设计确定。衬砌管片与注浆材料采用实体单元模拟，盾壳则采用板单元模拟，注浆压力选取为200 kN/m2，材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性参数表

2.2 模型建立

将隧道隧区层、管片层和注浆层设置为R=350 m的圆曲线来模拟隧道开挖情况[10]。隧区层为后续需要钝化的土体，直径5.4 m，管片层厚度0.3 m，注浆层厚度则为0.14 m。开挖进尺选取一个管片的长度，即开挖步长1.5 m[11]。最终模型尺寸为：X向取88 m，Y向取75 m，Z向取60 m。隧道顶覆土高度为16.9 m，隧道间距为20 m。根据郝润霞[12]所推导曲线段盾构理论超挖量计算公式，通过改变曲线隧道内侧超挖量δ，研究曲线隧道发生不同超挖量与地层损失率对地表沉降的影响[13]。将超挖层设为0 mm、25 mm、50 mm，分别对应于无地层损失(即理想状态曲线开挖)、地层损失率0.8%、地层损失率1.6%。盾构下穿合肥东编组站股道群的三维数值计算模型如图2所示。

(a)曲线隧道模型 (b)计算模型

2.3 结果分析

隧道开挖完成后地表沉降云图如图3～图5所示。对比理想曲线开挖状态下与发生地层损失情况下的地表沉降云图，地层损失率对地表沉降存在明显的影响。在不发生超挖即理想开挖的情况下，模拟地表沉降最大沉降为-4.30 mm；地层损失率为0.8%时，最大沉降为-6.39 mm；当地层损失率为1.6%时，地表沉降最大沉降-10.80 mm。相比于理想曲线开挖地表沉降，发生0.8%和1.6%的地层损失率后，地表沉降分别增大了48.6%和151.1%。由此可见，地层损失对地表沉降的影响十分明显，地层损失量越大，地表沉降也越大。

图3 理想曲线开挖位移云图

图4 地层损失率0.8%时开挖位移云图

图5 地层损失率1.6%时开挖位移云图

将3种工况下的地表沉降进行整理后得到沉降对比图如图6所示。隧道为小半径曲线，呈曲线向右弯曲，因此地表沉降的最大值分布在隧道左右线隧道之间，但是沉降最大值更接近于隧道右线上方。总结前人对双线平行直线隧道的沉降规律后可以得出，双线曲线盾构施工所引起的地表沉降情况与直线隧道的开挖沉降类似，主要表现为“V”形，即位移沉降中间大两端小。地表沉降随开挖距离变化图如图7所示，随着盾构机的不断掘进，地表沉降最大值也随之变大。同时随着地层损失率的不同，地表沉降的变化也不同，地层损失率越大，地表沉降变化速率也越快。在不改变盾构掘进其他参数的情况下，盾构发生地层损失将明显导致地表沉降变大。因此合理控制盾构掘进姿态，减少土体损失在实际施工中显得尤为重要。

图6 3种工况下地表沉降量对比图 图7 地表沉降量随开挖距离变化图

3 原位测试

3.1 监测实际数据

在区间盾构掘进过程中，由于外界复杂因素的影响，很难单纯从理论上预测工程中遇到的问题，而且理论预测值也不能全面而准确地反映工程的各种变化。所以，在理论指导下进行现场施工监测十分必要。本文选取左线隧道中心、右线隧道中心和轨道南侧12 m处地表共42个沉降监测点的数据，将其与数值计算所得结果进行对比分析。监测点布置如图8所示。地表沉降与盾构双线路基沉降监测点监测所得数据如表2所示。

图8 监测点分布示意图

表2 盾构双线路基沉降监测数据

3.2 与模拟数据对比分析

实测左线隧道、右线隧道路基的沉降如图9所示。由图可知，在盾构掘进过程中，左右线中心上方地表沉降数据并不完全相同，但整体来看沉降相差不大。实测地表沉降介于数值计算土体不超挖与超挖25 mm之间，实测地表沉降大小满足地面沉降控制要求，由此推断盾构机在下穿合肥东编组站股道群的掘进过程中，存在部分超挖情况，但盾构姿态整体控制良好[15]。

(a)左线 (b)右线

4 结 语

以合肥地铁4号线天水路站-翠柏路站小半径曲线区间隧道盾构工程为背景，利用有限元软件Midas GTS NX模拟盾构动态开挖过程，研究不超挖、超挖25 mm、超挖50 mm共3种情况对小半径曲线隧道地表沉降的影响，并将数值计算结果与现场实测数据进行对比，结论如下：

(1)小半径曲线隧道盾构开挖过程中，隧道周围地表沉降分布曲线主要表现为“V”形，中间大两端小。与直线隧道开挖后沉降不同的是，曲线隧道地表沉降的最大值会向转弯半径内侧偏移。

(2)超挖对地表沉降影响十分明显，超挖量越多，地表沉降越明大，且地表沉降变化速率也越快。

(3)左右线中心上方地表沉降数据并不完全相同，但沉降变化相差不大。