張巍 王貴全 李春良

(1:吉林大學第二醫(yī)院，長春130021;2:吉林建筑大學交通科學與工程學院，長春130118)

0 引言

盾構法以施工速度快、受地下水及對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，已廣泛應用于地鐵區(qū)間隧道施工中［1］.但盾構施工引發(fā)的問題也較多，在施工期間不可避免地會產(chǎn)生地層損失，引起地層變形及地面沉降［2］.其中，較為突出的是在盾構開挖過程中，在盾構隧道管片周圍土體的移動與應力突然釋放，及其正上方地表的不均勻沉降等問題引發(fā)的相關工程附屬問題越來越引起人們的注意.如上海地鐵1號線在盾構出洞過程中，由于端頭洞口土體沉降位移過大，大量土體和地下水涌進工作井內(nèi)，導致地表下沉，危及地下管線和附近的建構筑物［3］，廣州地鐵3標始發(fā)端頭面出現(xiàn)涌水涌砂事故等.

目前，國內(nèi)學者趙耀強［4］用軟件建立盾構始發(fā)三維模型，模擬始發(fā)施工的全過程，對各地區(qū)不同地層參數(shù)下盾構始發(fā)對地表沉降的影響進行計算分析.孫海霞［5］等人用有限元軟件模擬了地鐵隧道盾構開挖過程，計算分析了地鐵隧道盾構開挖引起的地表沉降規(guī)律.肖立［6］等人采用三維有限元方法，對在多條鐵路軌道下長距離盾構掘進過程引起的地表變形進行數(shù)值模擬，得出盾構施工各階段的地表沉降規(guī)律.但由于盾構施工過程的復雜性與地質情況的多樣性，對施工引發(fā)的地層變形與位移問題仍然缺乏系統(tǒng)的研究.因此，本文針對現(xiàn)存問題進行了相關研究.

1 盾構掘進的模擬過程

(1)盾構掘進的模型劃分.根據(jù)所需要結構的問題和計算要求的精度，建立一定范圍的土體，并劃分出盾構隧道結構、注漿層、土芯和管片結構，對結構體進行網(wǎng)格劃分，采用不同的網(wǎng)格劃分技術在結構的關鍵部分指定節(jié)點位置，劃分后的結構通過節(jié)點組成連續(xù)的單元.

在數(shù)值模擬過程中，將盾構掘進的連續(xù)施工狀態(tài)離散成施加頂推力、注漿壓力—挖土芯—裝管片環(huán)—灌漿層.這一完整過程為一環(huán)的開挖掘進.為研究方便，將每一個這樣的過程作為一組載荷步進行計算，而后依次循環(huán)進行.并且相應的荷載條件、邊界條件被施加，最終完成整個掘進過程.

(2)盾構隧道模擬開挖.為了真實地反映出實際施工階段的各個環(huán)節(jié)，在有限元模擬過程中，采用生死單元的方法，模擬盾構的挖土、管片的安裝和壁后注漿材料的硬化過程.模擬時，每次掘進的深度為3 m，每掘進施工一段后，將該相應的土體單元立即設置成死單元.然后在相應位置通過更改材料參數(shù)和激活管片單元或注漿材料屬性實現(xiàn)管片的安裝和注漿材料的硬化過程.整個模擬過程共分為32個工況，其中，奇數(shù)工況為相應位置段處的挖土工況，偶數(shù)工況為相應位置段處的管片拼裝與壁后注漿工況.施工過程中的壁后注漿壓力和頂面壓力采用施加均布荷載的方式模擬等效，管片部位的土體重新被激活成活單元，并通過改變該部位土體的材料屬性來實現(xiàn)管片的拼裝.

2 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元軟件進行分析，用體單元Solid 45模擬管片、土層及注漿層結構，并用網(wǎng)格單元Mesh 200輔助完成網(wǎng)格的劃分.

