（上海电力设计院有限公司 上海 200025）
【摘 要】针对软土中土压平衡盾构掘进过程中地表沉降问题，通过PLAXIS3D建立三维有限元模型，研究盾构隧道开挖施工参数对地表沉降的影响，其中主要考虑的施工参数为：隧道埋深H、掘进面压力P、注浆量r和土层物理力学性质（即土层粘聚力c、内摩擦角φ和压缩模量Es），得出在各个参数影响下地表沉降结果。结果表明：施工过程中掘进面压力与其前方的静止土压力之差应不大于2c；粘聚力增加将减少地表沉降，但随着埋深的增加，粘聚力对地表沉降的影响减弱；内摩擦角和压缩模量的增加将有效的减少地表沉降，但随着隧道埋深的增加，其对地表沉降的影响在减少；隧道埋深越大时，注浆对地表沉降影响越小。
【关键词】土压平衡盾构；地表沉降；施工参数；数值模拟
Numerical study on the impact of the key construction parameters of EPB shield tunnel on the ground settlement
Yang Yan
Shanghai Electric Power Design Institute Co, Ltd, Shanghai, 200025, China
【Abstract】In this paper, a three-dimensional finite element model is developed by PLAXIS3D, to analyze the impact of key parameters on the settlement of ground in the construction of tunnel. Herein, the key parameters, such as buried height of tunnel, face pressure, grouting ratio and cohesion, friction angle and young’s modules of the surrounding soil layer , were considered in the numerical model. It was found that, during the process of construction, the different between face pressure and static earth pressure at the face of tunneling should be kept within the value of 2c in order to reduce the settlement; with the increase of the cohesion in soil layer, the settlement can be reduced significantly. However, with the increase of the buried depth of the tunnel, the influence of the cohesion of soil layer on the settlement would be reduced. With the increase of the friction angle in soil layer, the settlement can be reduced significantly. The influence of the cohesion of soil layer on the settlement would be reduced when the buried depth of the tunnel was increased. The young’s modulus had little impact on the settlement especially for the deeper buried depth of tunnel. The grout ratio had large impact on the settlement, however, with the increase of the buried depth, the influence of the grout ratio on the settlement was decreased.
【Keywords】EPB; Ground settlements; Sensitivity analyses; Numerical simulation
【中图分类号】U455 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）22-0096-06
1.引言
盾构法施工技术作为当前地铁隧道施工的一种主要方式，在我国得到了普遍的应用。然而在盾构法施工的过程中将不可避免地对土体的应力场产生扰动，改变土体原有的应力状态，导致隧道周围土体变形，从而引起地表沉降，当沉降过大时或将毁坏地表或地下设施。因此，研究盾构开挖过程中关键施工参数对地表沉降影响将有着重要的意义，该研究结果可以用于指导盾构在城市复杂环境下的开挖施工，保证其安全性，同时为减少盾构施工对周边地表沉降的影响提供一定的理论基础。
