复杂环境下富水砂层土压盾构地层沉降分析

复杂环境下富水砂层土压盾构地层沉降分析王建军（中交隧道工程局有限公司，北京100088 ）摘要：文中以广州地铁盾构隧道施工段为背景，应用现场监测与数值模拟相结合的方法，研究盾构掘进施工引起周围地层位移场的分布规律，为类似工程提供参考依据。

关键词：隧道工程沉降数值分析1引言近年来，随着盾构施工技术的不断完善，盾构法在地铁施工中得到了广泛应用，北京、上海、广州、深圳、天津等地铁施工中基本都采用盾构法。

由于地质条件和施工工艺的限制，盾构掘进不可避免地引起对周围地层的扰动，产生地层变形及地面沉降。

目前，盾构施工引起土层变形的预测方法主要有经验法[1]、解析法[2～5]和有限元法等。

经验法主要是Peck公式[1]，该法假定地面沉降的横向分布类似正态分布曲线，且沉降槽的体积等于地层损失的体积。

有限元法不仅能够反映土层性质的影响，还能对盾构施工过程进行不同程度的模拟，且能得到不同深度土层的沉降、侧向位移以及地层的变形过程，因此在盾构隧道施工分析中得到了越来越广泛的应用。

为了探索富水砂层地区盾构掘进引起深层位移场的分布规律，本文对广州地铁3号线北延段盾构施工段进行了现场实测分析。

然后，采用有限元分析程序Plaxis 3D Tunnel 对盾构掘进过程进行了三维有限元模拟计算，计算结果与实测值吻合较好。

最后，根据数值计算结果对隧道中心上方土层的变形规律进行了研究。

2现场实测与分析2.1工程概况广州市轨道交通三号线北延段（新机场线）矮岗至新机场南区间线路总长3832.981 单线米。

其中盾构区间线路总长3240.489 单线米，其中含有富水砂层的达到1284m，占盾构区间线路总长的39%，区间途径农田、鱼塘、菜地及市政道路和绿化带，地处广花冲积盆地，盾构始发段为溶岩发育区，并有孤石发育，靠近机场管线分布较多，由于地质条件和环境条件的复杂，对工程安全和质量以及对周边环境的影响提出了很高的要求。

2.2 测点布置为了有效的监测盾构施工引起的地层变化，我们进行了土体的测斜以及分层沉降监测，测点的布置情况如图1。

图1 分层沉降监测布置图2.3 盾构掘进引起的分层沉降图2 右线隧道轴线上覆土层沉降变化曲线从监测结果来看，在盾构距监测断面10米以前的各层沉降都比较小，因此沉降差异不明显。

而在刀盘接近断面时，开始出现沉降差异。

这主要是盾构机掘进速度较快，螺旋输送带转速加快使得土体排除加快，致使土仓压力偏小，沉降加快。

而沉降最快的阶段发生在盾构通过断面以及盾尾通过后10米范围内，这段时间由于盾壳的摩擦剪切作用，以及刀盘与盾壳的直径差引起的土层损失和盾尾间隙引起的土层损失，再加上盾尾通过后速度仍然很快，只是注浆未大范围产生效果，引起的沉降加快。

刀盘通过断面20米后，沉降趋于稳定，主要是盾尾注浆已经发生作用，砂土受扰动后排水快，能在这段时间内固结很大部分，之后的次固结作用发生相对缓慢。

埋深越大的土层沉降量越大，这是因为在隧道正上方的土体埋深越大，与隧道凌空面的距离越小，土体扰动也越大，沉降量也越大。

在埋深6.8米的土层最终沉降值达到了30mm。

2.4 盾构掘进引起的土体水平位移（1）垂直于盾构掘进方向（横向）图3 右线2#孔横向测斜变化曲线图2#孔是隧道侧面离右线最近的一个监测孔，在盾构距断面11米的阶段，只引起了土层朝隧道内侧的微小位移，各层土的位移均布明显。

当盾构通过断面6米时，土层朝隧道内方向的位移明显增加，这是由土体开挖损失以及盾壳与土体的摩擦引起的。

在切口过断面13米时，土层位移有微小的回落，这是因为盾尾经过后的注浆压力所引起的。

在切口过断面28米后，土层向隧道内侧又有较大的位移值，这主要是由于受扰动土的固结以及浆液的凝结。

最大的位移值发生在与隧道的埋深相应的水平土层中。

（2）盾构掘进方向图4 左线3#孔纵向测斜变化曲线图图5 左线5#孔纵向测斜变化曲线图3#孔和5#孔位于左线隧道的两侧，其变化规律有相同点，也有不同点。

在盾构到达断面之前，3#孔朝着盾构掘进相反方向的位移不明显，而5#孔则表现为拱顶上方土体朝着盾构掘进相反方向位移，而拱顶以下土体位移不明显。

这主要与隧道两侧的土性差异以及盾构姿态控制有关。

在盾构通过断面后，土体主要发生朝着盾构掘进方向运动，拱顶以下土体的位移较拱顶以上土体明显，这是由于此阶段主要是盾壳与土体的摩擦引起，拱顶以下土体受扰动大于上方土体。

