赵耀强，李元海，朱世友，林志斌

(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008;2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

随着经济的发展，许多地铁工程都采用盾构法施工，但由于盾构始发施工措施不当等原因引起的盾构始发端头出现涌水涌砂、盾构机始发栽头、地表沉降过大进而导致临近建筑物倾斜、道路下沉等事故时有发生，对社会经济造成巨大损失。例如:在上海地铁1号线7台盾构出洞过程中，由于端头洞口土体加固不好，大量土体和地下水涌进工作井内，导致地表下沉，危及地下管线和附近的建构筑物［1］;在广州地铁4号线大学城南北站区间隧道右线盾构始发施工中出现盾构机始发栽头事故;广州地铁土建3标始发端头出现涌水涌砂事故等。因此，有必要对盾构始发施工对周边环境的影响进行分析。

每座城市都有其特殊的地层条件，对不同地层条件，应有针对这一地层的专项方案来指导施工。以往文献中较多是针对某一土层参数、隧道覆土深度、外径等的不同进行研究［2-3］，针对地区不同代表土层盾构始发施工对地表沉降影响的研究很少;但针对不同地区不同土层对盾构始发地表沉降的影响规律，有效采取相应控制措施，保证隧道周围建筑物和地下管线的安全极为重要。故本文在对北京、杭州、南京和上海等地区地层特点对比总结的基础上，选取具有代表性的地层作为模型地层参数，采用岩土通用软件FLAC3D建立盾构始发三维模型，模拟始发施工的全过程，对各地区不同地层参数下盾构始发对地表沉降的影响进行计算分析，总结各典型地区盾构始发对地表变形的影响规律，提出相应施工建议，为类似工程及相应反分析研究提供参考。

1 典型地区盾构区间地层分类与特点

纵观我国城市地铁的发展，北京、上海是国内最早使用盾构技术修建地铁的城市，已基本实现网络化运营，可参考的地层资料及施工经验较丰富。南京与杭州分别于2005年和2007年开始修建地铁，由于地层以及保护名胜古迹等原因，绝大多数使用的是盾构法，且在盾构施工中出现多处由于地表沉降造成的工程事故。上述4个典型城市，虽不能概括全国地层的全部特征，但在一定程度上代表了国内盾构地层资料的典型特征，故选取该4个城市作为典型地区进行对比研究，对我国城市盾构地铁的后续施工参考价值很大。在参阅相应城市大量盾构施工相关文献资料的基础上，绘制各典型地区土层分布示意图(见图1)，总结各城市盾构典型地层及特点(见表1)，并对其进行对比分析。

图1 典型地区土层分布示意图(单位:m)Fig.1 Distribution of soil strata in typical regions(m)

表1 典型地区盾构地层特点对比Table 1 Comparison and contrast among characteristics of shield launching strata in typical regions

通过图1和表1对典型地区盾构区间地层特点的综合对比可知:1)粉质黏土层为4个城市盾构穿越最为频繁的土层;2)北京地区盾构地层主要为卵石土和砂土层，杭州地区为淤泥质粉质黏土和粉细砂层，南京为粉土和粉细砂土层，上海地区则以土质较软的淤泥质粉质黏土为主。

在对典型地区盾构地层特点综合比较的基础上，选取典型地区代表土层制定合理的计算方案对其盾构始发条件下，地表沉降曲线以及围岩变形特点进行对比分析。

2 计算方案

通过典型地区盾构地层特点的对比分析，按地区分别取其地层条件较好、中等、较差的代表土层制定相关方案，模型统一采用隧道埋深15 m，盾构直径10 m，盾构井深27 m，排除土层以外的因素对模拟效果的影响，对典型地区不同地层条件盾构始发进行三维数值模拟。具体模拟方案见表2。

3 计算条件

盾构始发土层相关参数选取见表3。

4 模拟方法

所取模型边界条件均为顶面自由，四周约束法向位移，底面固定。盾构竖井及隧道周围地层土体按表2中数据取值，采用摩尔-库伦材料模型进行模拟计算。施工过程充分考虑到盾构机的影响，用等代层来反应注浆效果［8］;考虑到衬砌结构的不连续性，故对其进行一定的折减，折减系数取0.7，折减后的相关参数如表4所示(参数选取参照《混凝土结构设计规范》)。采用模型空单元模拟隧道开挖，采用实体弹性单元模拟衬砌环，掌子面前方土舱压力采用梯形荷载和等效荷载2种模式进行计算(2种模式计算结果相差不大)。最终土舱压力以等效荷载条件下隧道中心线处水平应力实际值的1.08倍进行施工情况的模拟计算。

表2 典型地区盾构始发数值模拟方案Table 2 Numerical simulations of shield launching in typical regions