在国内外，关于盾构施工过程中引起的地表沉降问题已有许多研究成果。R.B.Peck[1]通过对大量的地表沉降数据和工程资料分析后提出Peck沉降曲线，表明地表沉降槽类似正态分布；随后Clough和Schmid[2]对Peck的沉降曲线进行了对应的改良，给出了饱和含水塑性黏土中沉降槽宽度预测公式；而后候学渊提出入了时效性（计入土体扰动后的固结），对Peck的沉降曲线进行了修正；Loganathan 和 Poulos[3]提出了适用于砂性土层和粘性土层的等效土层损失模型，得出不考虑开挖土体固结影响下地层水平、垂直位移公式。以上公式法或解析法因计算简单、使用方便而广泛应用于实际工程中，但其主要针对盾构隧道开挖完成后对地表沉降的影响，未考虑隧道在动态开挖过程中施工参数及工后土体固结对地表沉降的影响。而随着计算机软件的发展，盾构施工过程的动态过程可以通过有限元模拟得以实现，有限元法适用于各种复杂的几何形状、边界、荷载及材料特性。刘红洲等[4]运用三维有限元方法分析盾构隧道施工参数对地表沉降的影响；徐明等[5]采用三维数值研究泥水盾构开挖面泥水压力在土层参数变化情况下前方土层沉降的影响。前述有限元法模拟盾构施工并未系统的对盾构隧道开挖过程中地层参数及施工参数变化对地表沉降的影响。本文通过使用PLAXIS3D软件，建立盾构开挖三维计算模型，研究不同施工参数变化下对地表沉降的影响。其中具体的施工参数为：隧道埋深H、掘进面压力P、注浆量r和土层物理力学性质（即土层粘聚力c、内摩擦角φ和压缩模量Es），通过有限元计算分析得出在各个参数影响下地表沉降结果，得出不同施工参数对地表沉降的规律，为盾构开挖过程中地层沉降控制提出一定的指导意义。
2.有限元模型
模型选取的计算断面为上海某隧道断面，模型中的土层采用上海地勘数据，具体参数选取见表1，考虑到隧道开挖时对土体扰动的影响，土体采用小应变硬化模型（Harding Soil with Small Strain[HSS]）。数值模型中分别考虑3种不同隧道埋深，即15m，25m和30m，不同埋深时盾构所处土层分别为④-1，⑤-1及⑥-1。盾构直径为5.5m。在计算时，遵循以下简化规则和假定：①计算模型中盾构所处的土层为均一土层，按盾构穿越的土层特性进行计算；②模型开挖为全断面开挖；③周围管片作为整体进行拼装；④每次推进1.2m（1环管片宽度）；⑤盾构机简化为圆柱形刚体；⑥忽略管片接头形式。
考虑模型的边界效应，计算模型取长宽高为100m*100m*50m，如图1所示。土体与隧道管片采用六面体实体单元模拟。模型中，为考虑计算时间与精度的平衡，假设初始条件为盾构已挖掘10m，之后模拟盾构隧道施工过程10环。其中，盾构施工模拟包括土体开挖、管片安装、盾尾应力释放和盾尾注浆的模拟。其中在隧道开挖面上施加均布压力用于开挖面上水土压力的平衡。具体开挖步骤为：
（1）初始位置（10环）；
（2）TBM推进1.2m，盾尾应力释放；
（3）管片安装，盾尾注浆（11环）；
（4）TBM推进1.2m，盾尾应力释放；
（5）管片安装，盾尾注浆（12环）；
（6）…；
（20）TBM推进1.2m，盾尾应力释放；
（21）管片安装，盾尾注浆（20环）。
盾构壁后注浆采用等效替代法，即对应不同的注浆率（120%， 150%，200%），分别计算扩展体积后，采用浆液材料代替。其中浆液参数、管片参数和盾构机参数等的设定均按下表所示。
3.参数研究
3.1 计算工况
本文拟研究不同施工参数对盾构隧道掘进时的影响，在盾构掘进中，主要的施工参数有：掘进面压力、粘聚力c、内摩擦角φ、土体压缩模量Es和盾尾注浆率r共5个参数。故参数研究拟分析以上5个参数分别变化时对盾构隧道施工的影响及规律。主要参数变化取值范围如表5~7所示。
3.2 计算结果
3.2.1 掘进面压力影响
掘进面压力与地表沉降的影响见图2。如图所示，对于不同埋深的隧道，当掘进面压力小于静止土压力时，地层有明显的沉降，而当掘进面压力大于静止土压力时，地层显示出隆起的效应。对于隧道埋深H=15m时，如图2（a）所示，当掘进面压力与静止土压力之差在1c~2c范围内时，地表沉降在容许控制范围内；而当大于2c后，地表沉降（隆起）将急剧增加，表明此时掘进面处的土体已进入塑性阶段。故在盾构施工中，掘进面压力与静止土压力之差应不大于2c。对于隧道埋深H=25m时，如图2（b）所示，所得结论与上述隧道埋深H=15m相似，即当掘进面压力与静止土压力之差在1c~2c范围内时，地表沉降在容许控制范围内，当大于2c后，地表隆沉将急剧增加。故在盾构施工中，掘进面压力与静止土压力之差应不大于2c。对于隧道埋深H=30m时，如图2（c）所示，所得结论与上述隧道埋深H=15m、H=25m相似，即当掘进面压力与静止土压力之差在1c~2c范围内时，地表沉降在容许控制范围内，当大于2c后，地表隆沉将急剧增加。故在盾构施工中，掘进面压力与静止土压力之差应不大于2c。
3.2.2 粘聚力c影响
