軟土盾構施工引起地表沉降的有限元分析

1、摘要：盾構法是軟土地區(qū)地下隧道施工的一種常用工法，但對于盾構推進過程中引起軟土地層移動和地表沉降的原因及機理，人們還缺乏足夠的認識和工程實踐經驗積累，有待進一步深入研究。為此，以杭州地鐵 1 號線某區(qū)間地鐵隧道開挖為例，利用三維非線性有限元軟件對地鐵盾構隧道施工開挖過程進行數(shù)值模擬與分析，得到隧道開挖引起隧道周圍土體移動和地表沉降曲線，分析了隧道地表沉降沿橫向分布隨盾構推進的變化規(guī)律、地表沉降沿縱向分布隨盾構推進的變化規(guī)律和不同深度處地層的沉降變化規(guī)律。所得結論對軟土地區(qū)地鐵隧道設計與施工有一定的參考價值。關鍵詞：軟土；地鐵隧道；盾構法；地表沉降；有限元法 0引言 在城市地鐵隧道施工過程中，盾

2、構法因具有速度快、精度高、自動化控制能力強等方面的優(yōu)點而得到廣泛的應用，特別是在沿海軟土地區(qū)，隧道開挖基本上都是采用盾構法進行施工。然而，隧道施工是在巖土體內部進行的，會不可避免地擾動隧道周圍土體。因此，盾構法施工不能完全防止隧道四周一定范圍內巖土體發(fā)生松動、變形和移動1。當?shù)貙幼冃纬^一定范圍時，會嚴重危及鄰近建筑物的安全，引起一系列環(huán)境巖土工程問題2-3。種種隧道開挖事故表明：隧道開挖產生的地表沉降會對周邊及鄰近建(構)筑物造成較大的危害，輕則開裂，重則倒塌4-5。因此，探討修建地鐵隧道對周圍建（構）筑物沉降變形的影響，分析引起地表沉降的影響因素及變化規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。基于此，本文擬

3、采用三維非線性有限元軟件Adina 8.5對杭州地鐵1號線某區(qū)間隧道進行施工開挖模擬，分析其地表沉降沿橫向分布隨盾構開挖推進過程的變化情況、地表沉降沿縱向分布隨盾構開挖推進過程的變化規(guī)律以及不同深度處地層的沉降變化情況，以期對類似地質條件下工程建筑物的保護、優(yōu)化施工等提供參考。 1工程概況 該在建的汽車城站世紀大道站區(qū)間隧道，位于杭州市余杭區(qū)臨平鎮(zhèn)，屬于杭州市地鐵 1 號線標段的一部分。該隧道自汽車城站向北，沿迎賓路西側至世紀大道站，區(qū)間線路長 1031 m。1.1工程地質情況 本工程場地位于杭州市東北部沖積海積平原。根據(jù)巖土工程勘探資料6，該場地沿線第四紀覆蓋層厚度約 40.049.0 m，

4、上部主要為錢塘江近代沖積沉積的粉、砂性土，下部為陸海相沉積地層。隧道頂部上覆土層主要為雜填土及素填土，土體較疏松，自穩(wěn)性較差；隧道洞身穿越的土層主要為第1層砂質粉土、第2層砂質粉土夾粉砂、第4層黏質粉土夾淤泥質粉質黏土和第8A層黏質粉土；隧道下臥層主要為粉砂、黏土、粉質黏土和砂質黏土。各土層主要物理力學性質指標見表 1。1.2施工方法 考慮到地鐵隧道穿越土層的性質以及該區(qū)間隧道是沿迎賓路行走的，適合采用盾構法進行施工。在施工時，采用加泥土壓式平衡盾構。盾構隧道內徑 6000mm，管片寬度 2 m，管片厚度 300 mm。管片采用螺栓連接，襯砌環(huán)間以縱向螺栓連接，襯砌為通縫拼裝。 2數(shù)值模擬 A

5、dina 有限元軟件是美國 ADINA R&D 公司開發(fā)的大型通用有限元軟件。該軟件可對連續(xù)介質進行大變形非線性分析，可模擬多種材料的力學特性；求解非線性問題時采用自動時間步長技術，提供控制單元剛度連續(xù)變化的單元生死技術以模擬基坑、隧道等工程施工開挖過程中的逐步卸荷問題，非常適合盾構推進、基坑開挖等的施工過程模擬。因此，在本文數(shù)值研究中，采用 Adina 軟件來進行盾構隧道的開挖施工過程模擬。2.1材料模型 在數(shù)值計算過程中，襯砌管片為預應力鋼纖維鋼筋混凝土構件，采用彈性模型進行模擬。土體考慮其非線性，采用 Mohr-Coulomb 屈服準則。該準則認為材料某平面上剪應力達到某一特定值

