盾构掘进长时间停机引起的地表沉降预测研究

时间：2024-07-28

王非，陈红兵，韩凯杰，黄义，刘枫

（1、中铁五局集团有限公司广东东莞 523000；2、中南大学土木工程学院长沙 410075）

0 引言

近年来，随着我国城市交通的不断发展，地铁隧道建设也在逐步增多。盾构法隧道施工技术由于其对城市环境影响较小、适用土质范围广、不受地表环境限制等优点，得到了越来越广泛的应用。地铁隧道大多位于城市内部，在进行盾构法施工时会不可避免地穿越各类建（构）筑物及城市地下管网，为保证既有建（构）筑物等的安全性，由施工引起地层扰动和位移需要受到严格地控制。基于此，国内外学者对于由盾构隧道施工过程中引起的地层扰动和地表沉降进行了大量的研究［1-6］，然而这些研究多侧重于盾构机连续施工时地表沉降的变化规律，较少涉及盾构机非正常停机引起的地表沉降变化规律。在实际工程中，盾构隧道施工过程中可能会发生预期之外的非正常停机，进而引起地表沉降。戴志成［7］将盾构施工引起的沉降分为前期扰动、通过扰动、停机影响以及后期扰动4 类，其研究结果表明盾构停机对地表沉降影响最大。部分学者针对实际工程中出现的盾构长时间停机问题提出了相应的沉降变形控制措施［8-10］，为解决此类工程问题提供了思路，但其计算过程中采用了过多假设，并且相关计算参数的选取不具有普适性，理论的适用性还有待优化。李志军等人［11］基于昆明地铁4 号线实测数据，分析了盾构停机前后地层变形规律，认为盾构停机工况会放大盾构开挖施工对临近下卧土体的变形扰动；梁荣柱等人［12］对某工程软土地层地铁区间盾构停机过程中的地表沉降数据进行深入分析，研究发现在盾构停机过程中，扰动沉降影响范围比正常掘进开挖时大超过5 倍盾构直径，盾构前方的土体整体发生沉降，并且其沉降槽计算困难，不能由Peck公式拟合；林存刚等人［13］基于其提出的理论计算模型，推导了由非正常停机引起的地表沉降理论计算公式，并以现场实测数据进行对比验证，为解决此类盾构长时间停机问题提供了可靠的理论依据。

目前国内外针对盾构长时间停机引起的地表沉降的相关研究，大都是基于现场实测数据进行的规律性分析，而关于停机引起的地表沉降预测理论研究较少。根据相关设计规划，合肥某高铁站地下预留空间工程土建施工项目某盾构工程将在下穿新建合肥某高铁站施工段停机4～8 个月，基于合肥某高铁站地下空间预留工程盾构停机问题，开展盾构长时间停机引起的地表沉降预测研究，得出盾构停机状态下地表沉降预测公式，以期为此类工程提供参考。

1 工程概况

1.1 区间概况及地质条件

合肥某高铁站地下预留空间工程土建施工项目某盾构工程共划分为4个部分：S1线盾构井、S1线合肥某高铁站～盾构井区间（540 m）、10 号线盾构井、10 号线合肥某高铁站～盾构井区间工程（545 m）。

盾构区间分别为S1 线合肥某高铁站～盾构井区间和10 号线合肥某高铁站～盾构井区间，工点范围内表层局部为人工填土层，上覆黏土层；下伏基岩为中风化砂岩、中风化粉砂岩。拟建工程地区地下水主要为上层滞水和基岩孔隙水、裂隙水。最高水温埋深为3 m，水位年动态变幅一般在3～5 m左右。本文选取计算的施工断面位于穿越强风化粉砂岩和中风化粉砂岩地层中，由于上方场地施工，铲除杂填土，上覆黏土层。具体土层物理力学参数详如表1所示。

表1 场地主要土层物理力学指标Tab.1 Physical and Mechanical Indexes of the Main Soil Layers of the Site

1.2 盾构停机情况

如图1所示，根据合肥某高铁站相关施工情况，本标段存在两个盾构区间，施工分为3 个阶段：①第一阶段，西站房基坑回填2022 年4 月30 日，联调联试2023 年6 月至9 月完成，2023 年5 月底到达既有线停机等待；②第二阶段，东站房基坑在2023年12月底回填完成，2024 年2 月初再次始发，在此过程中，盾构机停机8 个月；③第三阶段，2024 年3 月初穿越东站房，并提供盾构接收条件。

图1 停机情况Fig.1 Shield Shutdown Situation

2 盾构长时间停机引起的地表沉降理论计算

盾构施工时土体沉降的主要原因是施工造成的土体扰动和地层损失，在这种情况下通常可以运用Peck 公式对施工造成的地表沉降进行计算求解。本文关注的重点在于盾构机开挖后长时间停机造成的下卧层土体固结沉降进而引起的地表沉降问题计算。基于此，本文认为在某一发生盾构长时间停机的施工断面地表沉降，由盾构开挖造成的土体扰动和地层损失以及长时间停机引起的下卧层土体沉降共同组成。

2.1 盾构机下卧层土体沉降计算

盾构隧道掘进施工纵剖面如图2 所示。其中，z0为隧道轴线埋深（m），D1、D2、D3分别为隧道外径、隧道内径、盾构机外径（开挖直径）（m）；L1、L2、L分别为盾构机主机长、拖车长、盾构主机和拖车总长，L=L1+L2（m）；Wshield为盾构主机与拖车总重（kN）；h为地下水位位于地表以下的深度（m）；H为盾构机底部距离不可压缩土层（卵石层、碎石层或基岩）的长度（m）；假定自地面至不可压缩层为均一地层，γsoil、γlining、γgrout、γw分别为土体重度、衬砌管片重度、同步注浆的浆液重度、地下水重度（kN/m3）。

