盾構(gòu)隧道施工引起的地基土超孔壓特性模擬與分析

張冰清 宮全美莊 麗

盾構(gòu)隧道施工引起的地基土超孔壓特性模擬與分析

張冰清1宮全美2莊 麗3

（1.廣東省交通運(yùn)輸規(guī)劃研究中心，510101，廣州；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；3.韓國(guó)建設(shè)技術(shù)研究院，10223，高陽∥第一作者，助理工程師）

考慮盾構(gòu)機(jī)盾殼與自重、開挖面正面推力、盾尾空隙、千斤頂推力和同步注漿等因素，利用有限元軟件模擬研究了盾構(gòu)施工過程引起的周邊土體超孔壓，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，以此驗(yàn)證了模擬方法的可靠性?；趩螌榆浲?、中等埋深條件下的盾構(gòu)施工有限元模擬，分析了超孔壓隨施工過程的分布特性。研究表明，施工過程中周邊土體的超孔壓變化明顯，隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)先不斷增大，盾構(gòu)機(jī)頭到達(dá)或盾尾脫出時(shí)達(dá)到最大，盾構(gòu)機(jī)離開后又逐漸減小。軟土層中125 d后隧道四周超孔壓的衰減率約為92%。

盾構(gòu)施工；超孔壓；三維有限元；分布特性

在盾構(gòu)推進(jìn)施工過程中，作用在開挖面上的土倉壓力、盾尾處的注漿壓力等均會(huì)使土體中產(chǎn)生超孔壓，而隨著盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)離，超孔壓又會(huì)緩慢消散。這一過程不僅導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，也使盾構(gòu)施工引起的土體變形復(fù)雜。特別在軟土地區(qū)，盾構(gòu)施工完成后的固結(jié)沉降常常較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。如新加坡某盾構(gòu)隧道由固結(jié)引起的沉降占總沉降比值高達(dá)90%［1］。盡管超孔壓的產(chǎn)生會(huì)對(duì)工程帶來不利影響，但由于施工過程復(fù)雜，目前對(duì)超孔壓的分布規(guī)律及特性研究較少，理論分析也不完善。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)施工在周圍土層中產(chǎn)生超孔壓的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬等。由于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，難以判斷引起超孔壓變化的主要原因以及各因素對(duì)超孔壓變化的影響，且可能出現(xiàn)設(shè)備失靈的問題。如文獻(xiàn)［2］對(duì)臺(tái)北某隧道進(jìn)行孔隙水壓力測(cè)試，盾構(gòu)機(jī)脫出時(shí)孔壓計(jì)出現(xiàn)過短暫的失靈，盾構(gòu)空隙產(chǎn)生的效果未捕捉到。此外，現(xiàn)有的實(shí)測(cè)資料仍較少［1-4］；而現(xiàn)有的理論分析主要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，做出一定的假設(shè)，不能反映盾構(gòu)施工過程的影響，目前用現(xiàn)有理論對(duì)超孔壓進(jìn)行較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)還有一定難度［5-6］。由于盾構(gòu)施工過程及超孔壓的復(fù)雜性，目前已有的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際仍不太符合。這些模擬方法或者是忽略了盾構(gòu)機(jī)、盾尾空隙和注漿壓力的模擬，或者是對(duì)正面推力、注漿壓力模擬不夠準(zhǔn)確，只是簡(jiǎn)單地以均布荷載表示，并且絕大多數(shù)模擬都沒有考慮漿液性質(zhì)的變化［7-8］。

本文考慮盾構(gòu)機(jī)、盾尾空隙的影響，并對(duì)正面推力和注漿進(jìn)行精細(xì)化模擬，以探索更能符合盾構(gòu)施工過程的超孔壓數(shù)值模擬方法，并得到盾構(gòu)施工引起的周邊土體超孔壓變化特性及規(guī)律。

1 盾構(gòu)施工的有限元模擬方法及可靠性驗(yàn)證

1.1 模擬方法

利用Plaxis3D有限元軟件中的Biot固結(jié)理論計(jì)算超孔壓的產(chǎn)生與消散，盾構(gòu)機(jī)的施工過程模擬考慮了盾構(gòu)機(jī)、正面推力的大小及分布方式、盾尾空隙、同步注漿漿液性質(zhì)隨時(shí)間的變化及分布方式等。具體的模擬方法如下所述。

盾構(gòu)機(jī)采用實(shí)體盾殼單元模擬，將盾構(gòu)機(jī)的重量折算到盾殼上，盾殼厚度為50 mm，用各向同性的板單元模擬，重度γ=120 kN/m3，彈性模量E=23×106kN/m2，盾構(gòu)機(jī)直徑為6 340 mm。千斤頂推力簡(jiǎn)化為均勻荷載作用在盾構(gòu)機(jī)后方襯砌上，其值為2 300 kN/m2。

