盾构穿越软土地层预加固数值模拟与变形控制

吴永哲 靳贻杰 张志宇 王岩梓 杨平

（1.中交隧道工程局有限公司，江苏南京 210007；2.南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037）

0 引言

地铁等地下交通设施开发日益广泛，地铁隧道穿越全断面软弱地层的工程案例愈发常见[1-4]，此类软弱地层自稳性差，盾构掘进过程中伴随有地面崩塌的风险。水泥土加固能有效改善土体力学特性，提高土的稳定性。应对盾构穿越此类地层稳定安全及对周边环境影响问题，工程上也多采用水泥土改良加固土体，且不同工况匹配有不同加固方式[5-8]。

国内外对盾构穿越软土地层扰动变形研究主要从实测、数值模拟和理论解析三方面开展。针对广州地铁18 号线，根据地质情况及工程难点，采用超前注浆施工工艺对地层进行补偿加固，对地层变形控制取得了良好效果[9]。刘新军等[10]以南京地铁5 号线隧道出三山街站下穿既有地铁1 号线为工程背景，通过数值模拟对比分析了3 种地层加固方案，最终选定管棚+水泥土搅拌桩+袖阀管注浆联合加固方案，有效地控制了既有地铁沉降变形。理论解析方面，最早由Peck 根据监测数据统计分析提出Peck 沉降经验公式[11]，其后一些学者提出适应不同地层条件下的修正Peck 公式，并利用叠加原理得出双线隧道修正Peck 公式[12-16]。Sagaseta[17]进一步通过弹性力学方法研究不排水条件下隧道开挖后的地层位移场变化规律，其后Booke 和Verruijt[18]在Sagaseta 的基础上考虑隧道椭圆化变形得到地层位移场计算公式。刘维正等[19]基于最小势能原理提出新建盾构隧道施工引起的附加应力以及隧道纵向变形的计算方法。Lin等[20]分析了盾构掘进过程中地表沉降槽和作用在既有隧道上的土压力的变化规律，进而得到新隧道开挖引起的既有隧道横向变形、内力和隧道扭转变形规律。

不同地区不同地质条件下，地表沉降及隧道变形往往具有较大差异，因此应根据实际工程进行有针对性的研究。本文依托佛山地铁3 号线创驹盾构区间工程，针对全断面软土地层盾构掘进开展数值模拟研究，分析不同加固方式下的地表沉降及隧道变形规律，并与实测结果进行对比，优选提出盾构掘进预加固方案，为后续类似工程提供参考。

1 工程背景

佛山市城市轨道交通3 号线3202-2 土建工程创意园站-驹荣北路站盾构区间下穿新峰路、桂畔海，再侧穿桂畔海桥梁工程后拐向西沿东乐路，最后到达驹荣北路站。盾构双线隧道间距为15 m，区间隧道外径6.2 m，拱顶覆土埋深为9.06～21.32 m，选用盾构机盾口直径6.45 m、盾尾直径6.43 m、长8.2 m，管片采用C50 混凝土，管片厚度350 mm。隧道穿越全断面软流塑地层，地层承载力低，地表极易产生沉降，盾构区间周围环境复杂，建构筑物较多，需根据具体现场环境及地层软弱土层灵活选用加固方式。该段隧道沿线及穿越地层情况见图1。

图1 隧道穿越地层示意图

常用的软弱地层加固方式有地面三轴搅拌桩、地面旋喷桩、超前钻孔注浆和壁后深孔注浆法等，相较于工后加固，预加固控制变形效果更为显著、适用范围广、成本低。为了研究不同预加固方式对盾构穿越全断面软土地层变形影响，本文选取三轴搅拌桩预加固和超前预注浆加固两种加固方式与未加固下的土体变形进行数值模拟对比研究。

2 数值模拟

盾构施工区间模型选取佛山地铁3 号线创驹区间DK15+55.764-DK15+112.301 里程段穿越最不利土层为建模段，加固段共长57 m，对该区间全断面软流塑土层加固方式、地表沉降及隧道变形规律进行研究和模拟分析。为简化模型，提高运算效率，做出以下设定：（1）土体为不排水固结和均质线弹性半无限空间体；（2）所有材料为均质、连续、各向同性，土层水平成层分布；（3）不考虑地面三轴搅拌桩预加固施工所导致的地层变形；（4）荷载只考虑土体和隧道管片结构的自重荷载，不考虑施工过程中动荷载；（5）壁后同步注浆作用范围为盾尾一环的长度，即1.5 m；（6）不考虑地下水渗流作用。

