地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響分析

楊國(guó)棟

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，涿州 072750)

隨著近年來(lái)城市化進(jìn)程的不斷加快，地鐵建設(shè)項(xiàng)目日益增多，在地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中容易誘發(fā)地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象[1]，因此分析地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響對(duì)研究盾構(gòu)開挖的穩(wěn)定性具有重要的意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此展開了研究，如馮慧君等[2]以天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道施工為例，采用FLAC3D軟件對(duì)該隧道的施工進(jìn)行了有限元模型構(gòu)建，從隧道開挖對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行分析，驗(yàn)證了雙線隧道盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的疊加效應(yīng)；顧俊等[3]針對(duì)廣州地鐵4號(hào)線進(jìn)行了盾構(gòu)法施工對(duì)周圍環(huán)境影響的三維有限元數(shù)值計(jì)算分析，同時(shí)對(duì)地表沉降采取了有效措施進(jìn)行防控；張達(dá)棟[4]對(duì)黃土地層中地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降進(jìn)行了分析，并研究了等代層模量與土艙壓力對(duì)地表沉降槽寬度和最大沉降量的影響。

由以上研究可知，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降問(wèn)題進(jìn)行研究，但根據(jù)本工程雙隧道水平平行設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，且地面建筑物較多、設(shè)計(jì)難度較大，采用以上學(xué)者的方法進(jìn)行地表沉降的分析可靠性不高，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目自身的特點(diǎn)展開施工對(duì)地表沉降的影響分析。因此，本文以鄭州市軌道交通5號(hào)線某段地鐵盾構(gòu)隧道開挖為例，采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)兩個(gè)典型斷面進(jìn)行建模分析，再將隧道開挖引起的地表沉降與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到了一些有意義的結(jié)論，研究結(jié)果可為相似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本概況

鄭州市軌道交通5號(hào)線為城市核心區(qū)外圍邊緣的環(huán)形線路，沿黃河路、黃河?xùn)|路、熊耳河路、東風(fēng)東路、金水東路、心怡路、航海路、桐柏路和西站路敷設(shè)。該線心怡路站(建設(shè)使用名)～鄭州東站區(qū)間地面高程為86.26～88.68 m。心怡路站～鄭州東站區(qū)間右CK14+078.600～右CK14+957.800(左CK14+078.600～左CK14+957.800)，左線長(zhǎng)度為899.841單線延米(含長(zhǎng)鏈20.641 m)，右線長(zhǎng)度為879.2單線延米，全長(zhǎng)為1 779.041單線延米。

1.2 地質(zhì)情況

鄭州市市區(qū)出露地層全部為第四系地層，從更新統(tǒng)至全新統(tǒng)均有沉積，地層總厚度為50～200 m，自西南向東北地層由薄變厚，與下伏上第三系地層不整合接觸。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、本場(chǎng)地附近工程的相關(guān)地質(zhì)資料、本項(xiàng)目可研階段的勘察報(bào)告和本次勘察成果的分析報(bào)告，該段線路各地質(zhì)分區(qū)的地層巖性分布說(shuō)明如下：沿線屬于黃河沖洪積平原，地形起伏不大，地面標(biāo)高為86.90～87.70 m，相對(duì)高差小于1 m。場(chǎng)地30 m 深度范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)地層，0～18 m范圍的巖性為粉土、粉質(zhì)黏土和夾薄層砂土，20～30 m范圍的主要巖性為中密～密實(shí)細(xì)砂。根據(jù)巖土的時(shí)代成因、地層巖性及工程特性，本場(chǎng)地勘探揭露深度范圍內(nèi)的地層巖性主要為人工填土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂等。

1.3 施工方法

鄭州市軌道交通5號(hào)線該段地鐵工程采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)埋深為12.16 m，隧道外徑為5 800 mm，管片厚度為30 cm，地勢(shì)整體呈南高北低，雙隧道呈水平平行設(shè)計(jì)，兩者水平間距為12 m。該區(qū)間地質(zhì)以粉土、粉質(zhì)黏土、中粗砂以及粉質(zhì)填土為主。工程區(qū)內(nèi)不考慮地表水和地下水存在的影響。

