李 平 ， 鹿慶蕊，李棟偉，高金賀，張敏思

(東華理工大學(xué),江西 南昌 330013 )

0 引言

21世紀(jì)以來，我國城市地鐵建設(shè)得到了迅速發(fā)展[1-2]。因其具有施工速度快、對周邊環(huán)境影響小等特點，盾構(gòu)掘進(jìn)已然成為當(dāng)前地鐵隧道施工的主流方法之一。然而地鐵周邊建筑物眾多，地下管線復(fù)雜，盾構(gòu)在軟土中施工難免會對土體造成擾動，帶來一定的安全隱患，因此如何減少盾構(gòu)施工對土體的擾動，已成目前研究重點[3]。

盾構(gòu)施工引起的土體擾動研究方法包括實測分析、經(jīng)驗公式、試驗研究、解析解和數(shù)值模擬。由于盾構(gòu)施工的復(fù)雜性，以及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來已有大量研究人員通過數(shù)值模擬來預(yù)測盾構(gòu)隧道的地基性狀、地表沉降和襯砌的荷載和變形等，并取得了很好的效果。如LEE[4-5]等，首次建立了盾構(gòu)隧道三維有限元模型，將其應(yīng)用于軟土地區(qū)的隧道施工。KPASPAR[6-7]等首次提出了一個面向全過程的三維有限元模型，成功建立了一套用于模擬軟土、飽和土中盾構(gòu)施工相互作用行為的數(shù)值研究系統(tǒng)。孫均[8]等以上海市軌道交通明珠線隧道盾構(gòu)施工為研究對象，利用有限元軟件分析得到隧道不同施工階段土層位移和地表沉降規(guī)律。王敏強[9]等對盾構(gòu)推進(jìn)過程結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，提出遷移法來模擬盾構(gòu)在軟件向前推進(jìn)，以此研究推進(jìn)過程地表變形和土體擾動規(guī)律。雷華陽[10]等通過對天津某地鐵軟土層進(jìn)行數(shù)值模擬得出在一定范圍內(nèi)注漿壓力對地表沉降有顯著改善。張海波[11]等人在考慮多方面因素下對軟土層盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬，得出盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的地層擾動規(guī)律。王俊[12]等通過室內(nèi)模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬得到盾構(gòu)在上軟下硬土層中擾動規(guī)律。丁智[13]等應(yīng)用數(shù)值模擬軟件研究杭州某地鐵盾構(gòu)區(qū)間中不同施工參數(shù)對土體豎向變形的影響，得出土體變形與超孔壓分布規(guī)律。

支護(hù)力是盾構(gòu)施工中重要參數(shù)，然而以上研究中均未考慮到在飽和軟土地區(qū)施工時不同支護(hù)壓力對土體擾動影響；其次以上研究并未涉及到隧道-土-結(jié)構(gòu)相互作用情況。

紹興為典型的華東地質(zhì)軟土地區(qū)，土體性質(zhì)較差，地鐵施工對周圍土壤和結(jié)構(gòu)的擾動是施工中的一個主要問題，尤其盾構(gòu)側(cè)穿秋瑾紀(jì)念碑區(qū)間段。本文將依托紹興地鐵一號線工程，利用ABAQUS有限元軟件，研究不同施工參數(shù)下盾構(gòu)推進(jìn)對土體和地表既有文物建筑的擾動影響，可為今后類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

本文以紹興地鐵1號線城市廣場至塔山站盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，工程概況如下：盾構(gòu)從塔山站出發(fā)后，沿解放北路敷設(shè)，穿過秋瑾紀(jì)念碑，最終到達(dá)城市廣場站(見圖1)。 其中左線盾構(gòu)區(qū)間起始點為K36+623.420，終點為K37+733.782，區(qū)間長度為1 110.547 m，采用土壓式平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間隧道上頂覆土厚度約9.38～16.603 m。區(qū)間主要控制因素主要為秋瑾紀(jì)念碑。

