土压平衡盾构土仓压力变化对周围土体位移的影响

1825 年法国工程师M.A.Rrunel 发明盾构法施工，而后盾构法经历了从手掘式、挤压式、气压式土压平衡和泥水加压式的盾构。

1894 年，盾构法首次应用到地铁隧道建设中，到20世纪80 年代末，大约有32 个国家和地区的81 座城市修建了290 条地下铁道线路，总长计5000km，这些隧道基本上都是用盾构法施工完成的[1][2]。

虽然盾构施工技术经验越来越丰富，但盾构推进仍不可避免会对周围环境产生扰动，改变土体的应力状态，而土体扰动和固结必将引起土体位移，当土体位移超过一定范围时，会危及地铁结构本身以及邻近建(构)筑物、道路、桩基和地下管线等的安全与正常使用，使邻近建筑和公用设施倾斜、扭曲等，从而引起一系列环境效应问题[3][4]。

因此很有必要对盾构施工对周围环境的影响因素进行深入分析，而土仓压力就是关键因素之一。

研究盾构施工过程中土仓压力变化对周边土体的影响有很重要的意义，而数值模拟方法不失为一种好的方法[5][6]。

本文依托某地铁施工项目，运用Flac3d 数值模拟软件，分析了土仓压力的变化对土体位移的影响，得出了一些有用结论。

1 工程概况
本标段全长3094 米，线路大致呈东西走向，包含181.2m 段明挖工程、871.3m 的暗挖隧道工程（其中预埋段暗挖隧道240.8m、拱形段暗挖隧道630.5m）、2026.5m 盾构隧道。

本标段沿线地层均为第四系全新统、上更新统冲洪积层和第四系全新统人工堆积层，下伏基岩为上第三系中上新统砾岩，剥蚀面埋深在隧道出口一带为30～40m，宣武门附近为70m。

浅埋暗挖隧道主要穿越的地层为：砂卵石层，向西隧道拱部进入粘土层。

盾构隧道主要穿越的地层为：圆砾、卵石土层；向西卵石粒径逐渐加大。

设计勘察实测到一层地下水，为层间潜水。

水位标高为21.36～21.71m（水位埋深为23.13～24.31）。

含水层主要为卵石⑦层、圆砾⑦1 层、卵石⑨层、圆砾⑨1 层、卵石⑾层、圆砾⑾1 层及其所夹砂层。

该层地下水主要接受侧向径流补给及越流补给，以侧向径流方式排泄。

地下水流向自西向东。

采用双线单圆盾构，内径（直径）为9.6m，外径（直径）为10.7m，衬砌管片宽度1.5m；衬砌环共分为9 块，由6 块标准块（A 型管片）、2 块邻接块（B 型管片）、1 块封顶块（K型管片）组成，封顶块设在与竖直方向成28.8°处。

A、B 型管片的夹角为43.2°，每块重约8.0t。

封顶块的拼装形式有径向楔入和纵向插入两种，经比较后采用纵向插入式。

衬砌环的拼装形式采用错缝和通缝两种，除特殊地段采用错缝拼装外，其余均采用通缝拼装。

2 计算模型和计算参数
2.1 模型建立模型以隧道中心为原点，水平向右为X 轴方向，沿隧道轴向向内为Y 轴正方向，垂直向上为Z 轴正方向。

隧道采用盾构法施工，衬砌管片为单层C50 钢筋混凝土通用管片；本构模型采用莫尔-库仑准则；应力边界条件为：竖直方向按土层自重应力，考虑到地面建筑较为密集，故在地秒施加一定的均布压力来模拟地面超载，按1m 厚度土层考虑；位移边界为：模型顶面自由，四周约束各边界面的法向位移，底面完全约束。

整个模型范围大小为71m×60m×42m，共划分网格单元82560 个，节点86716 个，上表面取至地表面，该处按实际隧道埋深取16.2m；下面取至隧道底部以下16.2m；横向取至隧道外侧30.7m；沿线路纵向取60m，见图1，整个开挖过程分40 步，每步开挖长度为1.5m，也就是一个管片的长度。

2.2 计算参数数值模拟计算中土层参数的选择主要依据现场实验和实验室的测试结果，区间土层竖向分为10 层，土层相关参数如表1 所示，施工过程模拟所需参数如表2 所示。