(1)模型尺寸.計算中取的土體范圍為:水平方向取80.2 m，向下取47.7 m.隧道掘進方向取60 m長.隧道中心距離地表以下18.1 m，隧道管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，管片彈性模量，隧道外圍的注漿層厚度0.25 m.管片壁后注漿壓力為0.15 MPa，盾構機頂面壓力大小為0.3 MPa.隧道所在地層土體回彈模量采用，土體重度為2.5 kN/m3，有限元模型如圖1～圖2所示;

圖1 壁后注漿與頁面壓力等效圖

圖2 有限元三維模擬圖

(2)邊界條件與連接方式.對模型體下底面內(nèi)所有節(jié)點的豎向位移進行約束，對模型體左右兩個側面內(nèi)的所有節(jié)點的左右方向位移進行約束，對模型體的兩個前后面內(nèi)的所有節(jié)點的前后兩個方向位移進行約束.其中，管片、注漿層及土體間的連接方式采用共用節(jié)點方法連接.

3 計算結果分析與討論

(1)初始面內(nèi)拱頂、拱底及其上方地表點的豎向位移.圖3為盾構隧道在單一土層中的開挖施工時，掘進到不同位置時，在初始開挖面內(nèi)隧道的拱頂、拱底及其上方的地表點的沉降變化曲線.通過圖3發(fā)現(xiàn)，當隧道第一步開挖后，初始開挖面內(nèi)的拱頂點處位移下沉2.24 cm，拱底點處位移向上隆起5.9 cm，其上方的地表點處位移下沉0.37 cm.主要由于隧道位置的土體被挖走后，土層局部位置的應力平衡被打破，隧道所在土層中的部分應力釋放，導致上下土層發(fā)生了相應的位移.

根據(jù)圖3發(fā)現(xiàn)，隨著盾構掘進位置的增加，在初始開挖面內(nèi)，隧道的拱頂、拱底及其上方地表點的位移逐漸增大.同時當盾構掘進深度超過到15 m左右時，這三點的位移基本不再發(fā)生變化，以后盾構的掘進施工對初始開挖面的位移影響不再明顯.

圖3 拱頂、拱底及其上方地表點的豎向位移

圖4 掘進方向隧道中心線正上方地表各點沉降位移

(2)掘進方向隧道中心線正上方地表各點沉降位移.圖4為盾構隧道在單一土層中的開挖施工時，不同工況下盾構隧道掘進方向隧道中心線正上方地表各點的位移變化曲線.根據(jù)圖4發(fā)現(xiàn)，隨著盾構不斷的向前掘進，隧道掘進方向中心線正上方地表各點發(fā)生了相應的沉降與隆起.同時發(fā)現(xiàn)地表的最大沉降量位置是在初始開挖面處的地表，最大沉降值為3.5 cm，因為隨著隧道的每向前開挖一段，該處地表點向下的沉降值都會增加而達到最大;并且較遠處的地表點會發(fā)生向上的隆起，隆起位移不大，僅為0.244 cm.隆起的原因為盾構機前方的頂進壓力使未開挖土體發(fā)生向前的堆淤而出現(xiàn)隆起.因此，在控制地表沉降問題時，應注漿初始開挖面的地表的沉降是最大的特點.

(3)初始開挖面、15 m處斷面內(nèi)橫向地表點沉降位移.圖5為盾構隧道在單一土層中的開挖施工時，不同工況下初始開挖面地表橫向各點的沉降位移曲線.根據(jù)圖5發(fā)現(xiàn)，隨著盾構不斷向前掘進，初始開挖斷面上的橫向地表各點的沉降位移會不斷增加.在各橫向地表點中，隧道拱頂正上方對應的地表點沉降最大，主要因為盾構隧道在此處向下的應力釋放最為明顯.而距該點越遠的兩側其它地表各點的沉降越小.通過比較發(fā)現(xiàn)，在前8個工況內(nèi)的各點的沉降增量均較大，而在第8個工況以后的各工況中，各地表點的沉降增量基本近于0.說明在隧道開挖的過程中，當掘進深度超過一定范圍后，對于前面已經(jīng)開挖后的初始斷面的影響已經(jīng)基本不大了.