1.2 工程地質(zhì)條件

紹興處于平坦開闊的沖海積平原上，地勢低洼，湖泊眾多，其土質(zhì)為典型華東地質(zhì)軟土，土體自立性差，廣泛分布厚層狀軟土，其天然孔隙比大于或等于1，天然含水率大于等于液限，具有壓縮性高、強度低、靈敏度高、透水性低等特點(見表1)。區(qū)間土層主要為素填土層、淤泥質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層，如圖2所示。平均地下水位位于地表以下1.5 m。

1.3 盾構(gòu)機選型與管片結(jié)構(gòu)

本區(qū)間穿越地層以淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主，考慮施工難易與成本采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)，襯砌采用C50鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)徑為5.9 m，外徑為6.7 m，厚0.4 m，軸線環(huán)寬為1.2 m，抗?jié)B等級≥P10，即按不透水處理(見圖3)。

圖1 紹興地鐵一號線城市廣場站至塔山站工程概況Figure 1 Overview of Shaoxing metro line 1 project from city square station to Tashan Station

圖2 地質(zhì)土層示意圖Figure 2 Schematic diagram of geological soil layer

表1 各土層參數(shù)Table 1 Soil Parameters

1.4 秋瑾紀(jì)念碑

秋瑾紀(jì)念碑中心里程為K36+830，該處隧道埋深為15.8 m，距盾構(gòu)軸線為8.2 m，主要穿越土層為素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土(見圖4)。該紀(jì)念碑為本次模擬重點影響因素之一。

圖3 管片大樣圖Figure 3 Schematic diagram of the lining segment

圖4 秋瑾紀(jì)念碑示意圖Figure 4 Schematic diagram of Qiujin monument

1.5 監(jiān)測點布設(shè)

施工監(jiān)測點布設(shè)主要為洞內(nèi)拱頂、拱底和側(cè)邊收斂監(jiān)測；洞外主要為地表沉降監(jiān)測、測斜管水平位移監(jiān)測，以及孔壓監(jiān)測點，其布置圖見圖5。

2 紹興城市廣場至塔山站盾構(gòu)區(qū)間數(shù)值模擬

2.1 盾構(gòu)施工模擬方法

在地鐵隧道工程中，其開挖模擬實質(zhì)都是應(yīng)力釋放和支護(hù)的過程。由于目前有限元軟件很難完全模擬盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)，需做必要的簡化。通常都將其按非連續(xù)的過程來研究。假定盾構(gòu)一步推進(jìn)距離為固定長度(一個管片寬度)，每推進(jìn)一步改變周邊單元材料性質(zhì)來模擬盾構(gòu)推進(jìn)。其次盾構(gòu)向前推進(jìn)周圍土體的邊界條件也會有所變化，從而導(dǎo)致土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，有限元軟件將這種變化轉(zhuǎn)化為載荷作用于相應(yīng)節(jié)點進(jìn)行計算。

圖5 隧道監(jiān)測點布置圖Figure 5 Layout of tunnel monitoring points

2.2 等代層模型

等代層模型示意圖見圖6。實際中直接模擬盾尾空隙、超挖間隙、注漿分布情況是非常困難的，通常將這些因素混合在一起，以均質(zhì)等厚的彈性材料代替即等代層模型[14]，其厚度按下式確定：

δ=Δ·η

其中,Δ為盾尾空隙;η為折減系數(shù)，η取值范圍為0.7～2.0，本次模擬盾尾空隙為10 cm，由于穿越土層為淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土，折減系數(shù)取1.5，即本次模擬等代層厚度取15 cm。

圖6 等代層模型示意圖Figure 6 Schematic diagram of equivalent layer model

2.3 邊界尺寸選定和有限元網(wǎng)格劃分

本次模擬采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS(ABAQUS，2016)進(jìn)行了非線性三維孔隙流體擴散/應(yīng)力耦合分析?？紤]到邊界條件對隧道有限元建模結(jié)果影響，參考了SHIVAEI[15]等人采用的模型邊界尺寸。為簡化模型，本次只對地鐵左線進(jìn)行建模， 并按軸對稱方式對模型進(jìn)行處理。整個模型寬度為30 m，深度為60 m，長度為60 m，推進(jìn)距離45 m。土層、襯砌、注漿代層采用可變形的連續(xù)介質(zhì)實體。其中等代層、襯砌、盾構(gòu)采用彈性材替代。土體采用C3D8P(三維八節(jié)點孔壓單元)， 注漿等代層與襯砌采用C3D8R(三維八節(jié)點減縮積分單元)。盾構(gòu)采用S4(四節(jié)點殼單元)。模型由29 110個三維八節(jié)點實體單元和1 722個四節(jié)點殼單元組成。圖7為最終三維有限元模型圖。