表3 不同地区盾构始发土层参数取值表Table 3 Parameters of soil strata for shield launching in different regions

表4 模型各项参数Table 4 Model parameters

地连墙、竖井二次衬彻、底板和基座、洞门均采用实体单元进行模拟，由于围护墙在基坑开挖及衬砌回筑阶段沿竖向间隔一定距离受支撑围檩约束，临时支撑可以简化成多支点杆系结构进行分析，即采用梁结构单元(beam)进行模拟。地下连续墙采用C30防水混凝土［9］，竖井二次衬彻、底板和基座采用C30和S8混凝土，洞门采用素混凝土进行数值模拟。

在盾构始发井开挖前，对始发端头土体进行加固模拟。由于我国城市盾构施工地段，大多为软土地层，参考国内多处施工实例［10］，本文对软土地段盾构始发端加固长度取:纵向长度=盾构机长度(12.6m)+1.4 m，两侧加固宽度3 m，上方加固高度3 m，下方加固高度3 m。

5 计算模型

本文主要对典型地区不同地层条件下盾构始发进行三维数值模拟。首先进行三维建模，模型中预设开挖土体单元、衬砌单元、盾构钢壳以及等代层单元，以盾构隧道掘进始发处中轴线地表为坐标原点，垂直隧道轴向的水平方向为X方向、隧道轴向为Y方向、高度方向为Z方向建立数值计算模型坐标系。模型范围为轴向长度取60 m(盾构始发隧道掘进段为0～40 m)，垂直隧道轴向自隧道中心水平向外各取5 D(D为隧道外径)，自隧道底部垂直向下取5D。盾构始发隧道开挖40 m，盾构始发井位于纵向-12～0 m，横向-11～11 m范围内，模型上端自由，底部位移完全约束，两侧水平位移约束，沿轴线的前后方向约束。模型共有123 576个单元、129 519个节点。沿隧道轴线纵向截取计算模型如图2所示。

6 计算结果

6.1 典型地区代表土层盾构始发地表纵向沉降对比

提取典型地区隧道纵轴向地表沉降数据，按地区绘制地表纵向沉降曲线如图3所示。

通过分析图3可知，典型地区地表纵向沉降规律相同点为:隧道纵轴向始发井附近地表沉降量较大，进入加固段后，沉降值突然减小，在加固段地表沉降基本稳定在-10 mm以内，隧道掘进进入非加固段后，地表沉降量又逐渐变大。根据数值计算结果，并结合工程实践经验，总结其规律原因是:在盾构始发端头，盾构竖井施工对端头土体扰动较大，随着隧道掘进进入始发加固段，地层强度、止水性、均匀性以及整体稳定性都有较大改善，地层扰动量减小;在非加固段，地层条件变差土体扰动量又开始加大。

图3 典型地区盾构始发地表纵向沉降曲线Fig.3 Curves of ground surface settlement in longitudinal direction in typical regoins induced by shield launching

虽然典型地区盾构始发纵向地表沉降规律有很多相像之处，但各个地区以及同一地区不同土层参数，在沉降量、差异沉降方面却有明显的区别。下面就同一地区，不同土层纵向地表沉降的区别进行定量分析(见表5)。

分析表5中数据可得:1)北京地区地表沉降及差异沉降整体较小;2)南京地区虽地表沉降值相对较小，但其差异沉降较大;3)上海地区地表沉降整体较大;4)方案B-3地表沉降量相比方案B-1和方案B-2较平稳，差异值也比较小，即粉质黏土地层为北京地区最佳土层方案;5)方案H-1地表沉降整体较小，与方案H-2和方案H-3比较，其沉降量较平稳差异沉降控制也较好，即粉质黏土为杭州地区最佳土层方案;6)方案N-3与方案N-1和方案N-2比较，地表沉降相对较小且稳定，差异沉降值也较小，即粉土地层为南京地区最佳土层方案;7)方案S-1与方案S-2和方案S-3相比较，地表沉降量相对平稳，且地表总体沉降及差异沉降相对控制较好，即粉质黏土地层为上海地区最佳土层方案。

表5 典型地区盾构始发地表纵向沉降对比Table 5 Comparison and contrast among ground surface settlement in longitudinal direction induced by shield launching in typical regions

在总结地表纵向沉降规律基础上，对地表横向沉降数据进行对比分析，使对典型地区不同土层施工效果的分析更为全面、透彻和准确。

6.2 典型地区代表土层盾构始发横向地表沉降对比

提取典型地区隧道纵向Y=1.8 m处横轴向地表沉降数据，按地区绘制盾构始发地表横向沉降槽曲线(见图4)。

通过分析图4曲线可知，典型地区地表横向沉降规律为:1)盾构始发施工对地表横向影响范围均为55 m左右，基坑开挖基本均未引起地表隆起，在盾构始发完毕后，隧道横轴向两侧±20 m范围以外均出现不同程度地表隆起;2)不同地区以及同一地区不同土层参数，在地表隆起值、累计沉降量以及差异沉降方面有明显的区别。下面就同一地区，不同始发土层方案横向地表沉降的区别进行对比分析(见表6)。

