盾构隧道土仓压力引起的地表沉降数值模拟分析

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１工程概况
广州地铁四号线仑—大区间北起仑头后底岗盾构始发井，经官洲站，到达大学城盾构吊出井。区间设计起讫里程为ＳＣＫ１６＋１１０～ＳＣＫ１８＋８３９．５，设计长度为２７２９．５ｍ。区间线路设竖曲线４个，最小竖曲线半径为３０００ｍ，最大纵坡为４２．６５ ‰。线路从盾构始发井出来以８００ｍ半径弯道东偏穿越仑头海至官洲岛，到达官洲站过站后，区间线路全部２．７～１５．７以直线到达大学城站。区间线路线间距１ｍ，隧道拱顶覆土７～５０ｍ。盾构法施工隧道采用３００ｍｍ厚管片，管片环宽１．５ｍ，管片分块采用一个封顶块、两个邻接块、三个标准块即５＋１模式，管片拼装采用径向先搭接２／３，再纵向推入１／３方法施工。
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｕｒｆａｃｅＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔＣａｕｓｅｄｂｙＳｏｉｌＰｒｅｓｓｕｒｅｉｎＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ
ＬＩＵＪｉａｎｈａｉ
（ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｔａｉｙｕａｎ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴａｋｉｎｇＬｕｎｔｏｕＤａｘｕｅｃｈｅｎｇｓｅｃｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅ４ｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕＭｅｔｒｏａｓｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｒｅｄｉｃｔｓｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｂｙｍｅａｎｓｏｆ３ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒｍａｋｅｓａｐｒｏｆｏｕｎｄｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｏｎｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｐａｔｔｅｒｎｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ；ｓｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
泊松比０．４００．３３０．３２０．３２０．３１０．３０
４３× １０
６
６７９× １０６１７０× １０
１× １０
１０
在计算中，按平衡土压的１５％递增以模拟超土压５％递减来模拟欠土压平平衡的情况，按平衡土压的１衡的情况。具体土压力取值分为０．０７ＭＰａ、０．０９ＭＰａ、０．１１ＭＰａ、０．１３ＭＰａ、０．１５ＭＰａ、０．１７ＭＰａ、０．１９ＭＰａ等７种工况。计算断面模型如图１。基本假设：１）土体的应力－应变关系符合Ｄ－Ｐ模型；２）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；３）工作面的推进是分段连续的，
第６期刘建海盾构隧道土仓压力引起的地表沉降数值模拟分析
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体移动量与盾构土仓的压力相关。在影响地表变形的各因素中，土体及衬砌材料的力学性质可以通过试验测定，土仓压力在施工时可以人为控制。在研究中，通过三维有限元计算模拟盾构向前推进时土仓平衡压力引起的盾构上方的地表变形值。
表１地层物理力学参数表Ｔａｂｌｅ１Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｏｉｌｓ
地层〈２－２〉〈４－３〉〈５－２〉〈６Ｚ〉〈７Ｚ〉〈８Ｚ〉弹性模量／Ｐａ
［３］
定的２３组土压力的控制值与其地表变形值Ｓ、Ｓ１２的０～３０ｍ地表变形值，对比曲线。图中Ｓ１为盾构前方１Ｓ０～３０ｍ地表变形值。２为盾构后方１从图４、图５中可以看出，土仓压力的设定必然引起地表沉降的变化，其变化结果也和数值模拟的结果接近。即土仓压力在０．０７～０．１９ＭＰａ，地表沉降值在盾构前方表现为隆起，在盾构后方表现为下沉，数值在－３～１ｃｍ。而在平衡土压为０．１３ＭＰａ时，地表的隆起和沉降都不大，与计算结果相符。
６１５× １０６１６× １０