圖7 三維有限元模型Figure 7 Three dimensional finite element model

2.4 荷載和初始邊界條件

模型底部各方向的位移和旋轉(zhuǎn)都固定，其他面水平方向固定。對模型頂部施加了20 kPa均布力以模擬地表交通荷載。假定水位位于地表，將頂部初始孔隙水壓設(shè)為0，地表以外其他邊界均按不透水邊界處理(包括等代層、襯砌、盾構(gòu)單元)，地下水位以下的土層完全飽和，地下水位以上的所有節(jié)點孔壓都為0。

2.5 材料模擬

Mohr-Coulomb模型在巖土工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且模型參數(shù)易于獲取，準(zhǔn)確性可靠，因此本次土體材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。為了便于計算，假定隧道襯砌、等代層一環(huán)為1.5 m，盾構(gòu)機為2環(huán)長度即3 m。考慮到節(jié)段接縫對隧道襯砌的影響和注漿材料具有時效性，管片襯砌剛度折減0.15[16]，盾尾后兩環(huán)視為軟化階段，之后為硬化階段。通過對降低開挖土體彈性模量來模擬盾構(gòu)開挖土體時空效應(yīng)，其應(yīng)力釋放率參考HASANPOUR[17]等，材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameter

2.6 掌子面力及注漿壓力

目前紹興地鐵一號線城市廣場—塔山站還處于地鐵車站施工階段，缺少掌子面壓力與注漿壓力實測數(shù)據(jù)。本次模擬根據(jù)區(qū)間土體性質(zhì)，以隧道中線位置理論靜止土壓力280 kPa作為參考值?？紤]土體自重應(yīng)力等因素，盾構(gòu)的工作面壓力從拱頂至拱底呈梯形分布，變化梯度為17.2 kN/m2/m。填充環(huán)形間隙的注漿壓力仍參考靜止土壓力，作用于開挖土體內(nèi)表面和襯砌外表面，其變化梯度為15 kN/m2/m。假定注漿壓力在等代層硬化后被消除，即在安裝3個節(jié)段環(huán)之后，第一環(huán)灌漿壓力被消除，以此類推(見圖8)。在數(shù)值模型中，盾構(gòu)、等代層、襯砌與周圍土體的相互作用被定義為一個表面約束。為探討注漿力和掌子面力對地層擾動影響，以理論靜止土壓力為依據(jù)，通過不同支護(hù)比進(jìn)行工況對比，其公式如下：

其中,PX為支護(hù)力或注漿力；λ為系數(shù)；P為理論靜止土壓力值。

2.7 隧道開挖工序

此次模擬隧道環(huán)寬為1.5 m，共計30環(huán)，總長45 m。根據(jù)實際盾構(gòu)開挖工序，有限元法的開挖程序如下:

第一步：地應(yīng)力初始化。該步利用ABAQUS的生死單元功能殺死土體外的所有單元，進(jìn)行地應(yīng)力計算。

第二步：為減少邊界效應(yīng)對模型的影響，首先激活最初兩環(huán)盾構(gòu)(3 m)，利用ABAQUS的生死單元。功能殺死前兩環(huán)開挖土體，并固定掌子面位移，以此模擬盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)洞。

圖8 盾構(gòu)有限元模型掘進(jìn)示意圖Figure 8 Schematic diagram of shield tunneling with finite element model