3盾构掘进引起的土体位移的数值分析3.1有限元模型的建立（1）有限元模型计算的有关假定由于盾构法隧道掘进的三维效应，进行地表沉降的三维分析是必要的。

根据分析，在进行有限元计算时假设:①地表面和各土层均呈匀质水平层状分布;②对于装配式衬砌，按整体结构计算，对接头的刚度进行修正;③计算时在盾构作业开挖面处施加一定的表面力，以模拟切削刀盘的推进力效应;④为了简化问题的复杂程度，计算中忽略地下水的渗透作用，土体本身的变形与时间无关，即不考虑土体的固结和蠕变作用;⑤初始地应力计算只考虑岩体自重应力，忽略岩体构造应力;（2）有限元网格的划分以广州地铁三号线北延段ZCK27十430左线断面现场工程地质、设计隧道埋深以及隧道结构设计等情况为依托，来建立计算模型。

有限元模型尺寸为长80m、宽25m,高25m的三维网络。

左右两边限制单元节点x方向位移，下边界限制节点Y 方向位移，前后限制节点z方向位移，经过优化后的有限元网格如图5-67所示。

图6 左线有限元网格图3.2 数值计算结果分析图7 隧道轴线处地表沉降模拟计算值与实测值比较图8 隧道轴线上埋深6.8m土层沉降模拟计算值与实测值比较图7中，模拟计算得到的最终沉降为10.313mm，实测的最终沉降为10.2mm，两者基本一样。

图8中，模拟计算的到的最终沉降为24.143mm，实测的最终沉降为31.0mm，两者相差6.857mm，造成图8中模拟计算值与实测值如此大的差距原因是：通过此断面时盾构掘进速度较快，螺旋输送带的转速加快，因此在通过此断面时的土仓压力比前方土体的水土合力小，这样引起对土体的沉降较大。

再加上快速通过断面后，较大范围的盾尾间隙产生后，注浆来不及发挥作用，也引起了较大的土体沉降。

图9 3号孔土体横向测斜实测值与模拟值对比图10 4号孔横向测斜实测值与模拟值对比由图9～图10可以看出，数值模拟得出的土层横向测斜曲线与实测得到的横向测斜曲线走向大体一致。

横向测斜随着土层埋深的增加不断增加，当埋深在4～6m的范围，横向测斜出现了第一个峰值，然后横向测斜逐渐减小；当埋深在10m（也是隧道顶部）的时候，横向测斜又逐渐增大；当埋深在14～16m时，横向测斜出现第二个峰值，然后横向测斜逐渐减小。

4结论针对广州地铁3号线北延段盾构施工段，通过现场实测得到了盾构施工过程中土体的变形规律，并利用有限元程序Plaxis 3D Tunnel 对盾构施工过程进行了数值模拟。

现场实测数据和有限元计算结果表明：（1）由于数值模拟考虑了土仓压力、盾构与周围土体的错动、建筑空隙以及同步注浆等因素，模拟的土体变形值与实测值能够较好的吻合。

（2）分层沉降主要发生在盾构通过期间和盾尾通过后10米范围内，影响其沉降的主要是土仓压力的变化，在快速通过的同时，必须控制螺旋输送带的转速，将土仓内的土体维持在一定水平，严格控制出土量。

（3）在垂直于盾构掘进方向（横向），大多数断面的土体在盾构到达前发生朝盾构内侧的位移，在盾构通过期间，土层朝隧道内方向的位移明显增加，这是由土体开挖损失以及盾壳与土体的摩擦引起的。

在盾尾过断面时，某些断面土层位移有微小的回落，这是因为盾尾经过后的注浆压力所引起的。

在切口通过断面较远时，土层向隧道内侧又有较大的位移值，这主要是由于受扰动土的固结以及浆液的凝结。

最大的位移值通常发生在与隧道的埋深相应的水平土层中。

（4）在盾构掘进方向（纵向），在盾构到达前土体主要发生朝盾构掘进相反方向位移，这是由于后方土体开挖造成的土层损失引起的，也可能是由于盾构欠压推进。

在盾构通过期间，土体开始朝着盾构掘进方向位移，这是由盾壳与土体的摩擦引起的，拱顶以下土体的位移较拱顶以上土体明显。

盾构通过土体较远后，土体有继续朝着盾构掘进方向位移的趋势，这是由于前方开挖土体受扰动后固结所引起的。

位移最敏感的区域位于隧道所在水平土层。

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：[s. n.]，1969：225–290.[2] SAGASETA C. Analysis of undrained soil deformation due to ground loss[J]. Geotechnique，1987，37(3)：301–320.[3] VERRUIJT A，BOOKER J R. Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half space[J]. Geotechnique，1996，46(4)：753–756.[4] LOGANATHAN N，POULOS H G. Analytical prediction for tunneling induced ground movement in clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124(9)：846–856.[5] 魏纲，魏新江，龚慈，等. 软土中盾构法隧道引起的土体移动计算研究[J]. 岩土力学，2006，27(6)：995–999.(WEI Gang，WEI Xinjiang，GONG Ci，et al. Study on calculation for shield tunneling induced ground movements in clays[J]. Rock and Soil Mechanics，2006，27(6)：995–999.(in Chinese))。