6、時就進入屈服狀態(tài)，其表達式7為n = c +n tan， (1)式中，c 為黏聚力，為內摩擦角，n ，n 分別為破壞面上的正應力和剪應力。 在 平面上，Mohr-Coulomb 屈服條件是一個不等角的等邊六邊形。在主應力空間，其屈服面是一個棱錐面，中心軸線與等傾角重合。在三維應力空間中的屈服條件為式中，I 1為應力張量第一不變量，J 2，J 3分別為應力偏張量第二、第三不變量，8 為八面體剪應力。2.2計算域的確定 根據(jù)杭州市地鐵 1 號線標段巖土工程勘察資料8，以汽車城站世紀大道站區(qū)間隧道現(xiàn)場原型工程為研究對象，其隧道直徑為 6 m，隧道頂板土層厚度為 14 m。根據(jù)現(xiàn)有理論分析表明，在均質

7、彈性半無限域中開挖的圓形洞室，由于荷載釋放而引起洞室周圍巖土體應力和位移的變化在 5 倍洞徑范圍之外將小于 1%，3 倍范圍之外約小于 5%。經過選取幾個模型試算得知，計算區(qū)域的邊界到隧道周邊的距離大于 3倍隧道最大跨度后，由于計算區(qū)域的大小而引起的計算誤差可忽略不計。因此，本次有限元計算中的三維模型尺寸取為 40 m×24 m×38 m。模型邊界條件：底部采用固定邊界，限制其豎向位移；左、右邊界都采用固定水平方向位移；上表面為地面，設為自由邊界。荷載只考慮重力作用，其網(wǎng)格劃分情況如圖 1 所示。 在計算過程中，襯砌管片為預應力鋼纖維鋼筋混凝土構件，其彈性模量為 29500

8、 MPa，泊松比為 0.2，重度為 25 kN/m3；土層參數(shù)則按表 1 取用。2.3有限元計算過程 本文應用有限元方法的基本原理，利用大型非線性有限元軟件 ADINA 的單元生死時間技術來模擬盾構開挖過程，隧道中用盾構法開挖掉的土體以及襯砌管片分別用殺死和生成的單元模擬。為了計算的簡便取 2 個管片長度為一個開挖進尺，所以隧道沿開挖方向總共分 6 步開挖。每步有 2 個施工步，即盾構推進和對已開挖掉的土層施作管片襯砌。巖土體采用空間八節(jié)點等參元 3DSolid8 節(jié)點單元進行模擬，襯砌管片采用空間四節(jié)點等參元 3DShell4 節(jié)點單元進行模擬。 3計算結果與分析3.1地表橫向沉降規(guī)律分析

9、以距離起始開挖面 12 m 的橫截面地表為觀察對象（圖 1），分析地表橫向沉降隨盾構推進的變化規(guī)律。 （1）地表特征點 B，D，F(xiàn) 沉降分析 對于特征點，主要分析當盾構經過觀察面時（即開挖步三和四）其地表沉降的變化。 由圖 2 可見，特征點 B 點在第三步開挖支護前地表沉降值是 3.98 mm，第三步開挖支護后的地表沉降值變?yōu)?4.95 mm，比支護前增加了 0.97 mm，第四步盾構推進開挖支護前，地表沉降值為 5.30 mm，比前一步支護后的沉降增加了 0.35 mm，在第四步支護后地表的沉降變?yōu)?6.28 mm。對特征點 B 來說支護前后的沉降差比較大，而隧道開挖前后步沉降差則比較小，所

10、以地表橫向距離隧道中心遠的點豎向沉降主要受土體應力變化的影響。 特征點 D 點在第三步開挖支護前地表沉降值是10.80 mm，第三步開挖支護后的地表沉降值變?yōu)?12.10mm，比支護前增加了 1.30 mm，第四步盾構推進開挖支護前，地表沉降值為 14.60 mm，比前一步支護后的沉降增加了 2.50 mm，在第四步支護后地表的沉降變?yōu)?15.91 mm。特征點 D 相對特征點 B 來說其開挖前后步之間的沉降差有了明顯的增大，而支護前后之間的沉降差則變化不大。 特征點 F 點在第三步開挖支護前地表沉降值是17.22 mm，第三步開挖支護后的地表沉降值變?yōu)?18.78mm，比支護前增加了 1.5

11、6 mm，第四步盾構推進開挖支護前，地表沉降值為 23.55 mm，比前一步支護后的沉降增加了 4.77 mm，在第四步支護后地表的沉降變?yōu)?25.10 mm。特征點 F 在隧道中心軸的正上方，其開挖前后步之間的沉降差相對支護前后之間的沉降差明顯增大，其沉降變化主要受地層損失的影響。 結合各個特征點隨開挖推進的沉降變化曲線可見，距離隧道中心較遠的區(qū)域豎向沉降受隧道開挖引起的應力變化影響較大，而在隧道正上方附近區(qū)域地表沉降主要受盾構開挖引起的地層損失影響。 （2）整個盾構開挖過程中觀察面地表的橫向沉降變化曲線 為了研究在盾構隧道開挖推進過程中地表的橫向沉降整體變化規(guī)律，特以觀察面地表為研究對象，

