盾構(gòu)隧道施工對地表沉降影響研究

賈建強

（山西省博大正昊工程勘察設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030032）

引言

隧道開挖會誘發(fā)地表沉降，合理控制地表沉降對保護鄰近地表構(gòu)筑物具有重要的意義。近年來，國內(nèi)學者對此進行了一些研究，李小青和馮國冠等[1-2]以盾構(gòu)隧道開挖引起地表沉降變形為研究對象，采用有限元數(shù)值分析軟件模擬盾構(gòu)隧道施工過程，分析盾構(gòu)隧道引起的土體應(yīng)力場和位移場變化，對隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律進行了分析并對不同影響因素的敏感性進行了研究。孫闖和金明等[3-4]采用FLAC3D軟件對上海某越江隧道施工過程進行了數(shù)值模擬，分析注漿壓力對管片上浮的影響。楊圓等[5]依托某地鐵區(qū)間工程，研究盾構(gòu)施工參數(shù)的選取對隧道開挖附近的地表沉降及土體變形的影響，并提出相應(yīng)控制措施，采用Abaqus有限元軟件對該工程典型掘進段進行精細化仿真得到沉降模擬值，并運用三維Peck公式得出沉降計算值，最后與施工過程中典型監(jiān)測點的沉降監(jiān)測值進行對比，總結(jié)施工參數(shù)對地表沉降的影響規(guī)律。祝和意[6]認為盾構(gòu)法施工作為一種安全高效的隧道施工方法具有施工速度快、洞體質(zhì)量比較穩(wěn)定、對周圍建筑物影響較小等特點，然而在盾構(gòu)法施工過程中刀盤與盾體，盾體與管片存在間隙，在同步注漿無法及時跟上的情況下，容易造成地表沉降。

1 工程概況

隧道直徑為6 m，隧道中心埋深為15～26 m，區(qū)間范圍內(nèi)主要以素填土、黏土、泥灰?guī)r、細粉砂等為主，工程區(qū)內(nèi)不考慮地表和地下水存在的影響。為了分析盾構(gòu)隧道施工對地表沉降的影響，選取3個典型斷面進行分析，分別為DK3+006斷面、DK4+124斷面和DK4+375斷面, 見圖1。

圖1 3個斷面土質(zhì)分布/m

2 現(xiàn)場沉降監(jiān)測

為了監(jiān)測隧道施中引起的地表橫向沉降，給出了地表橫向監(jiān)測點布置見圖2，每個斷面上設(shè)置5個監(jiān)測點，其中中間位置的地表監(jiān)測點位于隧道軸線正上方。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石的運輸

圖2 地表橫向監(jiān)測點布置

DK3+006斷面、DK4+124斷面和DK4+375斷面的實測地表沉降數(shù)據(jù)見表1。

表1 斷面現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

3 數(shù)值模擬對比分析

3.1 模型建立

DK3+006斷面采用有限元軟件PLAXIS建模分析，見圖3。DK3+006斷面隧道中心埋深為17.0 m。由于隧道埋深較淺，建模時模型上表面即為地表，模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束，土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，混凝土本構(gòu)模型為線彈性模型。由于對稱性，僅建立左側(cè)半邊模型，模型長、寬、高分別為80 m、20 m和30 m，網(wǎng)格共計3 764個。

圖3 數(shù)值模型

表2給出了模型從上至下的土體物理力學參數(shù)。

表2 土體物理力學參數(shù)

隧道支護為預制管片支護，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，力學參數(shù)見表3。

表3 管片、盾殼及注漿材料的力學參數(shù)

3.2 不同工況下模型豎向位移分析

在模擬過程中，以模型中部斷面為監(jiān)測面，為了分析隧道開挖過程中的監(jiān)測面的位移變化規(guī)律，給出掌子面距離監(jiān)測面10 m、8 m、6 m和0 m時的隧道豎向位移結(jié)果，此時還未進行壁后注漿，見表4。

表4 隧道開挖過程中豎向位移結(jié)果

（1）當隧道掌子面距離監(jiān)測面10 m時，監(jiān)測斷面發(fā)生較小的沉降，而在隧道底側(cè)管片壁后注漿位置處，由于圍巖應(yīng)力釋放，發(fā)生了較大的隆起，最大隆起值高達2.8 mm。（2）管片壁后進行注漿，掌子面繼續(xù)向前，當掌子面距離監(jiān)測面8 m時，監(jiān)測面最大沉降達8.7 mm。（3）當掌子面距離監(jiān)測面6 m時，監(jiān)測面最大沉降達9.6 mm。（4）當掌子面達到監(jiān)測面時，監(jiān)測面最大沉降達10.7 mm。之后，當盾構(gòu)機繼續(xù)向前時，監(jiān)測面地表沉降仍會繼續(xù)增大，直至最終趨于穩(wěn)定。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

為了驗證數(shù)值模擬過程和結(jié)果的合理性，給出了DK3+006斷面、DK4+124斷面和DK4+375斷面3個斷面現(xiàn)場實測地表沉降與數(shù)值模擬沉降對比，見圖4。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比曲線

由圖4可知，3個斷面的模擬值均與現(xiàn)場實測值吻合良好。（1）對于DK3+006斷面，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬最大值分別為12.5 mm和13.1 mm，二者誤差約為4.8%。（2）對于DK4+124斷面，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬最大值分別為12.7 mm和12.4 mm，二者誤差約為2.4%。（3）對于DK4+375斷面，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬最大值分別為13.2 mm和12.8 mm，二者誤差約為3.1%。綜上，3個斷面誤差均不超過5%，說明數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

圖4 水泥穩(wěn)定碎石壓實成型

4 結(jié)語

對典型的3個斷面的監(jiān)測和數(shù)值數(shù)據(jù)進行了對比分析，得到結(jié)論：（1）由于圍巖釋放作用，盾構(gòu)開挖離監(jiān)測面越近，隧道上部土體發(fā)生沉降越大，當掌子面分別距離監(jiān)測面8 m、6 m和0 m時，監(jiān)測面最大沉降分別為8.7 mm、9.6 mm和10.7 mm。之后，當盾構(gòu)機繼續(xù)向前時，監(jiān)測面地表沉降仍會繼續(xù)增大，直至最終趨于穩(wěn)定。（2）DK3+006、DK4+124和DK4+375 3個斷面的數(shù)值模擬地表沉降值均與現(xiàn)場實測值吻合良好，3個斷面的數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測值誤差均不超過5%，說明數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。