图１ＹＤＫ１８＋２１４断面计算模型Ｆｉｇ．１ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｏｆＹＤＫ１８＋２１４Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ
３．２计算结果在计算中，为消除隧道空间效应的影响，假设一次开挖长２７ｍ，在隧道掌子面和隧道周边同时施加所设定的土仓压力，模拟土仓压力效应。由于此段施工处．５ｍ。图２为土仓压力为０．１３在官洲河中，河水深９时的地层位移云图，图３中为不同土仓压力时的ＭＰａ地表纵向沉降曲线。从图２及图３中可以看出：在过河段，当土压力．１３ＭＰａ时，在工作面前方６ｍ处出现地表隆起，为０ｍ处出现最大隆起值为０．６ｍｍ；在工作面在前方９后方２４ｍ处出现最大沉降值为１０．６ｍｍ。当土仓压．１９ＭＰａ时，工作面前方３ｍ处出现地表隆力达到０起，在前方６ｍ处出现最大隆起值为１．１ｍｍ；在工作ｍ处出现最大沉降值为３．７ｍｍ。当土仓压力面后方９达到０．０９ＭＰａ时，工作面前方９ｍ处出现地表隆起，在前方１２ｍ处出现最大隆起值为０．３ｍｍ；在工作面后７ｍ处出现最大沉降值为１９．９ｍｍ。方２
刘建海
（山西省交通规划勘察设计院二所，太原０３０００６）
摘要：以广州地铁四号线仑—大区间盾构施工为依托，通过三维有限元模型预测盾构向前推进时舱体设定土压力引起的地表变形值，对盾构施工变形问题进行研究。同时结合现场监测结果的对比分析，总结了地表沉降规律，对后续工程施工具有指导意义。关键词：盾构隧道；土仓压力；地表沉降；数值模拟中图分类号：Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ
密度３／（ｋｇ／ｍ）１７５０１８２０１９２０１９６０２４００２５２０
粘聚力／ｋＰａ１５．０１９．０３６．５３９．４５０．０５００．０
摩擦角／（ ° ）２５．０２０．０２０．２２２．７２８．０３０．０
３］３土仓压力引起的地表沉降分析［
４］。即一段水平距离的推进是瞬时完成的［
３．１模型建立计算模型选取广州地铁５号线仑—大区间右线里程为ＹＤＫ１８＋２１４的断面。该段地处官洲河下９．５ｍ，地层由上至下为淤泥质粉细砂〈２－２〉、黏性土〈５－２〉、全风化混合岩〈６Ｚ〉、强风化混合岩〈７Ｚ〉。该断面隧道埋深１４ｍ，为区间工程中埋深最浅、穿越地层最。软的区段之一。上述各地层物理力学参数如表１
０ｍ范前方地表的隆起不断增加，一般在工作面前方１围内出现隆起。对于土压平衡盾构机来说，当土舱土压力达到平衡时，地表的隆起和沉降值均很小。当超
３２
隧道建设２００７年１２月第２７卷
平衡时，地表的隆起值增大；相反，当欠平衡时，地表的沉降值增大。因此，在盾构推进时，控制好平衡土压是减小地表变形的主要有效方法之一
２７７卷第６期隧道建设（６）：３０～３２第２２００７年１２月ＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｅｃ．，２００７
盾构隧道土仓压力引起的地表沉降数值模拟分析
２地表沉降概述
浅埋隧道松软地质条件下，盾构施工对土体的扰动将到达地表，即施工引起地表沉降表变形的基本原因可归纳为：
收稿日期：２００７－０９－１２；修回日期：２００７－１１－０２
［１］
。盾构施工引
起的地表沉降因素很多，根据施工过程和特点，引起地
作者简介：刘建海（１９７４－），男，山西大同人，２００６年毕业于石家庄铁道学院岩土所，工学硕士，工程师，从事地下工程与隧道工程的设计、科研与施工工作。
图２土仓压力为０．１３ＭＰａ时的地层位移云图Ｆｉｇ．２Ｉｓｏｃｌｏｕｄｏｆｇｒｏｕｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗｉｔｈ０．１３ＭＰａｓｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ
３．３计算分析ＤＫ１８＋２１４断面计算结果可知：随着土仓 ①从 Fra Baidu bibliotek 压力的增加，工作面后方地表的沉降在减小，而工作面
开挖面土 ① 开挖面土体的移动。当隧道掘进时，体受到的水平支护应力可能小于或大于原始侧压力，
２］。导致开挖面上前方土体会产生下沉或隆起［
②土体挤入盾尾空隙。盾构法隧道的初始衬砌脱离盾尾后，在隧道开挖壁面和衬砌外周围形成一环形空隙，土体将向这一空隙产生位移，从而引起地表沉降。 ③土体与衬砌的相互作用。在周围土体压力作用下，衬砌要产生变形，同时衬砌对周围地层也产生相反方向的作用力，地层变形是土体与衬砌的相互作用的综合表现。使多 ④ 改变推进方向。掘进机向上或向下倾斜，余的土体被挖去，盾尾空隙增大，与施工质量有关。 ⑤受扰动土体的再固结是地层变形的另一主要原因，尤其是在饱和软土地层中。可见，地表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深和施工条件等。上述变形原因中，又以开挖面的土体移动和土体挤入盾尾间隙为主要原因。在一定条件下，开挖面土