第三步：激活第三環(huán)盾構(gòu)，并殺死第一環(huán)盾構(gòu)以此模擬盾構(gòu)前進(jìn)，并對掌子面施加壓力模擬土倉壓力。與此同時，第一片的襯砌和等代層激活，并對土體表面與襯砌外表面施加均勻分布壓力，以此模擬注漿壓力作用。該階段等代層處于軟化階段。

第四步：按第三步工序向前掘進(jìn)兩環(huán)，此時移除第一環(huán)注漿壓力并硬化該環(huán)等代層。

第五步：按如上操作循環(huán)進(jìn)行。

3 模擬結(jié)果

3.1 不同掌子面支護(hù)力對土體擾動影響

3.1.1洞周土體位移

模擬中注漿力統(tǒng)一為1P即280 kPa，通過改變支護(hù)比來研究對土體擾動影響。觀測點選取了模型21 m處(第14開挖面)的洞內(nèi)A、B、C這3點作為觀測對象，所得位移曲線如圖9所示。圖9(a)為拱頂沉降曲線圖，結(jié)果顯示支護(hù)力為0.4P情況下，A點豎向位移最大，最終沉降達(dá)到了26.9 mm，在支護(hù)力達(dá)到1P之后沉降量變化幅度不大。當(dāng)支護(hù)力為1.4P時拱頂最終沉降為7.8 mm，沉降值降低了70%。而當(dāng)支護(hù)力為1.6P時盾構(gòu)還未到達(dá)監(jiān)測斷面時，A點土體發(fā)生了向外側(cè)擠壓現(xiàn)象，這表明過大的支護(hù)力可能會造成土體的破壞。從圖9(a)中還能發(fā)現(xiàn)土體位移驟降并不是在盾構(gòu)到達(dá)時發(fā)生，而是在距監(jiān)測點一定范圍內(nèi)就開始發(fā)生，其范圍為0.5D至1.4D(D為盾構(gòu)直徑)，且支護(hù)力越大其范圍越??；洞內(nèi)軸線處B點水平位移如圖9(b)所示，在0.4P支護(hù)力下盾構(gòu)未通過B點時，B點水平位移朝洞內(nèi)達(dá)5.8 mm，這主要是因為開挖致使前方土體應(yīng)力釋放，支護(hù)力過小導(dǎo)致了B點向洞內(nèi)收斂。當(dāng)支護(hù)力在1P～1.4P時，B點水平位移處于平衡狀態(tài)。但當(dāng)支護(hù)力達(dá)到1.6P時，現(xiàn)象類似A點，土體處向外擠壓嚴(yán)重，由于B點位于淤泥質(zhì)黏土層，支護(hù)力過大會破壞土體原有性狀，造成隧道后期發(fā)生沉降。圖9(c)中仰拱處C點規(guī)律與A、B點大致相似，但土體卸荷反彈使得C點整體位移主要朝上，增大支護(hù)力后土體隆起量逐漸減小，基于電腦硬件限制本次共建立了30個開挖步，過短推進(jìn)距離不足以使得B點趨于穩(wěn)定因此B點在模型運算完成后位移依然上拱。

(a) 拱頂位移

(b) 側(cè)邊收斂

(c) 拱底隆起

從A、B、C這3點模擬結(jié)果來看，一定范圍內(nèi)增大支護(hù)力大小可有效改善前方土體自穩(wěn)性。但支護(hù)力過大對隧道四周土體會造成破壞，這在施工中應(yīng)盡量避免。

3.1.2地表沉降

地表檢測點和地表沉降隨支護(hù)力變化曲線如圖10所示，由圖10可知支護(hù)力較小時(0.4P)，隧地表最大沉降達(dá)到13.3 mm，隨著支護(hù)力增大，地表沉降逐漸減小，支護(hù)力在1P～1.4P時地表沉降變化幅度很小，最大沉降量僅為2.8～3.1 mm，即支護(hù)力在此范圍內(nèi)對地表最大沉降影響不大。此外，從圖10可知當(dāng)支護(hù)力超過1P時，遠(yuǎn)離軸線地表有隆起現(xiàn)象，特別是支護(hù)力達(dá)到1.6P時，隆起明顯。這說明一定范圍內(nèi)增大支護(hù)力能有效改善土體地表沉降，但過大的支護(hù)力會造成地表土體隆起破壞，在施工中需要重點注意。

