软土盾构施工引起地表沉降的有限元分析.doc

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摘要：盾构法是软土地区地下隧道施工的一种常用工法，但对于盾构推进过程中引起软土地层移动和地表沉降的原因及机理，人们还缺乏足够的认识和工程实践经验积累，有待进一步深入研究。为此，以杭州地铁 1 号线某区间地铁隧道开挖为例，利用三维非线性有限元软件对地铁盾构隧道施工开挖过程进行数值模拟与分析，得到隧道开挖引起隧道周围土体移动和地表沉降曲线，分析了隧道地表沉降沿横向分布随盾构推进的变化规律、地表沉降沿纵向分布随盾构推进的变化规律和不同深度处地层的沉降变化规律。所得结论对软土地区地铁隧道设计与施工有一定的参考价值。
关键词：软土；地铁隧道；盾构法；地表沉降；有限元法

0引言
在城市地铁隧道施工过程中，盾构法因具有速度快、精度高、自动化控制能力强等方面的优点而得到广泛的应用，特别是在沿海软土地区，隧道开挖基本上都是采用盾构法进行施工。然而，隧道施工是在岩土体内部进行的，会不可避免地扰动隧道周围土体。因此，盾构法施工不能完全防止隧道四周一定范围内岩土体发生松动、变形和移动[1]。当地层变形超过一定范围时，会严重危及邻近建筑物的安全，引起一系列环境岩土工程问题[2-3]。种种隧道开挖事故表明：隧道开挖产生的地表沉降会对周边及邻近建(构)筑物造成较大的危害，轻则开裂，重则倒塌[4-5]。因此，探讨修建地铁隧道对周围建（构）筑物沉降变形的影响，分析引起地表沉降的影响因素及变化规律具有重要的现实意义。基于此，本文拟采用三维非线性有限元软件Adina 8.5对杭州地铁1号线某区间隧道进行施工开挖模拟，分析其地表沉降沿横向分布随盾构开挖推进过程的变化情况、地表沉降沿纵向分布随盾构开挖推进过程的变化规律以及不同深度处地层的沉降变化情况，以期对类似地质条件下工程建筑物的保护、优化施工等提供参考。

1工程概况
该在建的汽车城站—世纪大道站区间隧道，位于杭州市余杭区临平镇，属于杭州市地铁 1 号线标段Ⅲ的一部分。该隧道自汽车城站向北，沿迎宾路西侧至世纪大道站，区间线路长 1031 m。
1.1工程地质情况
本工程场地位于杭州市东北部冲积–海积平原。根据岩土工程勘探资料[6]，该场地沿线第四纪覆盖层厚度约 40.0～49.0 m，上部主要为钱塘江近代冲积沉积的粉、砂性土，下部为陆–海相沉积地层。隧道顶部上覆土层主要为杂填土及素填土，土体较疏松，自稳性较差；隧道洞身穿越的土层主要为第③1层砂质粉土、第③2层砂质粉土夹粉砂、第③4层黏质粉土夹淤泥质粉质黏土和第③8A层黏质粉土；隧道下卧层主要为粉砂、黏土、粉质黏土和砂质黏土。各土层主要物理力学性质指标见表 1。

1.2施工方法
考虑到地铁隧道穿越土层的性质以及该区间隧道是沿迎宾路行走的，适合采用盾构法进行施工。在施工时，采用加泥土压式平衡盾构。盾构隧道内径 6000mm，管片宽度 2 m，管片厚度 300 mm。管片采用螺栓连接，衬砌环间以纵向螺栓连接，衬砌为通缝拼装。

2数值模拟
Adina 有限元软件是美国 ADINA R&D 公司开发的大型通用有限元软件。该软件可对连续介质进行大变形非线性分析，可模拟多种材料的力学特性；求解非线性问题时采用自动时间步长技术，提供控制单元刚度连续变化的单元生死技术以模拟基坑、隧道等工程施工开挖过程中的逐步卸荷问题，非常适合盾构推进、基坑开挖等的施工过程模拟。因此，在本文数值研究中，采用 Adina 软件来进行盾构隧道的开挖施工过程模拟。
2.1材料模型
在数值计算过程中，衬砌管片为预应力钢纤维钢筋混凝土构件，采用弹性模型进行模拟。土体考虑其非线性，采用 Mohr-Coulomb 屈服准则。该准则认为材料某平面上剪应力达到某一特定值时就进入屈服状态，其表达式[7]为
τn = c +σn tanφ， (1)
式中，c 为黏聚力，φ为内摩擦角，σn ，τn 分别为破坏面上的正应力和剪应力。
在 π 平面上，Mohr-Coulomb 屈服条件是一个不等角的等边六边形。在主应力空间，其屈服面是一个棱锥面，中心轴线与等倾角重合。在三维应力空间中的屈服条件为

