隧道开挖面土压力取值对地表变形的影响

摘要：土压平衡盾构机被广泛应用于地铁隧道施工中，其对地表及周围环境的影响特别是地面沉降及由此产生的问题受到广泛重视。本文利用有限元分析软件ABAQUS进行建模，并编程嵌入土的应力路径本构模型，以北京地铁10号线二期工程02号合同段地铁隧道工程为背景，分析盾构施工引起的地表沉降规律及隧道周围土体移动规律，并与实际监测结果相比较，验证了有限元数值分析模型的合理性。

关键词：数值模拟；掌子面压力；地表沉降。

中图分类号：[TU196.2]文献标识码： A 文章编号：

1前言

土压平衡盾构施工工法具有施工机械化程度高、对周围环境影响小，施工快速等优势，近年在地铁、电力、通信、输气、共同沟以及地下道路的隧道施工中得到广泛应用[[[]尹旅超，朱振宏，李玉珍，等译.日本隧道盾构新技术[M].湖北华中理工大学出版社. 1999.]]。但在施工过程中也出现了许多事故，如地层扰动引起的地面塌陷及周围建构筑物的损坏等。故研究和预测盾构掘进对周围环境的影响，特别是地面沉降的控制问题一直是研究热点之一。在盾构隧道施工过程中，很多因素会影响地表沉降[[[]张云， 殷宗泽， 徐永福. 盾构法隧道引起的地表变形分析[J] .岩石力学与工程学报. 2002， 21(3):388-392.]][[[]PECK R. B. Deep excavations and tunneling in soft ground [ C] .Proc 7th Int Conf on Soil Mech and Found Engrg. MexicoCity, 1969:275- 290.]]如隧道覆土厚度、盾构外径大小、掌子面土压力、地层损失率、地层物理力学性质、施工条件等。

国内外许多学者对隧道开挖引起的地表沉降进行了数值模拟，Lambrughi[[[]A. Lambrughi, L. Medina Rodríguez, R. Castellanza. Development and validation of a 3D umerical model for TBM–EPB mechanised excavations[J]. Computers and Geotechnics,2012:97-113.]]使用FLAC3D建立了土压平衡盾构施工开挖的三维模型，分析了施工开挖及土性参数对地表沉降的影响。Zhang[[[]Z.X. Zhang, X.Y. Hu, Kieffer D. Scott. A discrete numerical approach for modeling face stability in slurry shield tunnelling in soft soils[J]. Computers and Geotechnics,2011,38:94–104.]]使用PFC2D建立隧道开挖模型，考虑并分析了隧道掌子面土压力及隧道覆土厚度对地表沉降的影响，在此基础上深入分析掌子面在特定覆土厚度范围内的极限支撑压力，分析得出指定支撑压力略大于场地初始水平应力时，对于减少地面沉降和变形很有效。Manuel[[[]Manuel J, Melis Maynar, Luis E, Medina Rodríguez. Discrete numerical model for analysis of earth pressure balance tunnel excavation. J Geotech Geoenviron Eng 2005;131(10):1234–42.]]利用离散元PFC3D模拟盾构开挖过程，研究了隧道开挖需要的推力及扭矩，分析了这些隧道掌子面的土体稳定性。Valizadeh Kivi[[[]A. Valizadeh Kivi, M.H. Sadaghiani, M.M. Ahmadi. Numerical modeling of ground settlement control of large span underground metro station in Tehran Metro using Central Beam Column (CBC) structure[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2012, 28:1–9.]]使用三维有限元数值模拟了地下车站开挖，分析了开挖及注浆对地表沉降的影响。文献[[[]魏康林.深圳盾构隧道地层位移与土压力变化规律研究.地下空间与工程学报.2007，3（1）：36-39.]]应用有限元数值模拟方法对隧道施工引起的地面沉降和土体移动规律进行了分析，验证了其数值分析模型的合理性。但是数值模拟中没有考虑掌子面土压力设定对地表沉降的影响。

本文以北京地铁十号线二期工程02号合同段盾构区间隧道为例，基于路德春[[[]路德春.基于广义非线性强度理论的土的应力路径本构模型[D].北京航空航天大学.2006:85-121.]]提出的土的应力路径本构模型，应用ABAQUS有限元软件模拟隧道开挖，考虑了隧道掌子面压力及地层损失率对地表沉降的影响，与监测数据进行比较，验证了分析模型的正确性。