2.1 几何模型及网格划分

（1）三轴搅拌桩预加固

三轴搅拌桩采用格栅型加固形式，几何模型以隧道中心线为中心，沿隧道轴向均匀五排分布，每排间距2.4 m，纵向加固桩体从隧道拱顶上3 m 加固至隧道拱底以下14.85 m，桩长24 m，垂直隧道方向每排间距1.5 m，桩体从隧道拱顶3 m 处加固至拱底3 m，桩长12.2 m，最终形成格栅型加固区域（见图2）。

图2 三轴搅拌桩加固体及几何模型图

（2）超前预注浆加固

根据超前预注浆加固技术施工要求，加固范围在盾构机主机拱部180°，根据现场土层分布情况和盾构机结构特点，注浆孔倾斜角度不大于10°，注浆孔环向间距不大于1.4 m，注浆孔距离刀盘间距不大于3.5 m，设计浆液扩散半径1.2 m，注浆管长度10 m。具体如图3（a）、图3（b）所示。

图3 超前预注浆加固体及几何模型图

考虑尺寸效应和减小边界效应对盾构掘进的影响，盾构施工在各方向的影响范围选取为盾构开挖直径的3～5 倍，确定模型整体几何尺寸为74 m×70 m×55.3 m。土体网格采用精细划分，土体单元粗糙系数设置为1，水泥土三轴搅拌桩粗糙系数设置为0.5，隧道管片设置为0.3，土体单元、水泥土加固体、及隧道衬砌均采用10 节点四面体实体单元，盾构机采用6 节点板单元，盾构机与土体接触面设置12 节点界面单元。模型边界条件为底部完全固定，四周法向固定，顶面自由。三轴搅拌桩加固体几何模型见图2（c），超前预注浆加固体几何模型见图3（c）。

2.2 力学模型及参数

土体采用小应变土体硬化模型 (HSS)，HSS 模型考虑了土的受荷历史和刚度的应变相关性，可用来模拟循环加载工况，较为准确地预测土体卸荷变形，同时可较为全面描述软土压缩硬化、剪切硬化、加载、卸载以及小应变等多方面的力学特性。结合勘察报告和室内试验给出盾构穿越土层参数如表1 所示，主要材料参数见表2。

表1 土层物理力学参数

表2 材料物理力学参数

2.3 分段施工步骤

该盾构区间施工复杂，参考工程经验及相关文献，将隧道区间盾构施工大致分为3 个阶段：（1）施作预加固注浆体；（2）设定盾构机初始位置；（3）盾构机按环数推进。混凝土管片宽度为1.5 m，因此模拟每一施工步推进一环管片距离1.5 m，模型共推进38 环，总计施工步为40 步。3 个施工阶段具体步骤模拟如下。

施作预加固注浆体：采用改变加固区域土层参数的方式，使用实体土层单元模拟加固体。

设定盾构机初始位置：将初始位置土体单元冻结，水力条件设置为干，激活前6 m（4 环管片）位置的隧道衬砌单元，激活盾构机所对应的板单元，模拟初始位置。

盾构机推进：①模拟盾构机每次推进一环管片，长度1.5 m，共推进38 环；②通过设置盾构机的面收缩模拟地层损失，由盾口直径6.45 m、盾尾直径6.43 m 可知，面收缩设置为（6.45-6.43）/6.435≈0.3%；③盾构机每推进一环土体，在盾尾处1.5 m 范围内设定注浆压力模拟注浆过程，上部管片处设定注浆压力为0.2 MPa，下部管片处注浆压力设定为0.25 MPa；④设置好盾尾处注浆压力后，后一环设置为混凝土管片，并在管片上设置千斤顶推力22817 kN。此为一步开挖施工步骤，共38 步。

2.4 数值模拟结果分析

不同预加固方式下盾构掘进时竖向位移对比如图4 所示，可见不同加固方式下土体变形规律相似，即：（1）盾构机掘进时刀盘开挖面均出现上部土层隆起，下部土层沉降，这是由盾构机刀盘旋转挤压土体引起的；（2）土层最大沉降均发生在盾尾注浆部位，这是因为盾构掘进过程中，管片外径略小于盾构机外径，盾尾脱离管片时在管片与隧道间会产生间隙，发生地层损失，此外土体受到扰动后应力释放，在盾尾脱离管片注浆位置产生较大沉降变形。

