軟土盾構(gòu)施工引起地表沉降的有限元分析

1、摘要：盾構(gòu)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(gòu)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(jīng)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(gòu)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(gòu)推進的變化規(guī)律、地表沉降沿縱向分布隨盾構(gòu)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(jié)論對軟土地區(qū)地鐵隧道設(shè)計與施工有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：軟土；地鐵隧道；盾構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(gòu)法進行施工。然而，隧道施工是在巖土體內(nèi)部進行的，會不可避免地擾動隧道周圍土體。因此，盾構(gòu)法施工不能完全防止隧道四周一定范圍內(nèi)巖土體發(fā)生松動、變形和移動1。當(dāng)?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(chǎn)生的地表沉降會對周邊及鄰近建(構(gòu))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(gòu)）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?；诖?，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(gòu)開挖推進過程的變化情況、地表沉降沿縱向分布隨盾構(gòu)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(zhì)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(cè)至世紀大道站，區(qū)間線路長 1031 m。1.1工程地質(zhì)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(zhì)粉土、第2層砂質(zhì)粉土夾粉砂、第4層黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和第8A層黏質(zhì)粉土；隧道下臥層主要為粉砂、黏土、粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏土。各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)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(zhì)以及該區(qū)間隧道是沿迎賓路行走的，適合采用盾構(gòu)法進行施工。在施工時，采用加泥土壓式平衡盾構(gòu)。盾構(gòu)隧道內(nèi)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(zhì)進行大變形非線性分析，可模擬多種材料的力學(xué)特性；求解非線性問題時采用自動時間步長技術(shù)，提供控制單元剛度連續(xù)變化的單元生死技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(yù)應(yīng)力鋼纖維鋼筋混凝土構(gòu)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(yīng)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(nèi)摩擦角，n ，n 分別為破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)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(yīng)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(yīng)力空間中的屈服條件為式中，I 1為應(yīng)力張量第一不變量，J 2，J 3分別為應(yīng)力偏張量第二、第三不變量，8 為八面體剪應(yīng)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(zhì)

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(yīng)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(jīng)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(shè)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(yù)應(yīng)力鋼纖維鋼筋混凝土構(gòu)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(yīng)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(shù)來模擬盾構(gòu)開挖過程，隧道中用盾構(gòu)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(gòu)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(jié)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(gòu)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(dāng)盾構(gòu)經(jīng)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(gòu)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(yīng)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(gòu)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(gòu)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(jié)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(yīng)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(gòu)開挖引起的地層損失影響。 （2）整個盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)六步開挖進程中的變化情況，從而得出其變化規(guī)律，其結(jié)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(gòu)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(dāng)開挖步驟足夠多時，可以推斷出：地表橫向沉降槽隨著盾構(gòu)的推進而逐漸加深加寬，但其加寬加深的幅度是不同的。當(dāng)盾構(gòu)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(dāng)盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)通過橫截面的幾個開挖階段；當(dāng)盾構(gòu)開挖工作面較遠時，相鄰?fù)七M步之間引起的相對沉降較小。這可解釋為當(dāng)盾構(gòu)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(yīng)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(gòu)推進逐漸減?。惶卣鼽c 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(gòu)推進先增大后減?。惶卣鼽c 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(gòu)推進逐漸增大。 結(jié)合圖 4 各個曲線變化及沉降差數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)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(yīng)該是隨著盾構(gòu)的推進其沉降變化率是逐漸增大的，當(dāng)盾構(gòu)推進開挖到該點下方區(qū)域時達到最大，接著隨著盾構(gòu)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(gòu)推進的變化曲線 在分析地表縱向沉降隨盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)的推進是逐步增大的，并且地面觀察點在盾構(gòu)通過時的沉降值變化最大，當(dāng)盾構(gòu)通過時其值還會繼續(xù)增大，但是增大的幅度不大。盾構(gòu)開挖結(jié)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(gòu)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)推進先是逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)通過觀察點時達到最大，接著逐漸減小，當(dāng)?shù)貙釉浇咏绊斕帟r這種規(guī)律越明顯；當(dāng)盾構(gòu)離觀察面較遠時，拱頂處地層受到盾構(gòu)開挖的影響相對較小。 4結(jié)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(jīng)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?。环粗?，距離隧道軸線越近，則土體所受擾動越大，相應(yīng)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(yīng)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(gòu)開挖引起的地層損失影響。 （2）當(dāng)隧道足夠長時隧道中間區(qū)域地表各點的沉降