[分享]粉质黏土层盾构施工中沉降控制因素研究

0 引言

  地下隧道盾构施工时都会对盾构周围原有地层产生扰动，使地层土体产生应力释放，原始应力场发生变化，造成地层及地表发生沉降，如果产生的地表沉降过大，将造成地表塌陷和地上建筑、地下管线及道路等发生过大变形或破坏，所以在城市地铁盾构施工时，必须采取适当的施工技术措施减少地面的沉降，尽量将地面沉降值控制在安全的范围内。尤其是对于粉质黏土层地区，土体含水量较高、渗透性差、黏性强，前人研究较少，对其盾构施工引起地面沉降的因素进行合理分析的难度会更大。
  目前，各种影响地面沉降的主要因素已成为隧道界的研究热点问题之一，罗锦刚从地质条件、施工等方面综合分析，深入探讨了隧道沉降过大的原因，提出临时仰拱、临时竖撑等措施；张冬梅通过数值模拟的方法研究了注浆作用下渗漏水对隧道和地层沉降的影响，建立了渗透系数与隧道渗漏引起的衬砌受力、变形和地层位移之间的关系；李翔宇在考虑土体固结与渗流耦合，以及软土流变特性的基础上，通过三维数值模拟研究了不同渗漏位置和程度对隧道周围土体孔隙水压力分布、隧道及土层沉降的作用机理，发现隧道三处区域同时发生渗漏时产生的土层沉降槽范围和隧道沉降量较大; 高广运用 Flac3D软件建立了交叉隧道的三维有限差分模型，采用修正动偏应力长期沉降计算模型，结合分层总和法计算了软土的沉降，预测了交叉隧道的长期沉降规律及影响因素; 郑刚通过建立考虑土体小应变的有限元模型，研究了不同围护结构变形模式对坑外既有隧道变形的影响。

  本文以某地铁盾构施工为背景，利用 Ansys 有限元软件创建三维数值网格模型，并导入 Flac3D对三维模型进行后处理计算分析，得出了土舱压力、地面荷载、注浆压力和地层加固参数 4 个因素对地面沉降的影响。

1 工程概况与地质条件

  该地铁盾构施工中采用土压平衡盾构施工方案进行开挖。勘察深度范围场地内的岩土分层为人工填土层、陆相冲积-洪积砂层、粉质黏土层和花岗岩风化带。盾构施工主要在粉质黏土层进行开挖掘进，该层主要分为可塑状粉质黏土层、软塑状粉质黏土层和硬塑状粉质黏土层，以可塑状粉质黏土层为主，局部含有粉细砂，黏性较强，刀切面较光滑，透水性较弱，且土体的含水量较高，盾构过程中对土层扰动很大，施工产生的地面沉降变形是开挖掘进过程中要重点关注和控制的问题。具体土层物理参数如表 1 所示。

2 有限元模拟

2．1 模型的建立

  本文结合工程地质条件利用 Ansys 创建三维模型，再把 Ansys 模型导入Flac3D软件，利用 Flac 强大的后处理功能对盾构施工三维模型进行计算分析。考虑边界条件的影响，模型宽度方向的边界距隧道的距离要大于 3D( D 为隧道盾构外径) ，所以取模型宽度 60 m，模型高度方向底部边界距隧道底部要大于 2D，所以取模型高度为 39 m，在开挖掘进方向上取长度为60 m。模型中施工开挖埋深取14 m，盾壳直径 6.3m，衬砌外径 6 m，厚0.3 m，环宽1.5 m．建模的土层划分及参数设置按照工程勘察的相关说明进行，采用位移边界条件，模型的上表面为自由面用来模拟地面，对侧面固定水平方向的变形，对模型底面固定竖向变形，隧道的掘进方向沿 Y 轴正方向向前推进。Ansys 建模如图 1 所示。

  把 Ansys 创建的三维数值网格模型导入Flac3D进行后处理计算，得到的三维数值模型如图2 所示。

2．2 土舱压力的影响

2．2．1 土舱压力对开挖面的影响
  本文分别取 130、140、150、160、200 kPa 的土仓压力来进行不同工况的模拟，对不同工况的模拟结果进行对比分析，这里以 150 kPa 和 200 kPa 为例建立有限元模型，纵向水平位移如图 3 所示。

  由图 3 可以看出: 纵向水平位移的主要影响区域范围在开挖面前方，由于掘进开挖面土体在土舱压力下受到挤压造成前方地层产生纵向变形，同时开挖面土体在盾构推力的作用下发生位移，不同土舱压力值对掘进面及前方地层的位移变形值和稳定性有不同程度的影响。