在盾構(gòu)施工工程中，一般取土倉壓力為施工控制參數(shù)，并認(rèn)為土倉壓力與正面推力是相等的［9］。但根據(jù)長(zhǎng)三角軟土地區(qū)某盾構(gòu)隧道的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［10］可知，土倉壓力與理論計(jì)算的靜止土壓力比值為1.16~1.74，平均值為1.34。其從上到下為梯形分布作用在圓形開挖面上，如圖1所示。

圖1 正面推力作用示意圖

盾尾空隙大小一般為80~160 mm［11］。由于軟土中超挖量較小，認(rèn)為盾尾空隙主要由盾構(gòu)機(jī)殼厚度和盾尾操作空間決定。本文取盾尾空隙的厚度為70 mm，用模量極小的彈性材料模擬，E=20 kN/m2。

同時(shí)考慮漿液性質(zhì)隨時(shí)間的變化以及注漿壓力的大小與分布。采用線彈性材料模擬單液活性漿液的性質(zhì)變化，并根據(jù)對(duì)漿液的室內(nèi)無側(cè)向抗壓試驗(yàn)和土工試驗(yàn)規(guī)范，擬合出漿液彈性模量隨時(shí)間的變化函數(shù)作為有限元模擬值［12］。其擬合函數(shù)為

式中：

t——時(shí)間，h；

y——漿液的彈性模量，MPa。

由于漿液最終凝固成混凝土，所以y值增大到混凝土的彈性模量時(shí)為止，之后保持不變。注漿層的厚度為70 mm，分布于管片外側(cè)。

由文獻(xiàn)［13］關(guān)于注漿壓力隨時(shí)間變化的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)盾尾通過后，注漿壓力會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)消散并達(dá)到均勻。隨著漿液的凝固，注漿壓力消失，漿液開始承受地層中的水土壓力并傳遞到襯砌上。據(jù)此，確定本文有限元模擬中注漿壓力的作用時(shí)間僅為盾尾脫出一環(huán)管片后的時(shí)間，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，注漿壓力隨即消失。注漿壓力的分布形式為沿深度呈梯形分布，沿深度不斷增大。注漿壓力與理論計(jì)算的靜止土壓力比值為0.8~1.1，注漿壓力作用示意圖如圖2所示。此外，漿液的充填性、流動(dòng)性等也會(huì)影響注漿壓力的大小和分布，在此處視為理想條件，不做過多討論。

圖2 注漿壓力作用示意圖

根據(jù)以上討論，得到了盾構(gòu)機(jī)、正面推力、盾尾空隙和同步注漿的模擬方法，由此可得到本文的模擬示意圖，如圖3所示。

三維模型的邊界條件是：四周表面和底面為法向位移約束，表面自由。開挖面邊界條件如圖3所示。滲流邊界為表面透水邊界，模型四周和底部為不透水邊界，襯砌處為不透水邊界。

1.2 可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬方法的可靠性，根據(jù)上述有限元模擬方法，采用文獻(xiàn)［4］中的工程及參數(shù)，以實(shí)際工程為例建立模型，并與實(shí)測(cè)孔壓值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。文獻(xiàn)［4］中實(shí)測(cè)孔壓計(jì)分布和地層情況如圖4所示。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，如圖5和6所示。由圖5和圖6可知，各孔壓計(jì)的初始值、穩(wěn)定值以及變化趨勢(shì)基本一致；孔隙水壓力在盾構(gòu)到達(dá)不同位置處會(huì)出現(xiàn)不同程度的突然增大，盾構(gòu)離開后，孔隙水壓力也開始衰減。但由于現(xiàn)場(chǎng)施工情況復(fù)雜多變，有限元模擬不可能完全準(zhǔn)確模擬，所以在量值和變化趨勢(shì)上會(huì)有一些差別，但整體規(guī)律是符合的。

圖4 孔壓計(jì)的分布

圖5 不同位置處計(jì)算孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線

2 施工引起的周邊土體超孔壓分布特性

2.1 模型參數(shù)

為減少土層非均質(zhì)對(duì)超孔壓變化規(guī)律的影響，此處選取盾構(gòu)隧道位于單一軟土層。計(jì)算中隧道頂部埋深12.4 m，地下水位為地表以下2 m，隧道管片外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、寬1.2 m，盾構(gòu)機(jī)的直徑為6.34 m。所建立的有限元模型長(zhǎng)80 m，寬20 m，高30 m。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，施工參數(shù)見表2。