分析表6中的数据可得:1)方案B-3地表累计沉降比方案B-1小4.3 mm，比方案B-2小5.97 mm，其盾构始发施工对地表沉降整体控制效果最好，在横向20 m范围内差异沉降控制也最好，为北京地区最佳土层施工方案;2)方案H-1地表累计沉降比方案H-3小14.88 mm，与方案H-2基本一致，但其在横向20 m范围内差异沉降控制最好，地表隆起值也较小，为杭州地区最佳土层方案;3)方案N-3地表累计沉降比方案N-1小6.53 mm，比方案N-2小10.32 mm，并且其在横向20 m范围内差异沉降控制最好，为南京地区较好土层施工方案;4)方案S-1地表累计沉降比方案S-2小26.04 mm，比方案S-3小20.84 mm，并且其在横向20 m范围内差异沉降控制也最好，为上海地区地表沉降控制最好的土层方案。

图4 典型地区盾构始发地表横向沉降槽曲线Fig.4 Curves of transverse settlement trough induced by shield launching in typical regions

综上所述可知，地面沉降在垂直隧道轴线的横断面上一般呈正态分布曲线。不同土质地层其沉降曲线差别较大，一般而言，黏土土层中，盾构周围的土层如同一块土体一样是逐渐变形的;而砂土土层中，盾构周围的土体却是局部而又断续地塌落。这种区别反映出各种性质的土体“成拱”能力，黏性土较砂性土成拱能力高，沉降槽影响范围相对较大，中心点沉降量相对较小。

6.3 典型地区代表土层盾构始发围岩位移

对典型地区不同土层条件盾构始发地表沉降规律分析的基础上，从地层围岩角度再次验证规律的合理性，按地区分别取一代表方案沿隧道轴线剖开，提取围岩竖向位移分布云图(见图5)进行分析。

表6 典型地区盾构始发地表横向沉降对比Table 6 Comparison and contrast among ground surface settlement in transverse direction induced by shield launching in typical regions

通过分析图5云图可知:1)典型地区围岩竖向位移分布在盾构加固段较小，在第9环以后出现竖向位移骤然增大，原因是前8环为盾构加固段，第9环以后地层稳定性相对较差，这一现象再次验证地表沉降在盾构非加固段增大的规律。2)在盾构始发尾部均出现隧道顶部下沉较大，这是因为在始发阶段由于自重及其他原因，盾尾出现失圆所致，这种现象可以采用盾构机自带的整圆器进行整圆，在必要情况下，可采用错缝拼装以保证管片拼至隧道内时管片自身的椭圆度控制在误差以内。上述现象反映到地表，均符合前述典型地区盾构始发隧道地表沉降的规律。

7 结论与建议

通过典型地区不同地层条件盾构始发施工数值模拟，分析其地表沉降数据及围岩位移分布云图，并结合施工经验得出结论与建议如下:

1)不同地层盾构始发地表沉降差别较大，黏性土较砂性土沉降槽影响范围相对较大，中心点沉降量相对较小。

图5 典型地区盾构始发围岩竖向位移分布云图Fig.5 Cloud of distribution of vertical displacement of rock mass caused by shield launching in typical regions

2)典型地区盾构始发地表沉降总规律为:地表沉降对称分布，隧道轴线正上方地表沉降最大，向左右沉降分别逐渐减小;隧道开挖完毕后地表沉降具有对称性，最后综合沉降最大值位于隧道中间。对土体扰动引起地表沉降的横向沉降槽与Peck计算得出的横向沉降槽正态分布曲线形态基本一致。

3)典型地区均在黏性土条件下地表沉降较小，北京和南京地区地表沉降在22 mm内，在非黏性土条件下于横向基坑边界处地表差异沉降较大;杭州和上海地区在黏性土条件下地表沉降在32 mm内，在淤泥质土条件下地表沉降过大(超过60 mm)。典型地区按地表沉降控制效果由好到差排序为北京＞南京＞杭州＞上海。

4)在砂性土层始发时，由于砂性土自稳性差、流动性大、渗透系数大，易发生流砂和涌水现象，加固区的长度必须大于盾构主机长度。

5)为有效减少始发段地表沉降，要严格控制地层加固质量，使加固后土体满足强度和渗透性的要求，同时加强管片壁后注浆，二次注浆压注要及时，对部分地层根据地面沉降情况及时进行三次或多次注浆，从而达到有效控制地面沉降的效果。

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