式中，I 1为应力张量第一不变量，J 2，J 3分别为应力偏张量第二、第三不变量，τ8 为八面体剪应力。
2.2计算域的确定
根据杭州市地铁 1 号线标段Ⅲ岩土工程勘察资料[8]，以汽车城站—世纪大道站区间隧道现场原型工程为研究对象，其隧道直径为 6 m，隧道顶板土层厚度为 14 m。根据现有理论分析表明，在均质弹性半无限域中开挖的圆形洞室，由于荷载释放而引起洞室周围岩土体应力和位移的变化在 5 倍洞径范围之外将小于 1%，3 倍范围之外约小于 5%。经过选取几个模型试算得知，计算区域的边界到隧道周边的距离大于 3倍隧道最大跨度后，由于计算区域的大小而引起的计算误差可忽略不计。因此，本次有限元计算中的三维模型尺寸取为 40 m×24 m×38 m。模型边界条件：底部采用固定边界，限制其竖向位移；左、右边界都采用固定水平方向位移；上表面为地面，设为自由边界。荷载只考虑重力作用，其网格划分情况如图 1 所示。

在计算过程中，衬砌管片为预应力钢纤维钢筋混凝土构件，其弹性模量为 29500 MPa，泊松比为 0.2，重度为 25 kN/m3；土层参数则按表 1 取用。
2.3有限元计算过程
本文应用有限元方法的基本原理，利用大型非线性有限元软件 ADINA 的单元生死时间技术来模拟盾构开挖过程，隧道中用盾构法开挖掉的土体以及衬砌管片分别用杀死和生成的单元模拟。为了计算的简便取 2 个管片长度为一个开挖进尺，所以隧道沿开挖方向总共分 6 步开挖。每步有 2 个施工步，即盾构推进和对已开挖掉的土层施作管片衬砌。岩土体采用空间八节点等参元 3DSolid8 节点单元进行模拟，衬砌管片采用空间四节点等参元 3DShell4 节点单元进行模拟。

3计算结果与分析
3.1地表横向沉降规律分析
以距离起始开挖面 12 m 的横截面地表为观察对象（图 1），分析地表横向沉降随盾构推进的变化规律。
（1）地表特征点 B，D，F 沉降分析
对于特征点，主要分析当盾构经过观察面时（即开挖步三和四）其地表沉降的变化。
由图 2 可见特征点 B 点在第三步开挖支护前地表沉降值是 3.98 mm，第三步开挖支护后的地表沉降值变为 4.95 mm，比支护前增加了 0.97 mm，第四步盾构推进开挖支护前，地表沉降值为 5.30 mm，比前一步支护后的沉降增加了 0.35 mm，在第四步支护后地表的沉降变为 6.28 mm。对特征点 B 来说支护前后的沉降差比较大，而隧道开挖前后步沉降差则比较小，所以地表横向距离隧道中心远的点竖向沉降主要受土体应力变化的影响。

特征点 D 点在第三步开挖支护前地表沉降值是10.80 mm，第三步开挖支护后的地表沉降值变为 12.10mm，比支护前增加了 1.30 mm，第四步盾构推进开挖支护前，地表沉降值为 14.60 mm，比前一步支护后的沉降增加了 2.50 mm，在第四步支护后地表的沉降变为 15.91 mm。特征点 D 相对特征点 B 来说其开挖前后步之间的沉降差有了明显的增大，而支护前后之间的沉降差则变化不大。
特征点 F 点在第三步开挖支护前地表沉降值是17.22 mm，第三步开挖支护后的地表沉降值变为 18.78mm，比支护前增加了 1.56 mm，第四步盾构推进开挖支护前，地表沉降值为 23.55 mm，比前一步支护后的沉降增加了 4.77 mm，在第四步支护后地表的沉降变为 25.10 mm。特征点 F 在隧道中心轴的正上方，其开挖前后步之间的沉降差相对支护前后之间的沉降差明显增大，其沉降变化主要受地层损失的影响。
结合各个特征点随开挖推进的沉降变化曲线可见，距离隧道中心较远的区域竖向沉降受隧道开挖引起的应力变化影响较大，而在隧道正上方附近区域地表沉降主要受盾构开挖引起的地层损失影响。
（2）整个盾构开挖过程中观察面地表的横向沉降变化曲线
为了研究在盾构隧道开挖推进过程中地表的横向沉降整体变化规律，特以观察面地表为研究对象，描述出其地表沉降曲线在盾构六步开挖进程中的变化情况，从而得出其变化规律，其结果如图 3。