粘聚力对盾构开挖的影响见图3。图3（a）、（b）、（c）分别表示对应于不同埋深时土层的粘聚力与地表沉降的关系图。其中c值来自于地勘报告，表明该层土所能涉及的取值范围。由图对比可知，对于不同的隧道埋深，粘聚力增加将减少地表沉降，粘聚力造成的地表沉降量变化不大，但是随着埋深的增加，粘聚力对地表沉降的影响是减少的。
3.2.4 压缩模量Es影响
压缩模量对盾构开挖的影响见图.5。如图所示，对于不同隧道埋深，压缩模量的增加将会有效的减少地表沉降，但是，随着隧道埋深的增加，压缩模量对于地表沉降的影响在减少。
3.2.5 注浆率r影响
注浆率对地表沉降的影响见图6~图8。图6（a）为隧道埋深为H=15m时不同注浆率与地表纵向沉降。可以看出，随着注浆率的增加，地表将会有较明显的隆起，其中具体的隆起量值可见图6（b）。如图所示，当注浆率控制在小于160%的范围内，地表隆起量在允许的可控范围内。图6（c）为不同注浆率在施工后的固结沉降关系。如图所示，200%的注浆率会引起大量的地表沉降。这是由于相比120%的注浆率，200%的注浆率对周围土体扰动较大，并同时引起周围土体产生较大的超空隙水压，而随着施工的进行及盾构前行，超孔隙水压力将消散，从而引起地表的固结沉降。因而必须注意盾构开挖施工过程中队盾尾注浆率的控制。
对于隧道埋深为H=25m，图7（a）所示为不同注浆率与地表纵向沉降关系图。可以看出，不同注浆率在地表的隆起值均较少，同H=15m的情况对比可知，不同注浆率引起的隆起值与隧道埋深有一定的关系。图7（b）所示为不同注浆率在隧道上方10m处的纵向沉降，可以看出在地表以下范围内，不同注浆率会引起地层的上抬，这表明不同注浆率对地层沉降有影响，但是，由于埋深较深，对地表沉降的影响较小。图7（c）为不同注浆率在施工后的固结沉降关系。结果与上述埋深为H=15m类似，即200%注浆率对周围土体扰动较大，并同时引起周围土体产生较大的超孔隙水压，而随着施工的进行及盾构前行，超孔隙水压力将消散从而引起地表的固结沉降。
对于隧道埋深为H=30m，图8（a）所示为不同注浆率与地表纵向沉降关系图。结果与埋深为H=25m相似，即不同注浆率在地表的隆起值均较少。图8（b）所示为不同注浆率在隧道上方10m处的纵向沉降，可以看出在地表以下范围内，不同注浆率会引起地层的上抬，这表明不同注浆率对地层沉降有影响，但是，由于埋深较深，对地表沉降的影响较小。图8（c）为不同注浆率在施工后的固结沉降关系。结果与上述埋深为H=15m和H=25m类似，即200%注浆率对周围土体扰动较大，并同时引起周围土体产生较大的超孔隙水压，而随着施工的进行及盾构前行，超孔隙水压力将消散从而引起地表的固结沉降。
4.结论
本文通过PLAXIS3D软件建立隧道开挖的三维数值计算模型，分析在隧道开挖中，不同地层参数及施工参数对地表沉降的影响，主要结论有：
（1）在土压平衡盾构法隧道施工中，安全起见，掘进面压力与静止土压力之差应不大于2c，c是当前土层的粘聚力。
（2）粘聚力、内摩擦角和压缩模量的地层参数因隧道埋深的不同而对地表沉降有着不同程度的影响。一方面，对于埋深较为浅层的隧道，土层的粘聚力、内摩擦角和压缩模量越大，其他条件相同情况下的盾构法隧道施工时的地表沉降量越小；另一方面，随着隧道的埋深越深，土层的粘聚力、压缩模量和注浆率的大小对地表沉降的影响越小，但内摩擦角的大小对地表沉降的影响仍很明显。
（3）注浆率因隧道埋深的不同而对地表沉降有着不同程度的影响。盾尾注浆率的增大，将有效地减少地表瞬时沉降量，甚至出现隆起，但注浆率越大，一般而言其工后沉降量也越大，这是排水固结阶段孔隙水压消散的缘故。同时，随着隧道的埋深越深，注浆率对地表沉降的影响越小，但内摩擦角的大小对地表沉降的影响仍很明显。
参考文献
[1] Peck R.B.Deep excavations and tunneling in soft ground.//[C].Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City,1969,225-290.
[2]刘建航，候学渊.盾构法隧道[M].北京.中国铁路出版社，1991.
[3] Loganathan N，Poulus H G.Analytical Prediction for Tunnelling induced Ground Movements in Clays[J].Journal of Geo-technical and Geo-environmental Engineering， ASCE,1998,124（9）,124-129.
[4]刘洪洲，孙均.软土隧道盾构推进中地面沉降影响因素的数值法研究[J].2001，38（6）:24-28.
[5]徐明，邹文浩，刘瑶.超大直径泥水盾构在砂土中的开挖面稳定性分析[J].土木工程学报，2012，45（3）:174-180.
论文作者:杨艳
论文发表刊物:《建筑知识》2017年22期
论文发表时间:2017/12/29
标签：地表论文; 盾构论文; 隧道论文; 注浆论文; 土层论文; 压力论文; 参数论文; 《建筑知识》2017年22期论文;