2 數(shù)值建模

本文選取兩個(gè)典型斷面，并采用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析。斷面一模型和斷面二模型的隧道中心埋深分別為15.0 m和13.5 m，由于隧道埋深較淺，建模時(shí)模型上表面即為地表，模型左右邊界、前后邊界以及底部邊界均進(jìn)行位移和邊界約束，邊界條件上表面為自由面，4 個(gè)側(cè)面約束法向位移，底面為固定支座，土體采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型。隧道開挖后，擾動(dòng)區(qū)所在范圍為距洞室中心3～5倍洞室高度或?qū)挾鹊木嚯x，超過(guò)這個(gè)距離，開挖地下洞室造成的影響很小，可以忽略不計(jì)。模型的左右邊界均取隧道外徑的4倍即23.2 m，底部的邊界取外徑的3倍即17.4 m。

鑒于此，本文所建模型的尺寸如下：斷面一模型的長(zhǎng)、寬、高分別為100.0 m、70.0 m、35.3 m，網(wǎng)格共計(jì)18 764個(gè)；斷面二模型的長(zhǎng)、寬、高分別為100.0 m、70.0 m、33.8 m，網(wǎng)格共計(jì)16 876個(gè)，其中土體均采用實(shí)體單元。斷面一和斷面二的數(shù)值模型如圖1所示，土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道支護(hù)為預(yù)制管片支護(hù)，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，并將鋼筋網(wǎng)等折合到混凝土上，隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

(a) 斷面一

(b) 斷面二圖1 斷面一和斷面二的數(shù)值模型

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

隧道開挖會(huì)引起圍巖應(yīng)力釋放，進(jìn)而導(dǎo)致隧道周圍土體及地表發(fā)生沉降[5-6]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的城市地鐵施工引起的地面沉降允許值，往往是由專家們?yōu)榭刂频叵鹿こ涕_挖對(duì)地面環(huán)境的不利影響而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的，通常都采用30 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 隧道開挖斷面沉降分析

斷面一和斷面二開挖穩(wěn)定后的豎向位移云圖如圖2所示。

(a) 斷面一

(b) 斷面二圖2 斷面一和斷面二開挖穩(wěn)定后的豎向位移云圖

由圖2可知，兩個(gè)斷面的土體沉降規(guī)律一致，均為隧道拱頂處沉降最大，拱底處隆起最大，且均呈W形分布；斷面一的拱頂最大沉降值約為23.8 mm，地表最大橫向沉降值約為15.0 mm；斷面二的拱頂最大沉降值約為8.3 mm，地表最大橫向沉降值約為7.0 mm。

3.2 斷面一數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)對(duì)比分析

為對(duì)數(shù)值模擬的可靠性進(jìn)行分析，本節(jié)以斷面一模型作為分析對(duì)象，斷面一盾構(gòu)下穿地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土以及中粗砂。在隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，在地表設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)地表的橫向沉降值，同樣在數(shù)值模擬過(guò)程中，在模型中心正上方設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)[7，8]，再將兩者得到的沉降值繪制于同一個(gè)圖中，得到其對(duì)比圖。斷面一地表實(shí)測(cè)橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，模型邊界處的地表橫向沉降基本趨于零，說(shuō)明模型尺寸滿足要求；實(shí)測(cè)的最大橫向沉降值約為14.6 mm，而數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為14.2 mm，雖然兩者存在誤差，但從兩者曲線形態(tài)來(lái)看，兩者吻合度較好，說(shuō)明數(shù)值結(jié)果比較可靠。

圖3 斷面一地表實(shí)測(cè)橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比

研究地表縱向沉降對(duì)保證開挖的穩(wěn)定性同樣重要，同樣在隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程和數(shù)值模擬過(guò)程中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)地表的縱向沉降值[9]，再將二者得到的沉降值繪制于同一個(gè)圖中。斷面一地表實(shí)測(cè)縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比如圖4所示，其中橫軸0 m處表示掌子面，負(fù)值表示未開挖，正值表示已開挖，圖4(a)和圖4(b)分別代表左線隧道和右線隧道的地表縱向沉降。

