摘　要:结合成都地铁1号线盾构工程实例,通过数值模拟计算,对影响地表沉降的主要因素土仓压力设置、注浆参数设置和出碴量的控制进行了分析,总结了一些经验。

关键词:盾构法, 隧道, 地表沉降, 三维数值模拟

 

      盾构法隧道施工引起地表变形的影响因素可归纳为: 1)土仓压力; 2)同步注浆效果; 3)出碴量管理; 4)土体与衬砌的相互作用变形; 5)改变推进方向蛇形运动。其中前三个为主要影响因素。土仓压力、出碴量在施工时可以人为控制,最难确定而又对地表位移有着重要影响的是盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度和范围。在本研究中,结合成都砂卵石地层,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,引入不同地层损失率来模拟盾构注浆效果好坏和出碴量多少引起的地表变形值。

 

      本计算采用了显式有限差分计算程序FLAC^3D,建模范围横向取80 m(约13D,D为洞径);沿隧道长度方向取60 m;上至地表,下至隧道洞底以下40 m(约7D)。除顶面以外各边界施加垂直该面方向约束,顶面为自由面。初始应力仅考虑自重应力场的影响。管片按弹性匀质圆环考虑,用小于1的刚度折减系数η来体现环向接头的影响。模型中用壳单元模拟管片;地层视为理想弹塑性材料,服从Mohr-Coulomb屈服准则;注浆层按弹性材料考虑,地层和注浆层均采用实体单元模拟。最终的计算模型如图1所示,共有38 240个单元, 41 601个节点。

      盾构机对应地层的侧压力系数为0. 33,土仓平衡的土压为0. 12MPa(土仓中心埋深处)。在计算中,按15%递增以模拟超土压平衡的情况,按15%递减来模拟欠土压平衡的情况。具体土压力取值分为0.06MPa,0.08MPa,0.10MPa,0.12MPa,0.14MPa,0. 16MPa, 0. 18MPa七种工况。

      基本假设如下: 1)土体的应力—应变关系符合Mohr-Coulomb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,即一段水平距离的推进是瞬时完成的。

      图2为不同土仓压力时的地表纵向沉降曲线。从图2可以看出,当土压力为0. 12MPa时,在工作面前方15m处开始出现地表沉降,在工作面正上方地表出现最大沉降值为10 mm;在工作面后方20 m以外,地表沉降趋于稳定,最大沉降值约为15 mm。当土仓压力达到0. 18MPa时,工作面前方5 m处出现地表隆起,在前方9 m处出现最大隆起值为3. 4 mm;在工作面后方20 m以外,地表沉降趋于稳定,最大沉降值约为6. 4 mm。当土仓压力为0. 06MPa时,工作面前方15m处开始出现地表沉降,工作面正上方地表沉降达13.9mm;在工作面后方20m以外趋于稳定值28.7mm。

      因此,随着土仓压力的增加,工作面后方地表的沉降在减小,而工作面前方地表则有从沉降向隆起变化的趋势,一般地表沉降影响范围在工作面前方15 m,后方20 m范围内。对于土压平衡盾构机来说,当土仓土压力达到平衡或稍微高于平衡土压时,地表的隆起和沉降值均很小。当超平衡时,地表的隆起值增大;相反,当欠平衡时,地表的沉降值增大。

      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。

      盾构施工中,刀盘切削内轮廓断面一般大于衬砌管片外轮廓断面,这种扩大部分以及曲线段和收幅过程的扩挖部分地段为超挖。通过盾尾处的同步注浆和后续管片的补充注浆来充填。一般充填难以完全饱满,即超挖量大于充填量,超挖与充填的差值称为施工中的土体损失量。地层与管片间的空隙将引起地层位移而填满空隙,这种地层位移波及全部上覆地层,以地表沉降的形式反映到地表,而地层位移或地表位移量的大小与施工中的地层损失直接相关,即同步注浆和二次补充注浆的压力、注浆量和固结体强度等简称为注浆效果。

      注浆效果不同,本研究以施工中的地层损失率不同来进行模拟。

      基于地层损失理念,本文对隧道开挖过程的模拟采用简化的“约束—释放”过程来实现。假设如下:开挖面土层沿隧道纵向被完全限制,以模拟土压平衡盾构机的理想平衡状态。隧道周边围岩朝洞内的位移在靠近开挖面的20 m以内按线性变化, 20 m以后为一常数,如图3所示。

      施加于隧道周边的位移场对应于地层损失。定义图3中的常数位移为δ,隧道开挖直径为D,地层损失量为V_δ,则V_t=1- 。

      为研究地层损失对地表沉降的影响,选取地层损失量V_t分别为0. 5%, 1%, 3%, 5%四种工况进行计算分析。

      根据计算结果,四种地层损失量下的最终横向沉降槽见图4。

      所有沉降槽均呈正态分布。显然,地层损失越大,地表沉降越大。不同地层损失量下的最大地表沉降值见表1。

      根据表1中数据绘制最大地表沉降值与地层损失量关系,见图5。很明显,最大地表沉降值与地层损失量基本呈线性关系,地层损失量越大,最大地表沉降值越大。因此,控制地层损失对控制地表沉降起着关键的作用。

      出碴量大于或小于理论开挖量(乘以松散系数)引起的地表变形值,很难用基于连续体假设的有限元或有限差分方法来实现。出碴量小于理论开挖量,即进入土仓的碴土多于输出量,则必然使土仓压力增加;出碴量大于理论开挖量,要么土仓压力出现下降,要么盾构前上方的土层进入土仓,即碴土成分包含有非盾构机所在土层的其他成分。对于后者也可以理解为出现了大的地层损失,很容易引起地表塌方。

      对于成都富水砂卵石地层,对出碴量的控制也带来了难题,一方面碴土就包含有地下水,另一方面还含有盾构机注入的水。所以在对出碴量进行准确、实时计量的同时,还要记录盾构机注入碴土的水量。

      为使出碴量控制的更为合理有效,同时对碴土的重量和体积进行了实时测量,且对松散系数进行经验调整,及时更新隧道掘进计划。实时测量碴土重量的装置见图6。体积测量按每掘进10 cm的出碴体积(填满碴车程度)控制。

      1)通过三维有限元模型来模拟盾构向前推进时土仓土压力及地层损失率不同引起的地表变形值,实现了对盾构施工变形的理论预测。2)随着土仓压力的增加,工作面后方地表的沉降在减小,而工作面前方地表则有从沉降向隆起变化的趋势,一般地表沉降影响范围在工作面前方15 m,后方20 m范围内。对于土压平衡盾构机来说,当土仓土压力达到平衡或稍微高于平衡土压时,地表的隆起和沉降值均很小。当超平衡时,地表的隆起值增大,且盾构机负荷增大,掘进速度减慢;相反,当欠平衡时,地表的沉降值增大。对于成都富水砂卵石地层,建议以平衡土压或略高于平衡土压掘进。3)地层损失率由0. 5%上升到5%时,地表沉降由4. 4 mm增大到40 mm;最大地表沉降值与地层损失量基本呈线性关系,地层损失量越大,最大地表沉降值越大。4)控制好平衡土压和地层损失率是减小地表变形的主要有效方法。根据盾构机的埋深和各土层的分布和特性计算平衡土压;盾尾注浆需注浆压力和注浆量双控制,确保达到要求的注浆效果;出碴量实现碴土重量和体积实时控制,通过螺旋输送机出口摄像头对出碴成分进行视频监视,严防非盾构机所在土层的碴土进入土仓,结合地表监测资料,避免地面塌方。