對不同土體參數盾構施工地表沉降數值分析

蘭慶男

(石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043)

0 引 言

地表沉降在盾構施工中難以避免，過大的地表沉降會影響臨近建筑物及管線的正常使用。為了減小這種不良影響，必須對地表沉降進行準確地預測，及時加以控制。Flac3d軟件能較好的模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的三維力學行為，也可用來模擬三維的土體和巖體的力學特性，尤其是達到屈服極限時，能更好的模擬塑性流變特性[1]。把Flac3d軟件和盾構隧道施工過程有機結合起來，模擬盾構隧道施工所引起的地表沉降，可以達到良好的效果，也可為類似工程問題提供經驗。

趙耀強等[2]針對北京、杭州、南京和上海4個典型地區，利用Flac3d軟件建立盾構始發三維模型，總結出各典型地區盾構始發施工對地表變形的影響規律。劉繼峰等[3]彈塑性力學的Lame公式和Kiersch公式及摩爾-庫侖屈服準則，得出適合淺埋隧道地表沉降預測的彈塑性計算式。朱才輝等[4]針對盾構施工工藝誘發地層沉降規律的影響，提出了間隙參數計算方法及修正等代層模型。李小青等[5]分析盾構隧道引起的土體應力場、位移場變化，對比分析不同的地層損失、不同的土體本構模型、土體排水和不排水條件下隧道施工引起的地表沉降變形規律，提出了盾構隧道施工引起的地表沉降計算模型。劉文黎等[6]利用Flac3d軟件模擬始發段不同加固長度下土體應力分布，得出隨著土體加固范圍的增加，始發井周圍土體受到擾動而產生的位移、應力等呈現明顯的規律性變化的結論。王國才等人[7]利用三維非線性有限元軟件對地鐵盾構隧道施工開挖過程進行數值模擬與分析，得到了隧道地表沉降分別沿縱橫向分布隨盾構推進的變化規律和不同深度處地層的沉降變化規律。

本文采用Flac3d軟件模擬盾構隧道施工過程，開展隧道不同圍巖性質影響地表沉降變形的數值分析研究，基于摩爾-庫倫模型分析不同土體參數對地表沉降的影響，從而有針對性地采取措施控制地表沉降，最大程度減小施工對周圍建筑物的不良影響。

1 計算過程

1.1 模型尺寸及參數的選取

本文主要用控制變量法針對不同土的壓縮模量、內摩擦角、粘聚力、膨脹角和泊松比等參數進行數值模擬。模型中以實體單元模擬實際土體，以殼單元模擬盾構管片。模型范圍為X×Y×Z=42 m×36 m×39 m，垂直隧道軸向自隧道中心水平向外各取3D (D為隧道外徑)，自隧道底部垂直向下取3D，隧道上覆層15 m，盾構隧道開挖36 m。模型上表面無約束，底面施加Z方向約束，左、右面施加X方向約束，前、后面施加Y方向約束。盾構管片參數設置：外徑6.0 m、厚度0.30 m、容重25 kN·m-3、泊松比0.17、彈性模量30 GPa，采用鋼筋混凝土C50。模型共有19 200個單元、21 300個節點。距原點沿開挖面方向12 m處設置23個橫向地表沉降觀測點。沿隧道軸線縱向截取計算模型如圖1所示。

圖1 整體盾構隧道模型圖

2 計算結果與分析

2.1圍巖性質對地表沉降影響

對于埋深和盾構半徑都已確定的隧道，影響地表沉降的參數分別為E、μ、c、φ和ψ。用Flac3d軟件模擬盾構隧道施工過程，對計算結果描述曲線分別如圖2至圖6所示。

圖2 μ對地表沉降的影響

圖3 E對地表沉降的影響

圖4 φ對地表沉降的影響

圖5 ψ對地表沉降的影響

圖6 c對地表沉降的影響

圖2為E=15 MPa，ψ=5°，c=30 kPa，φ=20°時泊松比對地層沉降的影響，顯示地表最大沉降隨μ的增大而增加。圖3為c=30 kPa，ψ=5°，φ=20°，μ=0.2時彈性模量對沉降的影響，E越大，地表最大沉降越大。圖4為E=15 MPa，ψ=5°，c=30 kPa，μ=0.2時內摩擦角φ對地層沉降的影響。圖5為E=15 MPa，c=30 kPa，μ=0.2，φ=20°時剪脹角ψ對地層沉降的影響。圖6為E=15 MPa，ψ=5°，μ=0.2，φ=20°時粘聚力c對地層沉降的影響。結果顯示，E、c與地表沉降成反比，ψ、μ、φ與地表沉降成正比；即隨著E、c的增大，地表沉降減小，隨著ψ、μ、φ的增大，地表沉降增大。相比而言，E、c、ψ對地表沉降的影響程度相對較大，μ、φ的影響相對較小。

2.2 淺埋盾構隧道地表沉降控制機理

由上節分析圍巖性質對地表沉降的影響可以看出：增大圍巖的E和c，或者降低圍巖ψ、μ以及φ，均能減小淺埋盾構隧道的地表沉降，由此得出控制地表沉降的兩種方法。

(1)減少圍巖擾動的方法:通過合理選擇施工參數減少盾構施工對周圍土層的擾動程度，包括掘進速度和支護壓力比、盾尾注漿加固土體等，使圍巖的E和c無明顯降低或ψ、μ以φ無明顯增大[3]。

(2)提高圍巖性質的方法:通過錨桿加固、樁基托換等措施對受影響建筑物進行加固，以此提高土體物理參數，使圍巖的ψ、μ和φ降低或E和c增大，達到減小淺埋盾構隧道施工導致的地表沉降的效果。

3 結 語

(1)利用Flac3d軟件模擬分析隧道圍巖參數變化對地表沉降影響，結果顯示，在一定范圍內，隨著圍巖ψ、μ以及φ的增大，地表沉降值增大；隨著圍巖E和c的增大，地表沉降值減小。相比較而言，土層各參數對地表沉降的影響程度不同，E、c、ψ對地表沉降的影響程度相對較大，μ、φ的影響相對較小。

(2)在分析隧道圍巖性質對淺埋盾構隧道地表沉降影響的基礎上，提出控制地表沉降的兩種方法：通過選擇合理施工參數減少盾構對周圍土體擾動程度的主動方法和通過工程加固措施提高圍巖性質的被動方法。