2.2 計(jì)算結(jié)果

圖6 不同位置處實(shí)測(cè)孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線

分別在隧道頂部、中部和底部各選取3個(gè)共9個(gè)觀察點(diǎn)A1~A3、B1~B3、C1~C3。各位置觀察點(diǎn)分布在距離隧道0.5 D和1.0 D處，如圖7所示。

圖7 觀察點(diǎn)位置

各觀察點(diǎn)超孔壓隨時(shí)間的變化分別如圖8~圖13所示。每個(gè)觀察點(diǎn)均給出了超孔壓短期（5 d）和長(zhǎng)期（125 d）的變化過程。

由圖8、圖9可知，盾構(gòu)施工中隧道頂部土體中最大超孔壓為100 kPa，發(fā)生在A1點(diǎn)。A1、A2兩點(diǎn)超孔壓隨盾構(gòu)施工過程的變化明顯，A3點(diǎn)不明顯。125 d后A1、A2、A3點(diǎn)超孔壓的衰減率分別為91%、68%和45%，說明距離隧道越近超孔壓的變化幅度越大。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 施工參數(shù)表

與頂部相比，隧道中部和底部超孔壓規(guī)律相同，僅量值上有差別。如隧道中部最大超孔壓為97 kPa，而底部為 103 kPa。超孔壓 125 d 后 B1、B2、B3點(diǎn)超孔壓的衰減率分別為92%、76%和69%，而C1、C2、C3點(diǎn)超孔壓的衰減率分別為92%、81%和78%。

綜合以上隧道頂部、中部和底部超孔壓隨時(shí)間的變化可知：距離隧道越近，超孔壓受盾構(gòu)施工的影響就越大，在隧道周邊位置，均會(huì)出現(xiàn)兩次極值，分別在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)和盾尾脫出的時(shí)刻（分別定義為第一極值、第二極值），且第一極值明顯大于第二極值。說明掌子面推力對(duì)隧道附近土體超孔壓的影響比注漿的影響大；隨著距離的增大，雖仍會(huì)出現(xiàn)兩次極值，但兩極值的差異不明顯，甚至出現(xiàn)第二極值大于第一極值的情況，此現(xiàn)象的出現(xiàn)為超孔壓的累積效應(yīng)；隨著距離的進(jìn)一步加大，如大于1 D的位置，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的超孔壓不明顯，超孔壓的變化與盾構(gòu)施工過程并無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 短期隧道頂部土體超孔壓隨時(shí)間的變化曲線

圖9 長(zhǎng)期隧道頂部土體超孔壓隨時(shí)間的變化曲線

圖10 短期隧道中部土體超孔壓隨時(shí)間的變化曲線

圖11 長(zhǎng)期隧道中部土體超孔壓隨時(shí)間的變化曲線

圖12 短期隧道底部土體超孔壓隨時(shí)間的變化曲線

圖13 長(zhǎng)期隧道底部土體超孔壓隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)論

（1）計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合，說明本文的模擬方法可靠，可用于計(jì)算盾構(gòu)隧道施工引起的周邊土體超孔壓。

（2）隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，隧道周邊土體超孔壓逐漸增大，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)和盾尾脫出注漿時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩次極值，隧道附近超孔壓隨施工過程的變化非常明顯，第一極值明顯大于第二極值；較遠(yuǎn)處差異不明顯，甚至出現(xiàn)第二極值大于第一極值的情況；隨著距離的進(jìn)一步加大，如大于1 D的位置，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的超孔壓不明顯，超孔壓的變化與盾構(gòu)施工過程并無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）盾構(gòu)機(jī)離開后，超孔壓會(huì)緩慢消散，消散所需時(shí)間較長(zhǎng)，在軟土層中125 d后隧道四周超孔壓的衰減率約為92%。

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Modelling Research and Analysis on Excess Pore Water Pressure Caused by Shield Tunneling

ZHANG Bingqing，GONG Quanmei，ZHUANG Li

A 3D FEM method is used to simulate the excess pore water pressure on the surrounding area caused by EPB(electric park brake)shield construction,with full consideration of factors like TBM(tunnel boring machine)shell and weight，shield face pressure，tail void，jack thrust and tail void grouting.The simulation result is compared with measured data to verify the reliability of the simulation.In addition,based on the 3D FEM simulation of one layer soft soil in the medium depth tunnel construction,the distribution regularities of excess pore water pressure during tunneling is analyzed.The research shows that the excess pore water pressure changes sharply with the advance of EPB，it decreased by 92%in soft soil around the tunnel after 125 days.

shield tunneling；excess pore water pressure；three-dimensional finite element；distribution character

U455.43；U456.2

10.16037/j.1007-869x.2017.11.003

First-author′s address Guangdong Provincial Transportation Planning and Research Center，510101，Guangzhou，China

2016-02-26）