图4 不同加固方式下盾构掘进12 m 时竖向位移云图（单位：mm）

不同预加固方式对土体变形影响较大，相比之下，三轴搅拌桩加固效果更为显著，有效减少了盾构掘进对土体变形的影响，这主要是由于相对于超前预加固钻杆喷浆，搅拌桩施工充分利用原位土，不产生附加沉降，且三轴搅拌桩水泥土加固范围更广。

不同加固方式下地表最终沉降变化规律如图5所示，可以看出地表横断面地表沉降曲线在双线隧道左右两侧监测点范围内，沉降槽不对称且近似呈“V”形，“V”字形态是由于靠近隧道开挖处土体受扰动程度相对更大，沉降槽不对称是因土塑性的不对称而产生的，沉降最大值点向先行掘进的左线隧道方向偏离中轴线，主要原因是左线先行隧道通过管片壁后同步注浆对隧道周围土体进行了加固，提高了围岩整体强度和稳定性，为右线后行隧道掘进创造了有利条件，因此先行隧道对地表沉降的影响大于后行隧道，先行隧道与后行隧道施工对双线中轴线位置土体沉降影响表现为叠加效应，符合Peck 沉降槽规律。

图5 不同加固方式下地表最终沉降分布曲线

图5（b）中纵断面地表沉降分布曲线可分为4 个阶段：阶段I，盾构通过前，由于土仓压力略大于掌子面平衡压力，地表产生轻微隆起，并在盾构通过处达到峰值，可以看出该阶段先行变形的扰动范围与加固方式无关；阶段II，盾构通过时，该阶段土体扰动应力释放，地表沉降快速增大；阶段III，盾尾空隙未被盾尾注浆及时填充，隧道周围土体开始向盾尾处位移引起沉降；阶段IV，土体蠕变产生次固结沉降。前三个阶段地表沉降量及变化速率均较大，此时可通过盾尾及时同步注浆，并适当增大注浆压力及注浆量使地表沉降量及变化速率减小；随着盾构施工的推进，位于盾尾部分的注浆体强度不断增大，地表沉降速率逐渐减小，沉降量趋于稳定，但隧道周围土体沉降还会持续一段时间，主要包括固结沉降和蠕动沉降两部分，软土地层中这部分约占总变形量的5%～20%。在全断面软土地层中，地表沉降主要发生在盾构通过时及盾尾管片脱出后，盾构和管片之间产生空隙致使地层沉降，同时也是土体加固主要作用部位。

不同预加固方式隧道最大变形量分布曲线如图6所示，由图6 可见，随着盾构在全断面软土地层中推进，土体扰动范围及程度增加，隧道拱顶沉降和水平收敛值均不断增大，且变形主要发生在盾构通过的前35 m 以内，同时该段也是各预加固主要作用范围，其后则趋于稳定，这是由于在盾构刚通过时，土体受到施工扰动出现应力释放，产生较大的土体位移，对隧道的变形影响明显，随后盾构开挖对后方土体的变形影响越来越小，土体位移对隧道衬砌影响也逐渐降低。对比拱顶沉降和水平收敛可以发现，拱顶沉降比水平收敛更加明显，这是由于隧道的开挖导致地表产生微量下沉变形。这是由于相较两侧围岩，拱顶受上覆荷载的影响更大所导致的。

图6 不同预加固方式隧道最大变形量分布曲线

根据图5 及图6 不同加固方式下的模拟结果可知，未加固工况下地表沉降、隧道拱顶沉降和水平收敛最大值分别为27.7 mm、13.78 mm、10.57 mm，采用超前预注浆加固后分别降低为未加固的57.0%（15.6 mm）、69.1%（9.52 mm）、61.0%（6.45 mm），采用三轴搅拌桩预加固则分别降低为未加固的32.1%（8.9 mm）、50.2%（6.92 mm）、43.0%（4.55 mm），表明采用预加固措施可以减少全断面软弱地层隧道盾构掘进过程中的地表沉降和隧道变形，并且选用三轴搅拌桩预加固可更好地控制土体及隧道变形。当不具备地面加固条件时，可采用超前预注浆加固方式。