圖10 不同支護(hù)比地表沉降Figure 10 Surface settlement with different support ratios

3.1.3土體水平位移

根據(jù)現(xiàn)有研究，部分研究人員認(rèn)為在盾構(gòu)掘進(jìn)時土體水平位移通常是朝向隧道內(nèi)部[18]。也有研究人員認(rèn)為朝向隧道外部[19]。一般情況下，隧道土體橫向水平位移主要是由隧道超挖和襯砌的橢圓化引起的，一方面因為擴挖間隙太大，導(dǎo)致盾構(gòu)通過時土體體積損失偏大，土體發(fā)生向內(nèi)位移。另一方面，當(dāng)擴挖適當(dāng)時襯砌的橢圓化將使周圍土壤的向外擠壓，從而土體朝向外部運動。圖11(a)顯示了不同支護(hù)力下盾構(gòu)掘進(jìn)45 m后CX1的最終橫向位移，觀察曲線可知測斜管橫向位移主要是朝向外側(cè)，其沿不同深度的分布最大位移主要集中在埋深17.5 m處，支護(hù)力越小(0.4P)時水平位移越大(3.9 mm)，而支護(hù)力為1P、1.2P時，測斜管橫向位移基本不變。圖11(b)不同掘進(jìn)階段下CX2的橫向位移，其中最大橫向位移處于隧道軸線處，始發(fā)進(jìn)洞最小，注漿硬化后達(dá)到最大值2.3 mm，這表明周圍土體位移影響主要受盾構(gòu)推進(jìn)擾動影響。所得曲線趨勢與LIU[19]等模擬相近。

(a) 不同支護(hù)力CX1橫向位移

(b) 不同階段CX2橫向位移

3.2 不同支護(hù)力下盾構(gòu)掘進(jìn)對孔壓的影響

隧道開挖引起孔隙水壓的變化對土體擾動也會產(chǎn)生較大影響，由有效應(yīng)力原理可知，孔壓上升下降會導(dǎo)致有效應(yīng)力發(fā)生改變，孔壓下降會導(dǎo)致土體發(fā)生固結(jié)沉降。目前大多數(shù)研究人員對盾構(gòu)施工主要集中在土體位移，但對盾構(gòu)推進(jìn)孔壓分布情況研究不足，本次基于不同支護(hù)比研究隧道開挖后孔壓分布情況?？讐罕O(jiān)測點位于第12開挖斷面即18 m處的KY4488、KY4091、KY1883這3個監(jiān)測點，結(jié)果如圖12所示。從圖12(a)和圖12(b)可知，盾構(gòu)推進(jìn)孔壓主要呈下降狀態(tài)，但KY4488孔壓下降速度明顯大于KY4091，并且KY4488下降較為規(guī)律，而KY4091點波動非常大如圖12(b)所示，一方面由于KY4091所受支護(hù)壓力大于KY4488，其次盾構(gòu)自重對底部土體也會產(chǎn)生較大壓力，這些都能防止孔壓快速下降。而波動過大的原因在于有限元模擬盾構(gòu)掘進(jìn)并不是一個連續(xù)過程，而是被離散化，每個開挖步存在加荷卸荷的循環(huán)過程，所以盾構(gòu)到達(dá)后，支護(hù)力使孔壓上升，而卸荷后孔壓回落，造成了這一波動現(xiàn)象，其中最大差值達(dá)到了65 kPa。此外從圖12還可發(fā)現(xiàn)支護(hù)力大小對孔壓的影響主要集中在盾構(gòu)未到達(dá)前，支護(hù)力越大，孔壓變化越小。KY1883孔壓主要為上升趨勢，如圖12(c)的孔壓曲線所示，這是因為土體向外側(cè)擠壓導(dǎo)致的結(jié)果。圖12中所有監(jiān)測點均在盾構(gòu)通過1.5D后孔壓逐漸平穩(wěn)，即土壤中超孔隙水壓已基本消散。