2工程实例

2.1工程概况

北京地铁10号线二期工程02合同段前泥洼站～西局站隧道区间位于丰台区丰管路以南，丰台铁路货运站以北。设计车站中心里程为K42+431，设计起点里程为K42+365，设计终点里程为K42+545，盾构施工隧道总长383m，隧道直径为6m，埋深为16m，使用土压平衡盾构施工。地质剖面图如图1所示，勘察范围内土层自上而下依次主要为①杂填土层、②砂质粉土和粘质粉土层、③砂卵石夹③1砂质粉土、粘质粉土及③2细中砂层、④砂卵石层，土体的物理力学参数如表1；地下水性质为潜水，水位埋深为26.56m-27.50m，所以不必考虑地下水位的影响。

图1地层剖面图

表1土体物理力学参数表

数值模拟区段的主要盾构施工相关参数如下：刀盘扭矩为1413.45~4920.9KNm，推力为10433~27860KN，土舱中部土压力为0.08MPa，壁后注浆量为1875L。

2.2监测布置

工程地表监测点布置1和2断面间距为9.9m，2和3断面间距为10m，如图2。由于第1断面为盾构隧道开挖初始位置，会对监测结果产生影响，所以本文中选取第2断面监测结果与数值模拟结果进行对比，其中第2断面测点布置如图3。

图2工程监测点布置图3第2断面测点布置

3数值分析

3.1计算模型及土体参数

模型采用八节点单元（C3D8）为基本单元类型，共有5420个单元。网格划分时，开挖处的单元尺寸最小，周围网格尺寸逐渐变大。根据前文参数，取计算模型参数为：隧道埋深为16m，隧道直径为6m，模型尺寸为40m×40m×20m，模型边界条件为模型除顶面为自由面外，其余均施加法向约束。隧道开挖几何模型如图4：

图4隧道开挖几何模型

本文使用本构模型参数都具有明确的物理意义，可利用常规试验确定[9]，数值模拟采用的土体参数如下：

表2广义非线性本构模型参数表

3.2盾构开挖过程模拟及参数设置

在隧道开挖数值模拟中，盾构的前行实际就是盾构刚度和载荷的迁移，在盾首预设单元，采用生死单元方法。所谓生死单元法就是，激活和关闭某一个操作内容，如开挖土体可以通过关闭土体的所有的特性，使其在分析中不起作用，即可实现土体开挖。盾构附属的其他结构包括载荷也必须前行，将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，每次向前推进的长度为一个管片度单元的宽度，实际工程中开挖土体在软件中通过移除相应长度的土体来实现，在开挖过程中，土压平衡盾构土压仓内的土体土压力与掌子面的土压力相平衡，应加上一个梯形的面荷载来模拟，本模型简化为一个均布的面荷载来实现。盾尾管片衬砌和注浆采用控制隧道周边土移的方法来实现。

根据实际开挖过程，数值模拟通过四个分析步实现：第一步在需要开挖的土体前方即后来出现的掌子面设置均布的面荷载，模拟实际工程中开挖过程中的情况；第二步移除相应土体；第三步去掉在1步中施加的均布面荷载，并在新的掌子面上施加均布面荷载；第四步在开挖完的隧道周围施加位移控制，用以模拟盾构隧道的管片衬砌与同步注浆加固。位移施加量（向隧道内收缩）由地层损失率进行估算。掌子面土压力根据其施工参数，其土舱中部土压力设定为0.08MPa，模拟中掌子面土压力施加均布荷载值为80KPa。

3.3工程实例数值模拟结果

模型计算收敛后，选取横向进行分析，横向指与隧道轴线相互垂直的方向，数值模拟结果见图5。可以看出隧道上方的地层沉降随深度增加而增加，且沉降在接近隧道衬砌顶端位置达到最大。

图5开挖面横断面上方地表点沉降曲线

3.4数值模拟结果与实际监测结果对比

将横断面上相应点的数值模拟结果与实际监测结果进行对比，对比结果如表3：

表3数值模拟结果与监测结果对比

以3号点为坐标轴0点作地表各点沉降位移

图8 监测点位移值与数值模拟结果比较图

由图8可以看出，监测值与数值模拟值基本一致，验证了数值模拟的正确性。

4结论

通过ABAQUS有限元数值模拟分析，研究了土压平衡盾构法隧道施工受扰动土体的位移规律，并取得了以下成果：

1、土移规律：隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线，盾构通过后，隧道左右土体有靠近盾构的水平移动，土层沉降对称分布，最大沉降出现在隧道中心轴线处，隧道上方的地层沉降随深度增加而增加，在接近隧道衬砌顶端位置达到最大，在隧道下方土体出现向上的位移，在隧道衬砌底端达到最大。

2、通过对现场监测数据与数值模拟结果进行比较分析可知，数值模拟结果与现场监测数据变化趋势相似，验证了数值模拟的正确性及广义非线性本构模型的适用性，证明所选模型的数值模拟能够分析、研究地表沉降规律，可以为类似地层地表沉降控制提供参考。