圖5 初始開挖面地表橫向點的沉降位移

圖6 15m處斷面內(nèi)地表點的橫向沉降位移

圖6為盾構隧道在單一土層中的開挖施工時，不同工況下縱向15 m斷面地表橫向各點的沉降位移曲線.根據(jù)圖6發(fā)現(xiàn)，在前5個工況內(nèi)15 m處橫斷面地表各點的沉降值均為正值，表明此時15 m處橫斷面地表各點是向上隆起的，其中，第1個工況時的隆起值最大，最大值達到0.289 cm，而后幾個工況逐漸降低，主要由于盾構開挖時，對前端土層有較大的頂推力，使其前方一定距離的土體發(fā)生隆起，而隨著盾構的掘進，越來越靠近15 m處的橫斷面時，頂推力產(chǎn)生的向隆起位移，被土體挖空后產(chǎn)生的應力釋放導致地表點產(chǎn)生的向下沉降位移所削弱，當達到第6個工況后，15 m處橫斷面地表各點開始產(chǎn)生向下的沉降位移.

(4)注漿層硬化前、后各點的沉降變形.為研究施工過程中，盾構隧道管片壁后注漿層硬化前、后管片頂部與底部沉降變化情況，圖7為盾構隧道在掘進過程中，以盾構隧道在初始開挖面內(nèi)的拱腳點、拱頂點及對應地表點的沉降變化過程為例，進行了注漿層硬化前、后沉降變化對比.根據(jù)圖7發(fā)現(xiàn)，在注漿層硬化前、后，不論拱腳、拱頂及對應地表點的沉降位移均比注漿層硬化前大.

圖7 施工過程中注漿層硬化前、后的沉降

4 結論

盾構隧道施工過程中的工序比較復雜，在盾構掘進過程中會擾動地層土體，產(chǎn)生相應的變形，對這方面的控制也比較復雜.本章針對盾構隧道的施工工序，利用ANSYS軟件對其進行了有限元模擬分析.

盾構隧道在掘進過程中，由于隧道位置處的土芯被挖掉，會導致地下土體應力釋放，導致地表土體發(fā)生相應的沉降，并且隧道縱向軸線正上方地表點的沉降變形最大.隨著掘進深度的增加，沉降變形逐漸增大，但當盾構隧道向前掘進超過一定距離后，其后方較遠地表點的沉降變形趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)增大.

在盾構隧道在向前掘進過程中，會產(chǎn)生一定的頂推力，因此會導致其前方一定范圍的地表土層發(fā)生向上隆起變形.隆起的原因為盾構機前方的頂進壓力使未開挖土體發(fā)生向前的堆淤而出現(xiàn)隆起.

隨著盾構不斷向前掘進，初始開挖斷面上的橫向地表各點的沉降位移會不斷增加.在各橫向地表點中，隧道拱頂正上方對應的地表點沉降最大，主要因為盾構隧道在此處向下的應力釋放最為明顯，而距該點越遠的兩側其它地表各點的沉降越小.

［1］日本土木會.隧道標準規(guī)范(盾構篇)及解說［M］.朱偉譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001:1-4.

［2］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2002:867-874.

［3］吳韜，韋良文，張慶賀.大型盾構出洞區(qū)加固土體穩(wěn)定性研究［J］.地下空間與工程學報，2008，4(3):85-90，193.

［4］趙耀強，李元海，朱世友，林志斌.不同地層條件盾構始發(fā)對地表沉降影響規(guī)律研［J］.隧道建設，2011，4(31):465-469.

［5］孫海霞，趙文，王釗宇，于建軍.地鐵盾構法施工對地表變形的影響分析［J］.隧道建設，2010，S1(30):151-155.

［6］肖立，張慶賀.鐵路軌道下盾構施工所致地面沉降的數(shù)值模擬［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2011，9(31):1286-1291.