2.3 模拟计算方法要想完全模拟整个施工过程很难做到，因此可以做适当简化，以便于数值模拟而又能够使模拟阮籍基本反应施工过程，不失其规律性。

在本文中，通过调整开挖面顶推力的大小来模拟土仓压力，通过调整等代层的厚度来反应注浆效果的影响。

以下是开挖过程模拟的flac 程序实现过程。

初始地应力之后要首先将个节点位移清零，整个开挖过程分40 步，每步开挖长度为1.5m，也就是一个管片的长度。

每步都是瞬间开挖完成，然后运行一定时步，使围岩应力得到一定程度释放。

再施加管片，完成一步开挖。

完整的开挖流程为：
（1）使用model null 命令将等代层以内的土体全部挖出；
（2）在开挖面上施加土仓压力以平衡地压；
（3）运行一定时步；
（4）施加盾构钢壳：钢壳用实体单元来模拟，采用弹性模型，其力学参数参照《混凝土结构设计规范》（GBJI-89）选取，如表2 所示；①所述注浆部分分为两层，此事，外侧赋予土层来模拟刀盘超挖引起的地层损失，内侧模拟盾构的钢壳；
（5）经过7 个循环后，出去盾构钢壳，使土层发生变形，模拟盾尾空隙引起的地层损失；
（6）运行一定时步；
（7）安装等代层、管片。

本文引入张云等提出的浆液和土层混合作用的等代层，等代层厚度定为14cm。

但考虑到注浆效果的好坏，本文将等代层参数分两次赋值，第一次赋值是模拟尚未有足够强度的浆液与土的混合物，在运行一定时步后第二次赋值使模拟已经凝固的混合物。

实际工程中，土仓压力取值约为1.25e5Pa，本文中取六种不同工况进行对比分析，即将土仓压力分别设定为0.75e5Pa、1e5Pa、1.25e5Pa、3e5Pa、3.5e5Pa、4e5Pa，尝试着分析不同土仓压力对地面沉降的影响。

2.4 土仓压力变化对地面沉降的影响分析下图2 为几种不同土仓压力下的土层位移等值线图，从图中可以看出，随着土仓压力的变化，周围土体的最大位移逐渐减小，但土体位移分层现象逐渐模糊，也就是说土仓压力越大，周围土体的竖向位移受深度影响就越小，地面沉降与拱顶沉降的值越接近。

2.5 土仓压力变化对开挖面地表沉降的分析图3 为不同土仓压力下开挖面地表面横向沉降曲线。

从图中可以看出，随着土仓压力的增大，盾构开挖面的横向沉降曲线在不断变化。

当土仓压力为75kp 时，隧道中心地面最大沉降为1.9mm；当土仓压力为100kp 时，地面最大沉降为1.5mm；当土仓压力为125kp 时，地面最大沉降为1.2mm。

由此得到规律：随着土仓压力的增大，地表最大沉降不断减小，横向沉降曲线趋于平稳。

但是，当土仓压力增大到一定值时，就不再存在所谓的沉降槽，开挖面前的地面呈隆起状态。

当土仓压力为300kp 时，隧道中心地表隆起0.6mm；当土仓压力为350kp 时，隧道中心地表隆起0.9mm；当土仓压力增大到400kp 时，隧道中心地表隆起为1.2mm。

由以上分析可知，土仓压力的大小对开挖面地表的沉降控制有着明显的作用，在制定实际施工方案时，应综合各方面的因素定出合理的土仓压力值。

2.6 土仓压力变化对地表沉降的影响分析下面一组图是地表沉降完全结束后的地表沉降等值线图，图的横坐标为隧道断面里程，纵坐标沿着隧道掘进方向延伸60m。

中，土仓压力的变化不大，所导致的地表沉降的变化也不大，地表沉降等值线呈直线分布，表示在隧道纵向上地表沉降较为均匀。

地表最大沉降值均为28mm 左右，地面沉降值大于1mm 的范围在隧道中线两侧30m 之内。

土仓压力相对于前三种情况是成倍增加的，可以看出，地表沉降等值线较为紊乱，后期沉降值大幅减小，在隧道纵向上呈“前低后高”的分布态势，即前期开挖引起的沉降值较大（最大25mm），而后期开挖所引起的沉降值较小（最大20mm）。

3 结论
（1）随着土仓压力的变化，周围土体的最大位移逐渐减小，但土体位移分层现象逐渐模糊，也就是说土仓压力越大，周围土体的竖向位移受深度影响就越小，地面沉降与拱顶沉降的值越接近。

（2）土仓压力的大小对开挖面地表的沉降控制有着明显的作用，在制定实际施工方案时，应综合各方面的因素定出合理的土仓压力值。

（3）土仓压力在小范围内的改变对地表最终沉降的影响不大，不管是对最大沉降的影响还是对横向影响范围的影响都几乎可以忽略。

但当土仓压力成倍改变时，对地表最终沉降量的影响就不容忽视。

此时，地层因严重欠挖导致盾构机前方地层的大量隆起，造成后期地层沉降困难。