  不同土舱压力时，开挖面上的纵向水平位移曲线如图 4 所示。

   由图 4 可知: 当土舱压力的设定值加大时，掘削面处的纵向水平位移值也随之变大；土舱压力每增加 10 kPa，隧道掘削面中心处的最大变形值增大 3 mm 左右。当土舱压力为 130 kPa 时，在隧道掘削面中心下方处出现了较小的负值水平位移，这是因为此时设定的土舱压力值稍小于掘削面处的初始应力值。土舱压力为 140 kPa 时，在隧道掘削面上部引起了正向的水平位移，最大纵向水平位移值3.87mm，发生在隧道掘进面中心处。土舱压力为200 kPa 时，隧道掘削面上部形成了比较大的纵向水平位移，隧道掘进面中心处的最大纵向水平位移值是19.86mm； 其值比 140 kPa土舱压力时产生的水平变形值大15.99mm，发生的最大纵向水平变形值是 140 kPa 时的 5 倍左右，说明此时的土舱压力的设定值比较大，掘进开挖面不能保持平衡状态，影响安全施工。土舱压力为 160 kPa 时，其盾构隧道掘削面中心处的纵向水平变形值是 9.23mm，小于10 mm，是 140kPa 时位移值的 2 倍多。

2．2．2 土舱压力对开挖面前方的影响

  不同土舱压力时开挖面前方隧道轴线上的纵向水平位移如图 5 所示。由图 5 可看出，开挖面处的纵向水平位移值最大，距开挖面越远处，其变形值越小，受掘进施工时土舱压力的影响程度越小。

  当土舱压力分别设定为 140、150、160 kPa 时，在掘进面前方 6 m 处发生的纵向水平位移值与掘削面上的偏差值占最大纵向变形值的百分比分别为78.55%、81.54%、78.33%，可以看出在开挖面前方 6 m 范围即 1 倍隧道直径范围内的纵向水平位移值占开挖面处最大纵向水平位移值的 80% 左右，为主要影响区域。

  同样在开挖面前方 12 m 处的纵向水平位移值与开挖面处的纵向水平位移值的偏差值占最大纵向水平位移值的百分比分别为 92.76%、93.08%、91.01%。可以看出在开挖面前方 12 m 范围既 2D 范围内，其纵向水平位移值占开挖面处最大纵向水平位移值的 90%以上，在盾构掘进的前方 6～ 12 m 之间的地层为次要位移变形区。当超过 12 m 时，影响较小，超过 18 m 既 3D 时，纵向水平位移值较小，可不予考虑。

2．2．3 土舱压力对地面变形的影响

  不同土舱压力对应地面沉降曲线如图 6 所示。由图 6 可以看出：土舱压力越大，开挖面前方地表沉降量越小，随着盾构机通过，开挖面后方地表的最终稳定沉降量变大。土舱压力与开挖面土体的原始侧压力越接近时，地表的最终沉降量越少，当土舱压力大于开挖面土体的原始侧压力时，地面的最大沉降值会增大。这是因为当土舱压力大于土体原始应力时，会对开挖面前方土体产生扰动，使开挖面的土体向远离开挖面的方向挤出，开挖面处土体的位移又进一步引起沉降。当土舱压力的设定值与掘进面处的原始地层应力相平衡时能够最合适的控制地层的位移变形。

  由图 6 可以看出： 在 140 kPa 土仓压力设定值下地表对应的最大沉降变形量是15.98mm；150 kPa时地面的最大沉降值是 16.2mm，其变形,量增大了:0.22mm； 160 kPa 时地面的最大沉降值是 16.4mm，其变形量增大了0.42mm。可以看出土舱压力越大，隧道横断面地表最终沉降量也逐渐变大，但地表的最大沉降值相差不多，其沉降值基本保持不变。说明土舱压力因素对地面沉降量的影响较小，因此在盾构施工中通过调整土舱压力的方法来控制地面沉降的作用效果是非常有限的。

2．3 同步注浆的控制

  本文参考等效层的概念来模拟衬砌外围的注浆体，把衬砌管片与注浆体视为一层均质、圆形、等厚的实体弹性单元，如图 7 所示。在模拟计算过程中把注浆等效层视为弹性材料，其模拟的材料参数包括厚度、泊松比、弹性模量，泊松比取0.2。等效层的厚度主要受盾构层土体的工程物性、注浆材料的填充量、土体的扰动程度等各种因素综合作用的影响，取 30 cm。注浆等效层的液体材料随着时间而逐渐固结，其强度增加很大，为了模拟不同时间阶段下的注浆体材料的物理力学特性，根据浆液的实际凝固过程分以下 2 种情况考虑： 一是将液体材料看作是有注浆压力在内的刚度较低的弹性材料，其弹性模量取注浆压力 0.3MPa； 二是将等效层视为已经凝固硬化，其弹性模量取 400 MPa。