(a) 左線

(b) 右線圖4 斷面一地表實(shí)測(cè)縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比

由圖4可知，左右線隧道均表現(xiàn)出相似的沉降規(guī)律，在開挖過(guò)程中，掌子面前方一定距離處地表形成隆起，這與盾構(gòu)機(jī)和土體之間的摩擦有關(guān)；開挖之后，距離掌子面20 m左右處的地表沉降基本趨于平穩(wěn)；左線的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值吻合度良好，右線實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值雖有一些誤差，但整體吻合度良好。

3.3 斷面二數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)對(duì)比分析

本節(jié)以斷面二模型為分析對(duì)象對(duì)數(shù)值模擬的可靠性進(jìn)行分析，斷面二盾構(gòu)下穿地層主要為粉質(zhì)黏土和粉土。在隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，在地表設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)地表的橫向沉降值，同樣在數(shù)值模擬過(guò)程中，在模型中心正上方設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)[10]，再將二者得到的橫向沉降值繪制于同一個(gè)圖中。斷面二地表實(shí)測(cè)橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，模型邊界處的地表橫向沉降基本趨于零，說(shuō)明模型尺寸滿足要求；實(shí)測(cè)的最大橫向沉降值約為7.6 mm，而數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為7.2 mm，雖然兩者存在誤差，但從兩者曲線形態(tài)來(lái)看，兩者吻合度較好，說(shuō)明數(shù)值結(jié)果比較可靠。

圖5 斷面二地表實(shí)測(cè)橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比

由于斷面二盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，且自穩(wěn)性較好，故斷面二的橫向沉降要小于斷面一的橫向沉降，由此可知隧道開挖面處的地層特性是影響盾構(gòu)開挖穩(wěn)定性的重要因素。

同樣在隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程和數(shù)值模擬過(guò)程中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)地表的縱向沉降值，再將二者得到的沉降值繪制于同一個(gè)圖中。斷面二地表實(shí)測(cè)縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比如圖6所示，其中橫軸 0 m 處表示為掌子面，負(fù)值表示未開挖，正值表示已開挖，圖6(a)和圖6(b)分別代表左線隧道和右線隧道的地表縱向沉降。由圖6可知，左右線均表現(xiàn)出相似的沉降規(guī)律，在開挖面處，地表已發(fā)生沉降，在掌子面之前，地表發(fā)生隆起，這與盾構(gòu)機(jī)和土體之間的摩擦有關(guān)；開挖之后，距離掌子面20 m左右處的地表沉降基本趨于平穩(wěn)；左線的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值吻合度良好，右線實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值雖有一些誤差，但整體吻合度良好。

(a) 左線

(b) 右線圖6 斷面二地表實(shí)測(cè)縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對(duì)比

4 結(jié)論

本文以鄭州市軌道交通地鐵5號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道開挖為例，采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)隧道開挖引起的地表沉降進(jìn)行建模分析，再將數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

(1) 兩個(gè)斷面的土體沉降規(guī)律一致，均呈W形分布，且隧道拱頂處沉降最大，拱底處隆起最大。斷面一的拱頂最大沉降值約為23.8 mm，地表最大橫向沉降值約為15.0 mm；斷面二的拱頂最大沉降值約為8.3 mm，地表最大橫向沉降值約為7.0 mm。

(2) 對(duì)于本文研究的兩個(gè)模型斷面，斷面一的地表最大橫向沉降值約為14.6 mm，對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為14.2 mm；斷面二的地表最大橫向沉降值約為7.6 mm，對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為7.2 mm；兩個(gè)橫斷面沉降的實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值吻合度較好，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果比較可靠。

(3) 對(duì)于地表縱向沉降，在開挖過(guò)程中，掌子面前方一定距離處地表發(fā)生隆起，這與盾構(gòu)機(jī)和土體之間的摩擦有關(guān)；開挖之后，距離掌子面20 m左右處的地表沉降基本趨于平穩(wěn)，且左右線的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值吻合度良好。

(4) 斷面二盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，且自穩(wěn)性較好，故斷面二的沉降要小于斷面一的沉降，由此可知隧道開挖面處的地層特性是影響盾構(gòu)開挖穩(wěn)定性的重要因素。