12、描述出其地表沉降曲線在盾構六步開挖進程中的變化情況，從而得出其變化規(guī)律，其結果如圖 3。 從圖 3 可以看出，其相鄰兩次之間的最大沉降值沉降差分別為 5.47，6.44，6.32，5.20，5.60 mm，這些沉降差數(shù)據(jù)表明盾構在通過觀察截面的開挖步三和開挖步四的沉降變化最大，根據(jù)這個變化趨勢，當開挖步驟足夠多時，可以推斷出：地表橫向沉降槽隨著盾構的推進而逐漸加深加寬，但其加寬加深的幅度是不同的。當盾構離觀察截面較遠時，其相鄰開挖步驟之間引起的沉降槽寬度和深度變化較小，當盾構接近觀察截面時，其相鄰開挖步驟之間引起的沉降槽寬度和深度變化較大。因此，在盾構推進過程中，橫斷面地表沉降槽寬度和深度以及

13、地表沉降量的增加主要發(fā)生在盾構通過橫截面的幾個開挖階段；當盾構開挖工作面較遠時，相鄰推進步之間引起的相對沉降較小。這可解釋為當盾構遠離觀察斷面時，觀察斷面上土體所受擾動較小，只是一些應力變化而引起的地表沉降，因而地表相對沉降較小。3.2地表縱向沉降規(guī)律分析 以隧道中心正上方縱向地表為觀察對象（圖 1），對隧道地表縱向的沉降規(guī)律進行分析。 （1）地表特征點 M，F(xiàn)，P 沉降分析 從圖 4 可見，特征點 M 相鄰開挖步驟之間的沉降差分別為 8.07，5.29，2.96，1.58，1.67 mm，對于特征點 M 沉降差隨著盾構推進逐漸減??；特征點 F 相鄰開挖步驟之間的沉降差分別為 5.47，6.4

14、4，6.32，5.20，5.60 mm，對于特征點 F 沉降差隨著盾構推進先增大后減小；特征點 P 相鄰開挖步驟之間的沉降差分別為2.43，4.00，6.46，9.15，14.57 mm，對于特征點 P 其各相鄰開挖步驟沉降差隨著盾構推進逐漸增大。 結合圖 4 各個曲線變化及沉降差數(shù)據(jù)可以看出，當隧道足夠長時隧道中間區(qū)域地表各點的沉降變化規(guī)律應該是隨著盾構的推進其沉降變化率是逐漸增大的，當盾構推進開挖到該點下方區(qū)域時達到最大，接著隨著盾構繼續(xù)推進其沉降變化率逐步減小，而該點沉降的整體趨勢是逐漸增大的。 （2）地表縱向沉降隨著盾構推進的變化曲線 在分析地表縱向沉降隨盾構推進過程中的變化情況和分布

15、規(guī)律時，以距離隧道盾構推進起始面 0，4，8，12，16，20，24 m 的橫斷面地表上 L，M，N，F(xiàn)，O，P，Q（如圖 1）這 7 個點為觀察點，根據(jù)這 7 個點計算的沉降值得到盾構開挖過程中縱向地表的豎向沉降變化曲線，如圖 5 所示。 從圖 5 可見，地表縱向沉降隨著盾構的推進是逐步增大的，并且地面觀察點在盾構通過時的沉降值變化最大，當盾構通過時其值還會繼續(xù)增大，但是增大的幅度不大。盾構開挖結束時地表的縱向沉降曲線并不是均勻的，而是逐漸增大再趨向均勻的。在盾構施工時由于兩端土層的約束作用，兩端附近隧道的沉降就相對較小。因此，可以推斷當隧道足夠長時，地表縱向最終沉降曲線符合一維彈性地基模型

16、的變化規(guī)律，這正是目前縱向結構分析的主要理論模型。3.3隧道地表至拱頂不同深度處的沉降變化規(guī)律 為了探討隧道地表至拱頂不同深度地層的沉降隨盾構推進開挖過程的變化情況，以距離開挖起始面 12m 處的橫截面 z 軸上的 F(+17 m)、R(+12.6m)、S(+7.1m)、T(+3 m)這 4 個點為研究對象，分別計算這 4 個點的沉降量隨盾構推進過程的變化情況，見圖 6。 從圖 6 可見，隧道地表至拱頂?shù)牡貙映两刀际请S著盾構的推進而逐漸增大的；各相鄰開挖步驟之間的沉降差隨著盾構推進先是逐漸增大，當盾構通過觀察點時達到最大，接著逐漸減小，當?shù)貙釉浇咏绊斕帟r這種規(guī)律越明顯；當盾構離觀察面較遠時，拱頂處地層受到盾構開挖的影響相對較小。 4結論 （1）地鐵隧道開挖引起的地表橫向沉降槽分布曲線形態(tài)和經典 Peck 公式計算得出的基本一致：距離隧道軸線越遠，土體所受施工擾動越??；反之，距離隧道軸線越近，則土體所受擾動越大，相應地，其地表沉降越明顯。距離隧道中心較遠的區(qū)域豎向沉降受隧道開挖引起的應力變化影響較大，而在隧道正上方附近區(qū)域的地表沉降主要受盾構開挖引起的地層損失影響。 （2）當隧道足夠長時隧道中間區(qū)域地表各點的沉降