(a) KY4488

(b) KY4091

(c) KY1883

4 盾構(gòu)推進(jìn)對秋瑾紀(jì)念碑?dāng)_動有限元分析

4.1 有限元模型

有限元建模過程在本文第2節(jié)模型基礎(chǔ)上，增加了既有建筑物秋瑾紀(jì)念碑，土材料參數(shù)如表1、表2所示。有限元開挖模擬同第2節(jié)，采用step-by-step開挖建模方法。土、隧道襯砌、盾構(gòu)機等代層所采用的單元類型與第2節(jié)有限元模型一致，碑體簡化為彈性材料，彈性模量E為15 000 MPa，泊松比μ為0.2，碑高7 m長3 m，距隧道軸線8.2 m，碑四周設(shè)置DB1、DB2、DB3、DB4共4個沉降觀測點，用以研究盾構(gòu)推進(jìn)對該紀(jì)念碑的擾動情況。有限元模型如圖13所示。

(a) 模型示意圖

(b) 秋瑾紀(jì)念碑觀測點

4.2 盾構(gòu)推進(jìn)過程秋瑾紀(jì)念碑沉降演變分析

圖14為有限元模擬紹興地鐵1號線盾構(gòu)側(cè)穿秋瑾紀(jì)念碑周邊豎向位移曲線。圖中沉降曲線表明，在0.4P支護(hù)力下，盾構(gòu)向前推進(jìn)過程中靠近隧道一側(cè)監(jiān)測點DB3和DB4沉降最大，達(dá)到了13.3 mm，遠(yuǎn)離側(cè)DB1和DB2也達(dá)到了10.9 mm，兩端基礎(chǔ)沉降差為2.4 mm，根據(jù)設(shè)計要求最大沉降應(yīng)小于10 mm，基礎(chǔ)沉降差≤5 mm，顯然0.4P下無法滿足規(guī)范要求，但增大支護(hù)力后觀測點沉降值逐漸降低，在0.6P、0.8P、1.0P支護(hù)力下最大沉降分別為7.8 mm[圖14(b)]、4.7 mm[圖14(c)]、3.3 mm[圖14(d)]。下降幅度很大，盡管本次模擬未考慮右線盾構(gòu)掘進(jìn)對秋瑾紀(jì)念碑影響，但該支護(hù)力下的沉降量能滿足規(guī)范要求。此外支護(hù)力大小對觀測點沉降速率也有較大影響，0.4P支護(hù)力情況下秋瑾紀(jì)念碑沉降速率最大，1P下沉降速率最小，即支護(hù)力越大沉降量越小。觀測點在盾構(gòu)通過1.5D距離后停止沉降。根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，原因是盾構(gòu)通過后，管片和注漿層抑制了土體應(yīng)力繼續(xù)釋放。

(a) P1=0.4P(b) P1=0.6P

(c) P1=0.8P(d) P1=1.0P

5 結(jié)論

本文基于ABAQUS三維非線性流固耦合分析方法，采用兩種有限元模型研究開挖面支護(hù)力對土體和秋瑾紀(jì)念碑?dāng)_動影響，得出如下結(jié)論：

a.盾構(gòu)距監(jiān)測斷面越近，對土體擾動越大。增大掌子面支護(hù)力后能減少洞周土體收斂值和降低地表沉降。有利于土體自立性，但過大的推力改變了前方土體應(yīng)力狀態(tài)，使得周圍土體受到擠壓變形，因此實際施工中通過掘進(jìn)試驗段確定最適支護(hù)力非常重要。

b.盾構(gòu)推進(jìn)過程會改變孔壓分布，開挖土體使得周邊孔壓降低，距監(jiān)測斷面越近孔壓越低。盾構(gòu)推進(jìn)過程中開挖面四周孔壓波動較大，在通過1.5D距離后，土體孔隙中的超孔壓逐漸消散，最后趨于穩(wěn)定。

c.對盾構(gòu)下穿既有建筑物時，可通過增大支護(hù)力來減小施工造成建筑物地基擾動影響。