［摘   要］以北京地铁10号线国贸站～双井站区间隧道施工为背景，采用有限元差分程序FLAC3D建立了有限元模型，对盾构推进过程中隧道应力、变形及地表沉降规律进行研究。通过隧道上方地表横向监测点沉降、隧道中心地表沉降和地表建筑物基础沉降实测值与计算值比较，得出模拟计算结果与实际检测结果比较符合，但实际施工过程中存在复杂性和不确定因素。

［关键词］地铁隧道;盾构施工;有限元;地表沉降;土体位移

 

1、工程概况

    北京地铁10号线国贸站～双井站区间，右线K21+632.194～K23+107.689、左线K21+629.799～K23+107.689采用盾构法从双井站始发掘进施工。

    盾构管片衬砌环内径5400mm，外径6000mm，管片宽1200mm，厚300mm。管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10。衬砌管片脱出盾尾后，配合地面量测进行壁后注浆，每环注浆量控制在建筑空隙150%～200%，必要时进行衬砌壁后注浆。

2、模型建立

    采用FLAC3D对盾构掘进过程中隧道力学行为及地表沉降规律进行研究。隧道区间埋深约18.8m，盾构区间总长近1600m，左右线间距13m，考虑网格数量及计算速度，取一段有代表性的盾构区间进行计算，其长度为48m。网格纵向间距为0.6m，共114939个节点，110720个单元，如图1所示。

    为减少边界条件影响，模型左右两侧及底部均大于盾构隧道直径的3倍。采用位移边界条件，固定左右及前后边界水平方向位移，底边界竖向位移，隧道地表为马路，模型上边界施加20kPa的均布荷载。土体模型物理力学参数如表1所示。

      盾构实际推进过程如图2所示，在计算中对其进行简化，分成4个阶段来模拟:①施工准备首先将本步开挖的土体单元挖去，然后在开挖面土体上施加垂直于开挖面的支护力;②盾构通过开挖区域以实体单元作为盾构来支护周围土体，并且考虑盾构自重385t;③衬砌单元施加采用环状实体单元模拟衬砌管片，随盾构的掘进逐步施加;④盾尾注浆体模拟衬砌脱出盾尾后，对衬砌外侧土体施加注浆压力，然后用注浆土体力学属性代替原土体力学属性。

      在计算过程中，沿隧道轴向每4m设一监测断面，共11个断面，监测每个断面地表、拱顶处竖向位移和距隧道中心4.5m处的水平位移。

3、隧道周围土体位移规律

      经过20个推进步，盾构从y=0处推进到y=24m处。整理计算结果，得到以下规律。

3.1位移

      盾构开挖推进时，周围土体位移具有明显的三维特征。在纵向，盾构开挖面前方隆起，盾构开挖面后方沉降，在盾尾沉降速率加大、盾尾后方约20m后沉降值趋于稳定。横向，土体沉降形成沉降槽，沉降槽宽度从开挖面向后逐渐增大，在盾尾处趋于稳定。

      1)竖向位移盾构开挖面后，隧道拱顶至地表及其扩散影响区域，其横截面沉降曲线近似为反向正态曲线，中心处地表沉降值最大，两边随距离增大逐渐减小;随着盾构开挖推进，开挖面后方地表竖向位移变化趋势不会受到影响，盾尾后方断面横向扩展变缓;在底拱及其向外扩散影响区域竖向位移方向上，底拱中心处隆起量与中心地表处沉降量相当。

      2)水平位移盾构开挖面前，盾构前方(2倍盾构直径以前)土体受挤压作用有少量远离隧道的水平位移;盾构开挖面后，土体在隧道左、右侧壁处出现较大水平位移，方向均指向隧道。

      除隧道中心处垂直和水平面外，隧道周围土体既有竖向位移，又有水平位移。随着盾构推进，盾构前方土体径向位移均指向远离隧道方向。在开挖面以后，其径向位移方向都指向隧道中心，即开挖卸荷以后，土体均朝向开挖形成的建筑空隙移动。

3.2应力

      1)隧道左右两侧土体中应力分布在盾构开挖面附近，土体垂直应力和水平应力下降明显。在距隧道中心3～7m范围，垂直应力和水平应力经历了先增大后减小至原岩应力的过程。距隧道中心7m之外，土体垂直应力和水平应力受开挖影响减小，曲线趋于平稳。

      2)隧道上下方土体中应力分布隧道上方，距隧道中心3～9m高度范围，盾构开挖面附近边界，土体垂直应力和水平应力均出现先增大后减小至原岩应力的变化过程，在5.5m高度处出现一个小的峰值;隧道中心上方9m以上，垂直应力和水平应力基本与初始应力一致。隧道下部，距隧道中心3～7m深度范围，盾构开挖面附近边界土体垂直应力和水平应力出现先增大后减小至原岩应力的变化过程，没有出现明显峰值。隧道中心下部7m以下，垂直应力和水平应力与初始应力一致。

4、计算值与实测值对比

      本文研究标段盾构区间隧道开挖安全等级为一级，施工区域最大影响范围确定为2倍隧道开挖深度，监测对象包括此范围内的建筑物、地下管线、土体和隧道本体。监测内容包括:①地表沉降;②地面建(构)筑物沉降(重点是桥桩);③隧道收敛变形;④隧道内沉降。区间隧道主断面监测点布置如图3所示。

4.1地表横向沉降监测结果与模拟结果比较

      图4为地表横向监测点实测数据与模拟计算结果对比。从图4可以看出:①模拟曲线与监测曲线形状与趋势基本相同，隧道断面中部沉降量较大，向两侧逐渐减小。②两曲线沉降量大小存在差异，模拟沉降量平均值比实际结果小约1.6mm。这主要是因为模拟计算过程未考虑地下水的影响，土体参数在同一水平面取值相等，在现场盾构开挖过程中，土体状况和地下水情况都有很大不确定性。

4.2沉降随时间变化规律比较

      隧道中心地表沉降曲线如图5所示。由图5可知:①在图5a中监测点距初始开挖断面仅有4m，因此未出现如图5b中的隆起现象。可以将模拟沉降曲线与实测沉降曲线中10月12日以后部分进行比较。②模拟曲线与实际沉降曲线趋势相近，随时间发展，沉降值逐步增大，经过一段时间沉降值趋于稳定。③模拟沉降曲线中，3～5开挖步、11～13开挖步为两个沉降发展较快的时期，在实际沉降曲线中，也能找到与之对应的时期，模拟结果与实测结果较为吻合。

      图6为距地表中心10m处建筑物基础监测点随时间变化的模拟沉降曲线和实际沉降曲线。由图6可以看出:①两条曲线趋势较为吻合，随时间发展，沉降逐渐增大，之后沉降值出现微小反弹，然后趋于稳定;②实际监测的稳定沉降值比模拟值大约0.5mm，反弹值接近1.0mm，而模拟计算值只有不到0.1mm，也说明了实际工程的复杂性和不确定性。

5、结语

      通过对隧道上方地表横向沉降、隧道中心地表沉降随时间变化规律和地表建筑物随时间变化规律三个方面的模拟结果与实测结果的对比可以看出:模拟沉降规律比较符合实际沉降规律，但是由于实际工程施工过程中的复杂性和多种不确定因素的存在，模拟计算所得结果与实际监测结果有所差异。

      由于模拟结果能正确反映施工过程的位移变化趋势，也可以追踪隧道周围土体内应力变化，因此用数值模拟方法对盾构开挖方案进行模拟分析具有可行性。

 

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