从图 3 可以看出，其相邻两次之间的最大沉降值沉降差分别为 5.47，6.44，6.32，5.20，5.60 mm，这些沉降差数据表明盾构在通过观察截面的开挖步三和开挖步四的沉降变化最大，根据这个变化趋势，当开挖步骤足够多时，可以推断出：①地表横向沉降槽随着盾构的推进而逐渐加深加宽，但其加宽加深的幅度是不同的。当盾构离观察截面较远时，其相邻开挖步骤之间引起的沉降槽宽度和深度变化较小，当盾构接近观察截面时，其相邻开挖步骤之间引起的沉降槽宽度和深度变化较大。因此，在盾构推进过程中，横断面地表沉降槽宽度和深度以及地表沉降量的增加主要发生在盾构通过横截面的几个开挖阶段；②当盾构开挖工作面较远时，相邻推进步之间引起的相对沉降较小。这可解释为当盾构远离观察断面时，观察断面上土体所受扰动较小，只是一些应力变化而引起的地表沉降，因而地表相对沉降较小。
3.2地表纵向沉降规律分析
以隧道中心正上方纵向地表为观察对象（图 1），对隧道地表纵向的沉降规律进行分析。
（1）地表特征点 M，F，P 沉降分析
从图 4 可见，特征点 M 相邻开挖步骤之间的沉降差分别为 8.07，5.29，2.96，1.58，1.67 mm，对于特征点 M 沉降差随着盾构推进逐渐减小；特征点 F 相邻开挖步骤之间的沉降差分别为 5.47，6.44，6.32，5.20，5.60 mm，对于特征点 F 沉降差随着盾构推进先增大后减小；特征点 P 相邻开挖步骤之间的沉降差分别为2.43，4.00，6.46，9.15，14.57 mm，对于特征点 P 其各相邻开挖步骤沉降差随着盾构推进逐渐增大。
结合图 4 各个曲线变化及沉降差数据可以看出，当隧道足够长时隧道中间区域地表各点的沉降变化规律应该是随着盾构的推进其沉降变化率是逐渐增大的，当盾构推进开挖到该点下方区域时达到最大，接着随着盾构继续推进其沉降变化率逐步减小，而该点沉降的整体趋势是逐渐增大的。
（2）地表纵向沉降随着盾构推进的变化曲线
在分析地表纵向沉降随盾构推进过程中的变化情况和分布规律时，以距离隧道盾构推进起始面 0，4，8，12，16，20，24 m 的横断面地表上 L，M，N，F，O，P，Q（如图 1）这 7 个点为观察点，根据这 7 个点计算的沉降值得到盾构开挖过程中纵向地表的竖向沉降变化曲线，如图 5 所示。

从图 5 可见，地表纵向沉降随着盾构的推进是逐步增大的，并且地面观察点在盾构通过时的沉降值变化最大，当盾构通过时其值还会继续增大，但是增大的幅度不大。盾构开挖结束时地表的纵向沉降曲线并不是均匀的，而是逐渐增大再趋向均匀的。在盾构施工时由于两端土层的约束作用，两端附近隧道的沉降就相对较小。因此，可以推断当隧道足够长时，地表纵向最终沉降曲线符合一维弹性地基模型的变化规律，这正是目前纵向结构分析的主要理论模型。
3.3隧道地表至拱顶不同深度处的沉降变化规律
为了探讨隧道地表至拱顶不同深度地层的沉降随盾构推进开挖过程的变化情况，以距离开挖起始面 12m 处的横截面 z 轴上的 F(+17 m)、R(+12.6m)、S(+7.1m)、T(+3 m)这 4 个点为研究对象，分别计算这 4 个点的沉降量随盾构推进过程的变化情况，见图 6。

从图 6 可见，隧道地表至拱顶的地层沉降都是随着盾构的推进而逐渐增大的；各相邻开挖步骤之间的沉降差随着盾构推进先是逐渐增大，当盾构通过观察点时达到最大，接着逐渐减小，当地层越接近拱顶处时这种规律越明显；当盾构离观察面较远时，拱顶处地层受到盾构开挖的影响相对较小。

4结论
（1）地铁隧道开挖引起的地表横向沉降槽分布曲线形态和经典 Peck 公式计算得出的基本一致：距离隧道轴线越远，土体所受施工扰动越小；反之，距离隧道轴线越近，则土体所受扰动越大，相应地，其地表沉降越明显。距离隧道中心较远的区域竖向沉降受隧道开挖引起的应力变化影响较大，而在隧道正上方附近区域的地表沉降主要受盾构开挖引起的地层损失影响。
（2）当隧道足够长时隧道中间区域地表各点的沉降变化规律是随着盾构的推进其沉降变化率是逐渐增大的，当盾构推进开挖到该点下方区域时达到最大，接着随着盾构继续推进沉降变化率逐步减小，而该点沉降的整体趋势是逐渐增大的；盾构开挖结束之后地表沉降沿纵向分布符合一维弹性地基模型的变化情况。
（3）隧道拱顶至地表地层各点相邻开挖步骤之间的沉降差都是随着盾构推进先逐渐增大，当盾构通过观察点时达到最大，接着沉降差逐渐较小，并且地层越接近拱顶这种规律越明显；拱顶处地层在盾构经过观察面时受到的开挖影响最大，但是当盾构离观察面较远时或者推进远离之后，拱顶处地层受到盾构开挖的影响反而相对较小。

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