图2 盾构隧道掘进施工纵剖面［13］Fig.2 Longitudinal Section of Shield Tunnel Boring Construction

在土体扰动的情况下，由于超孔隙水压力的消散对地表沉降变形影响不大，可以忽略。仅考虑到开挖土与盾构及停机过程中的重量差异导致盾构下土壤的应力释放，盾构机下卧层将经历3个阶段的有效应力：

⑴应力状态0为初始应力状态σ0

⑵应力状态1为土体挖出后土应力σ1

⑶应力状态2为盾构机更换开挖土后的土应力σ2盾构机置换土体重量为Wsoil

通常用于盾构机穿过土壤时计算土壤中应力的Boussinesq 解是基于荷载作用于地面的假设推导出来的，这与实际情况有一定的差别［14］。基于Mindelin解，推导了当条形均布荷载作用于地基时土体中应力分量的解析表达式。计算公式及示意图如图3所示。

图3 土体内条形荷载作用下的土中应力Fig.3 Stress in Soil under Strip Loading within the Soil

通过计算得出盾构机下卧土层σ2状态相对于原始σ1状态的附加应力之后，应用上述计算公式，得到计算范围内土体的初始孔隙比、压缩系数等参数，然后采用单向压缩分层求和法，计算盾构压缩下卧土层产生的附加应力引起的盾构下卧土层的总固结沉降sc。

在盾构产生的附加应力作用下，其下卧土体排水固结，根据太沙基一维固结理论：

式中：Cv为土的固结系数（m2/年）；e0为固结前孔隙比孔隙比；kv为渗透系数；αv为土在侧限条件下的压缩系数（kPa-1）；Tv为时间因数，无量纲；t为固结历时；H为排水最长距离，当土层为单面排水，其值为土层厚度，当土层为双面排水，其值为土层厚度的一半；Ut为固结度。

2.2 盾构长时间停机引起的地表沉降计算

盾构机作为一个刚体，认为其总位移sshiele等于其下卧土层固结沉降，即sshiele=sct。基于文献［13］提出的盾构机位移引起的地表沉降计算模型（见图4）可知：

图4 盾构机位移引起的地表沉降计算模型［13］Fig.4 Calculation Model of Surface Settlement Caused by Shield Machine Displacement

式中：s（x）为地面距离轴线x处的地面沉降（mm）；x为距隧道轴线水平距离（mm）；smax为隧道轴线位置地面沉降（mm）。

2.3 实例计算

基于前文的工程概况简介及理论推导，本文计算参数选取如下：z0=20 m，D1=6.0 m，D2=5.9 m，D3=5.9 m，L=30.8 m，Wshield=34 006 kN，h=1.6 m，H=10.785 m，各土层土体重度如表1所示，γlining=25 kN/m3，γgrout=20 kN/m3，γw=9.8 N/m3，土体泊松比μ=0.45，依照施工经验取k=0.25。

盾构机下卧层土体应力为：

采用单向压缩分层总和法计算盾构机底部土体的固结沉降sc。盾构底部土层中的附加应力曲线可以近似地用一条直线代替，因此可以取土层中间的附加应力值进行计算。

式中：△p1为盾构机底部中风化粉砂岩中间位置附加应力值（kPa）；Es1为中风化粉砂岩压缩模量（kPa）；H1为盾构机底部中风化粉砂岩层厚度（m）。

基于太沙基一维固结理论可得固结沉降为：

当取时间参数t=0 时，即盾构机完成计算断面开挖时，可得：

3 数值模拟计算

3.1 模型建立及参数选取

本文采用三维有限差分软件进行模拟计算。为简化计算，仅对盾构机停机断面进行数值模拟计算，故在此不考虑衬砌支护及壁后注浆，所有单元皆采用摩尔库伦本构模型。

计算模型尺寸为60 m×70 m×1 m，隧道中心距地表20 m，开挖面直径为6.20 m，地层参数如表2所示。

表2 土层参数Tab.2 Soil Layer Parameters

3.2 模拟计算结果

开挖完成后，t=0时刻，Z方向位移云图如图5所示。

图5 开挖完成时刻Z方向位移云图Fig.5 Z-direction Displacement Cloud at the Moment of Excavation Completion

模拟计算完成时，即土体固结沉降趋于长时间稳定，Z方向位移云图如图6所示。

图6 固结沉降完成时Z方向位移云图Fig.6 Z-direction Displacement Cloud at the Completion of Consolidation Settlement

于隧道轴线中心上方设置监测点，坐标为（0，0.5，60），模拟计算真实时间约2 160 h，故分别取24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h、336 h、504 h、720 h、1 440 h、2 160 h对应的地表监测点沉降数据，并通过前文推导的理论公式计算对应时间点相同位置的地表沉降值，两者进行对比，结果如图7所示。

图7 隧道轴线中心上方地表沉降对比Fig.7 Comparison of Ground Settlement above the Center of the Tunnel Axis

由图7可知，理论计算和数值模拟计算结果接近，拟合较好，说明本文理论计算结果可靠性较高。此外，由于盾构停机，无法进行同步注浆以及管片铺设，在停机初期发生的沉降量达到了最终沉降量的90%以上。因此，在实际工程中应当做好停机预案，发生停机时及时采取相应的支护措施，从而尽可能地降低长时间停机对地层造成的影响。