3 工程应用

3.1 工程实际加固方案

本工程依据数值模拟研究成果，并结合实际场地条件，最终采用格栅式三轴搅拌桩进行预加固，相应参数与前文数值模拟使用参数一致。在双线隧道轴线上每10 m 布置一个监测点，每隔50 m 布设一个监测横断面，监测横断面上共设10 个测点，以双线隧道中心线为中心，分别距离中心线2 m、7 m、12 m、22 m、37 m 对称布置，以监测地表沉降；隧道内部每 5 m 在管片内布置一拱顶监测点、一对拱腰水平收敛监测点。监测点具体布置如图7 所示。

图7 测点平面布置示意图

3.2 实测结果与分析

（1）地表沉降分析

三轴搅拌桩加固后地表沉降值模拟与实测对比如图8 所示，两种曲线形态、沉降量大小及分布规律基本一致。图8（a）在双线隧道左右两侧监测点范围内横断面沉降槽成“V”字形，最大值点向先行掘进的左线隧道方向偏离中轴线，先行隧道对地表沉降的影响大于后行隧道。地表横断面的沉降分布曲线均符合Peck 沉降槽规律。

图8 地表沉降对比

从图8 还可看出，先行通过的监测点沉降较大，这主要是后期固结沉降的时间效应引起的差异。图8（b）实测隆起结束在模拟盾构通过阶段之前，这是由于实际工程按每10 m 布置监测点，未能准确监测到盾构通过时最大隆起处的地表变形。

对图8 中地表沉降实测数据进行拟合，选取NDJ17 作为研究断面，横断面地表沉降随距离变化曲线可近似拟合为式（1）。

其中

盾构通过后，即后三个阶段纵断面地表沉降随相对距离变化拟合曲线见式（3）。

式中：Sc、Sv分别为横断面和纵断面的地表沉降量，mm；s0、xc、w、a、b、c、d为拟合系数。

表3 给出了地表沉降随距离变化曲线拟合系数，R2值分别为0.978 和0.976，说明拟合效果良好。

表3 地表沉降随距离变化曲线拟合系数

（2）隧道变形分析

隧道变形实测值与模拟值对比情况如图9 所示，图中显示盾构掘进一定距离后隧道变形实测值均略大于模拟值，这是由于实际现场三轴搅拌桩施工时水泥与原状土搅拌不充分，导致土体实际强度及刚度略小于模拟的参数取值；同步注浆过程中浆液没有及时注满间隙或注浆强度不够时，盾尾周围土体发生地层损失，使盾尾脱离管片注浆位置也会产生较大变形。土体未加固时隧道最终拱顶沉降值、水平收敛值分别为15 mm 和11 mm，加固后分别为7.9 mm 和4.8 mm，且实测值与数值模拟计算值趋势总体吻合，进一步验证了数值模拟方法的合理性。

图9 隧道变形对比

图9 中隧道变形随掘进距离变化拟合曲线可近似用指数函数（4）表示。

式中：U为拱顶沉降量或水平收敛值，mm；a1、b1为相关拟合系数。

隧道变形随掘进距离变化曲线拟合系数如表4所示，可看出加固后隧道变形显著降低。R2值均为0.98，拟合效果良好，可为类似工程控制隧道施工变形提供参考。

表4 隧道变形随掘进距离变化曲线拟合系数

4 结论

本文结合佛山地铁3 号线创驹盾构区间工程实例，通过数值模拟结合现场实测验证，研究盾构推进时不同加固方式下地表沉降及隧道变形规律，分析不同加固方式下盾构掘进对全断面软土地层的变形影响规律，得出以下结论：

（1）盾构在全断面软土地层中推进时，地表沉降、隧道拱顶沉降和水平收敛值均不断增大，且主要发生在盾构通过时及盾尾管片脱出后，同时该段也是预加固的主要作用范围；先行隧道对地表沉降的影响大于后行隧道。

（2）采用超前预注浆加固，地表沉降、隧道拱顶沉降、隧道水平收敛最大值分别为未加固的57.0%、69.%、61.0%；三轴搅拌桩预加固，地表沉降、隧道拱顶沉降、隧道水平收敛最大值分别为未加固的32.1%、50.2%、43.0%。表明对软土地层预加固可有效控制隧道变形，且地面三轴搅拌桩预加固效果更显著。

（3）当盾构区间地面环境复杂，不具备地面加固条件时，建议采用超前预注浆补偿加固方案，也可有效控制地表沉降量及隧道变形。