张国权

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030000）

随着中国经济的高速发展和城市化水平的快速提高，城市可利用空间急剧减少，城市交通阻塞严重。为了解决这一问题，城市轨道交通的建设刻不容缓[1]。地铁隧道施工诱发的地层移动和地面沉陷及建筑物开裂、管线损坏在我国的地铁建设中，是一个普遍存在的问题，已经成为地铁隧道建设者、设计、施工技术人员最为关心的环境问题和工程问题[2-5]。

本文运用三维有限元法对太原市地铁盾构法施工过程中引起的地层位移和地面沉降规律进行了建模分析，研究其对周围土层及邻近建筑物的影响。本文预测和控制盾构近距离通过地下结构物时所引起的地层变位，有利于盾构机的顺利掘进和确保既有建筑的正常使用。

1 工程概况

山西省太原市地铁2 号线工程全长23.38 km，共设置23 座车站，全部为地下站。“中铁隆5 号”盾构机在太原地铁2 号线14 标段始发，执行矿机站～小商品市场站区间右线掘进任务。本次任务艰巨，需要解决的问题很多，如：掘进区间的富水砂层容易发生洞门或地面坍塌风险；工期紧张，施工效率低下；施工前需降低地下水位，以便保护地下水；钢套筒不可循环利用；施工成本高等。

该段盾构隧道埋深为12 m，管片衬砌外径6 m，内径5.4 m。施工中盾尾注浆压力为0.14 MPa，掘削面顶进压力为0.25 MPa。从上至下，根据土层的物性[6]参数不同将其分为3 层：上层厚度10 m，E=3.28 MPa，v=0.34，ρ=20.35 kN/m3；隧道所在层厚度17 m，E=19.85 MPa，v=0.31，ρ=20.08 kN/m3；下层厚度16 m，E=500 MPa，v=0.37，ρ=22.77 kN/m3。

2 模型建立

2.1 模型单元的选择

采用ANSYS 有限元软件建立三维有限元模型进行数值模拟分析。SOLID45 单元几何形状及坐标系统如图1 所示。

2.2 材料参数的选择

分析模型中共选用五种材料，其中土体有三种：地表浅层覆土、盾构隧道所在土层和基岩，其材料参数如上文所述。另外两种材料为管片衬砌和注浆层，其材料参数为：管片衬砌E=27.6 MPa，v=0.2，ρ=25 kN/m3； 注 浆 层E=1.0 MPa，v=0.5，ρ=21 kN/m3。

2.3 边界条件的确定

依据隧道力学分析结果，垂直方向，模型上边界取到地表，把大于三倍隧洞深的距离取为下边界；横向方向，把三到五倍的隧洞距离取为横向边界。

2.4 模型的建立过程

（1）建立平面模型后通过沿隧道轴线拉伸成立体模型，得到隧道及其所在地层的三维实体模型。

（2）施加边界条件后求解自重应力场，直到计算收敛。

（3）施加自重应力场后进行开挖过程模拟。开挖过程分为13步进行模拟，第1步到第12步开挖，每步掘进3 m，第13 步开挖余下的24 m。分析可知，开挖后盾构前面部分的位移量相对较少，隧道周围的位移量相对较大。

3 计算结果分析

3.1 地层位移分析

本文模拟分析的位移仍然是相对于自重固结下的位移，由第1 步开挖引起的地层竖向位移起，分析第1、4、7 和10 步开挖引起的地层位移可知，地层位移随着盾构开挖过程逐渐向内部发展，地表的均位移维持在1.0 cm 以下。开挖过程中，地层位移的最大值仍位于第1 步开挖面处，从第1 步到第10 步，拱顶最大下沉从8.0 cm 增长到8.24 cm，抑拱处最大位移从8.0 cm 增长到8.74 cm。

图2 为第13 步开挖，即隧道贯通后引起的地层位移。隧道贯通后，地层位移的最大值分别为第1 步开挖面抑拱处8.78 cm 和最后一步贯通面抑拱处的15.37 cm。

图2 隧道贯通后引起的地层位移/m

3.2 地表沉降分析

盾构机开挖过程中会引起地表的沉降，待计算平衡后，绘制第1～10 步开挖引起的地表沉降分布。

由第1 到10 步开挖引起的地表沉降可知，开挖过程中，在盾构机的顶进作用下，地表发生了前隆后沉的现象。随着盾构机的推进，开挖面后方的沉降槽越来越宽，最大沉降量也越来越大，隆起区域也逐步向前推进。第1 步到第10 步地表最大沉降量从1.28 cm 增长为1.75 cm。

图3 隧道贯通后引起的地表沉降/m

图3 为第13 步开挖，即隧道贯通后引起的地表沉降。隧道贯通后，地表沉降的最大值为7.82 cm。

分析可知，地表沉降的原因主要是由盾构后部的空隙造成的，盾构到达前，地表沉降量相对很小。当盾构离开挖面越来越远时，沉降量将趋于稳定。

3.3 管片衬砌受力分析

盾构隧道衬砌结构是一个由若干管片、管片间的连接螺栓和填充材料（弹性密封垫）组成的组合结构，管片衬砌的应力与变形仍是隧道设计中十分重要的问题。

由第1 步开挖后管片衬砌的Mises 应力，可知管片应力最大值为管片上部0.11 MPa，最小值为管片左部的0.07 MPa。管片主要受力仍为开挖后周围土体挤压所产生的应力。

分析第10 步开挖引起的地表沉降分布可知，随着盾构的不断推进，管片衬砌应力逐渐增大，最大应力值位于第1 步开挖后安装的管片的上部和下部，从第1 步增大到第10 步的1.10 MPa。最小值均为刚开挖后的管片，从第1 步的0.07 MPa 增大到第10 步的0.08 MPa。

如图4 所示，隧道贯通后，管片最大应力达到1.12 MPa，是第1 步开挖后的10 倍，较第10 步开挖仅增长0.02 MPa，渐趋于稳定。

图4 隧道贯通后后管片衬砌的Mises 应力/Pa

4 结 语

通过三维有限元软件建立模型，分析了地铁隧道盾构施工过程中导致的地层位移、地表沉降和衬砌应力，为地铁工程施工引起的工程环境问题的处理提供依据。通过对隧道盾构开挖过程的模拟，对地铁隧道施工对周围土体环境的影响取得了一定的 研究结果，但仍有很多问题值得进一步深入研究。由于之前主要进行上部结构抗震减震方面的研究，对土体本构及土的特性了解较少，采用土体塑性本构模型时ANSYS 模拟计算一直不收敛，故在本次模拟中土体本构模型为弹性模型，接下来将尝试采用D-P 模型和邓肯-张模型进行弹塑性分析。

本文分析仅针对开挖过程进行了定性分析，覆土厚度、土体模量、隧道外径、盾尾空隙填充率等因素对地基沉降产生的影响仍有待进一步研究。盾构开挖过程中，开挖正前方区域内刀盘的挤压搅削会对土体产生强烈扰动，土体的力学参数也将发生很大变化，其对地层移动机理的影响是一个非常复杂的变化过程，有待深入研究。