  施工开挖掘进中注浆压力值参数的取值设定通常参照地层原始应力值的大小来设定，并根据实际施工状况在实际开挖过程中不断地动态调整。因此本文结合粉质黏土层物理力学参数，依次设定250、300、350 kPa 的注浆压力来进行不同工况的模拟。这里为更好区别以 250 kPa 和 350 kPa 为例进行数值模拟分析，结果如图 8 所示。

  不同注浆压力时横断面地表沉降曲线如图 9所示。由图 9 可以看出：当施工时的注浆压力设定值由 350 kPa 减小至 250 kPa 时，地面的最终稳定沉降变形量由11.84 mm 增大至18.60mm，随着注浆压力设定值的增加，地面的沉降变形量有明显的降低，这是因为在土体压力一定时，注浆压力越大，注浆体的变形越小，能够有效减少隧道拱顶地层的应力释放，进而减少拱顶地层的沉降值。从 3 种不同工况模拟下的沉降图可以看出，适当地提高施工时的注浆压力能够有效减小地层损失和降低地面沉降，对施工中地层的变形及地面的沉降有较好的控制作用。

2．4 地面荷载作用的影响

  为了研究地面荷载对地表沉降的影响，分别取地面荷载为 60、40、20 kPa 3 种不同工况进行数值模拟，结果如图 10 所示。从图 10 可以看出： 地面的沉降变形值随着施工时地面荷载的减少而明显降低。当地面上的荷载是 40 kPa 时，地面最终稳定的最大变形沉降量是 15.98mm。当地面上的荷载由40 kPa 减小至 20 kPa 时，最终稳定的沉降变形量由 15．98 mm 减小到 13．60 mm，降低了近 15%。当地面上的荷载由 40 kPa 增大至 60 kPa 时，最终稳定的沉降变形量由15.98mm 增大到 19.17mm，增大了近20%。可以看出地面荷载的变化对地表最大沉降值有较大影响，当地面的荷载过大时必须采取一定的技术措施来控制地表沉降。

2．5 地层加固的影响

  为了研究地层参数对地表沉降的影响，对其计算模型中的地层参数进行调整，而其他影响因素不变，对盾构隧道周围 1 倍隧道半径内的土体进行地层加固，其加固区的模量分别取 11、30、50 MPa 3种不同工况，并对这 3 种不同工况下的沉降结果做对比分析，结果如图 11 所示。

  地层不同弹性模量时横向地表沉降曲线如图12 所示。由图 12 可以看出： 在地下盾构施工过程中，随着地层土体弹性模量的提高，施工所造成的地层沉降变形值有所降低。在 11 MPa 地层的弹性模量下，隧道上方最大的地面沉降变形量是 15.98mm。当其值从 11 MPa 增强至 30 MPa 情况下，地面的最终稳定沉降变形量由 15.98 mm 降低至13.55mm，降低了近 15%左右; 当从 11 MPa 增强至 50MPa 情况下，地面的最终稳定沉降变形量由 15.98mm 降低至10.30mm，降低了近 35%左右。

  由上述分析可知地面的沉降变形量的大小受地层的弹性模量变化的影响较明显。这主要是因为，地层的弹性模量增大，使隧道上方地层的沉降变形得以减少，进而降低了地表的沉降量。

3 结论

 1) 土舱压力主要影响开挖面的稳定，主要影响范围在其掘进前方 2D 区域内。土舱压力的设定值与掘进地层的初始应力保持平衡时，开挖面上的纵向水平位移值较小，土舱压力宜为0.14 ～0.16 MPa。

 2) 随着注浆压力设定值的增加，地面的沉降变形量有明显的降低，当注浆压力为 350 kPa 时沉降值最小为11.84mm。地面荷载因素对地表的沉降影响较大，地面荷载为20kPa时，沉降值最小为13.60mm。地面的沉降变形量的大小随着地层弹性模量增大而减小，在弹性模量为 50 MPa 时，地层最终稳定沉降量达到最小值 10.30mm。

 3) 对比分析以上 4 种引起地表沉降的因素可知，注浆压力对地层沉降的影响最大，而地面荷载和地层加固的影响次之，土舱压力的影响最小。

参考文献：中国知网