青岛理工大学 山东青岛 266000 基金项目:乌鲁木齐市建设科技项目（2016002）
摘要：结合工程实例，利用ansys有限元软件模拟实际隧道盾构施工，得到在围岩注浆和盾构机推力共同作用下随掘进步推进的地表纵向沉降规律，尤其是地表隆起、回落和沉降关于掌子面推力范围的周期性规律。
关键词：盾构隧道；地表沉降；掌子面推力；数值模拟
1引言：
随着城市化的不断发展，地上交通压力持续增加，以地铁为代表的地下交通焕发出蓬勃的生机。在一系列的隧道开挖方法中，大部分区间处于暗挖段的盾构施工以其空间占用率小、掘进速度快、环境污染小越来越成为主流的地铁隧道开挖方式。
2 工程概况
三屯碑站～新疆大学站区间位于新疆乌鲁木齐地铁合同二标段，由三屯碑站向北，沿胜利路北行，至水塔巷与胜利路十字路口到达新疆大学站。区间沿途经过乌鲁木齐公路总段、新疆无线电一厂家属楼、市房管局家属楼、新疆大学、新疆电力安装公司家属院等建筑，胜利路为城市南北向主干道，车流量大，道路下管线较多。区间全长738.412m，覆土厚度5～15m，由南向北逐渐加深，其中小线间距段暗挖区间为单洞双线隧道，长224.751米，采用盾构施工。
3盾构数值模拟
按照实际地层划分，模型从上到下分为三个地层，依次是地表土、盾构隧道所在地层、基岩，为尽量减小模型边界对计算结果的影响，模型按照隧道尺寸约5倍选取，隧道纵向长度为60m，宽63m，模型高度41m，隧道埋深10.5m。计算模型的边界条件是，除上边界面为自由面，其他边界面全部为向该面压力方向的位移约束，平面内的位移不约束。
4 地表纵向位移分析
对隧道20个开挖步模拟并分析，可以得到每一步的竖向位移云图，由于模型边界对计算结果难免产生较大的影响，为了更精确的表达沉降规律，只取中间的5～16开挖步提取数据并分析。5～16步的沿纵轴线的剖面竖向位移云图如下。
通过沿隧道纵轴线的剖面竖向位移云图可以看出，不同掘进步下，基岩的位移情况基本维持稳定，隧道以上土体包括地表土层表现出相同的特征：其在开挖步的推进和掌子面推力的共同影响下，地层上移与推进步的里程在时间上具备一致性，即开挖步推进到何处，隧道以上土体也在掌子面前方一定位置上移，这种上移类似一般隧道开挖地层损失导致的土体下移，其原因都是地层连续性和自身参数引起的不同地层间的影响位移，只是随厚度变化和土层特性的不同，推力的影响范围也不同。此外，隧道以上土层包括地表土的上移在推进里程经过后有明显下降，即地层开始回落，这种回落随掌子面的继续推进缓慢稳定。
为避免模型边界的不利影响，在模型的中间区域每隔6m取 6个沉降数据的提取点，分别为坐标Z方向-15m、-21m、-27m、-33m、-39m、-45m的地表纵向轴线处，为方便叙述，分别编号为1～6监测点，20步的开挖后，各监测点的地表沉降图如图2。
图2 各纵向监测点随开挖步推进的地表沉降变化图
图中可以明显的得到：（1）从第一步开挖开始，各监测点均有明显的隆起现象，距第一开挖步近的监测点地表抬升的更加明显，远端反之。模拟中仅考虑第一步开挖时，盾构机作用在掌子面上的推力持续存在，这种情况下即使是模型中远端的监测点仍然有微弱的隆起现象。推力在之后的开挖步上属于周期消失出现的情况，每次推力在其他开挖步出现时，纵向地表仍然遵循近端隆起大，远端隆起小，只不过这个近端有一定的范围限制。（2）考虑使监测点隆起最大的开挖步，得到使3号监测点地表最大隆起的开挖位置是开挖第6步时，此二点水平相距4个开挖段即12m，4号监测点是当开挖第8步时该位置地表隆起最大，两点水平相距4个开挖段，5、6号监测点亦是水平相距4个开挖段开挖时隆起最大，分析可得，该工况下，盾构机从某处掌子面向前推进时，推力造成的最大地表隆起处不在掌子面正上方的地表，而是向前的4个开挖段的正上方地表，水平距离12m处，结合隧道埋深，若以掌子面处为原点，隧道纵深方向为X轴，竖直向上为Y轴建立二维坐标系，地表最大隆起点与相应掌子面连线的斜率，连线与水平线夹角为41.2°，连线与竖直线夹角为48.8°。（3）考虑使监测点隆起最快的开挖步，取尽量远离边界的4、5、6号监测点作为研究对象，其中使4号监测点地表隆起最快的是开挖第5步时，此时开挖位置与该监测点的水平距离为6个开挖步长，18m，5号监测点是当开挖第7步时该地表隆起最快，两点水平相距6个开挖步，6号监测点亦是水平相距6个开挖步长时隆起最快。与（2）类比，此时地表最快隆起点与相应掌子面连线的斜率，连线与竖直线夹角为59.89°。（4）地表的原始竖向位移是0，考虑使各监测点竖直位移跌落到原始位移值以下的开挖步数，当开挖到第9步时，3号监测点竖向位移值跌落到0以下，此时监测点几乎位于开挖步的正上方，同样地，开挖12、14、17步时，4、5、6号监测点竖向位移分别跌落到0以下，即开始产生沉降，此时各监测点也大致位于对应开挖步的正上方。（5）各个监测点经过地表最大隆起位移值后，开始回落，回落的过程缓慢而稳定，直致地表沉降达到最大值，取模型最中间的3、4号监测点分析，它们的最终沉降值相差不到1mm，实际上，模型仍然受到了边界的不利影响，若边界无限大时，各个监测点的最终沉降值应当一致。所以，综合整个盾构掘进的过程，地表纵向各点的抬升和回落表现出相同的周期性，最终它们达到相同的沉降值。
5 结论
盾构开挖作用在掌子面上的推力将会使纵向地表近端和远端都会产生隆起现象，其中远端的距离不受限制，只是隆起随距离的增加越来越小，近端有一定的范围限制。
仅从二维角度考虑盾构开挖，盾构机作用在掌子面上的推力到达纵向地表时，有一个明显加强的作用范围，这个范围是从掌子面竖直线到与竖直线夹角为48.8°线的扇形区域，在斜线与地表的交界处，推力的效果达到最大，其使纵向地表隆起的程度最大，紧邻竖直线的外区域，推力将对纵向地表毫无作用，紧邻斜线的外区域，原先的地表隆起开始回落。
开挖位置与纵向地表某处的水平距离为6个开挖步长18m，结合隧道埋深，地表最快隆起点与相应掌子面连线的斜率为0.58时，该地表的隆起速度最快。
盾构开挖的纵向地表竖向位移，其因为推力作用的地表隆起和推力作用范围外的地表回落，在整个开挖过程中具备波动性，纵向地表各点，均是先抬升后回落直致发生合理的沉降，且沉降值最终一致。
参考文献：
[1]郭建宁. 基于盾构地层损失理论的地表沉降分析及控制研究[D].西南交通大学,2017.
[2]陈鑫超. 地铁盾构施工引起的地表沉降研究[D].南京理工大学,2017.
论文作者:孙笑天,于广明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/25
标签：地表论文; 盾构论文; 推力论文; 位移论文; 隧道论文; 纵向论文; 地层论文; 《防护工程》2018年第29期论文;