盾构下穿机场土体掘进环境控制技术

时间：2024-07-28

揭定前，郭治岳，陈文宇，徐海南，王泽伟，万均，陈行

(1. 中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东深圳，518083； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都，610031； 3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都，610041; 4. 泸州市政府投资建设工程有限管理第一中心, 四川泸州 646699)

近年来，盾构法施工已逐渐发展成为城市地铁建设最常用工法，但盾构掘进不可避免地会产生对土体的扰动[1]，因此对盾构掘进过程中引起的土体沉降进行分析具有重要意义。

针对盾构掘进引起的地层扰动已有不少研究成果。刘招安等[2]依托广州地铁二号线某隧道为背景，总结了盾构法施工引起的地表沉降的分析方法，结合实测数据进行了规律分析；彭立敏等[3]通过随机介质理论对盾构隧道施工造成的地层移动与变形进行了分析计算；林存刚等[4]依托杭州庆春路过江隧道工程为依托，围绕盾构掘进参数，对地面沉降进行了规律性分析；陈自海等[5]以软土地层盾构隧道施工参数为研究方向，分析了注浆压力、土仓压力等施工参数对地表沉降的影响；包小华等[6]以北京地铁14号线方庄-十里河站区间双线隧道为依托，研究了注浆量、注浆压力和凝结硬化时间等掘进施工参数对表表沉降的影响。谢东武等[7]以Mindlin解为理论基础，对单线盾构隧道地表位移的影响因素进行了敏感性分析；

以上研究集中于盾构掘进参数对地表沉降的影响，对盾构掘进过程中注浆量和掘进速率对土体沉降的研究较少，本文对此进行有限元分析。

1 工程概况

成都地铁10号线双流机场2航站楼站—双流西站二期工程，地面建筑及规划如图1所示。盾构隧道埋深44 m，区间处在泥岩与砂卵石交互地层，该地层岩体整体岩性较差，盾构掘进过程中易发生土体沉降问题。隧道覆盖土体为厚混凝土、厚石屑找平层、水泥碎石基层、厚水泥卵石基层、压实土基和砂卵石。

图1 盾构下穿机场滑行道示意

2 数值模拟

2.1 模型的建立

本文采用大型有限元软件建立盾构隧道开挖三维数值模型，模型尺寸为100 m×60 m×80 m，见图2。模型主要包括地层和盾构隧道。盾构隧道主要结构为盾壳、管片和注浆层。区间隧道为双孔隧道，先进行左隧道(先行隧道)掘进，后进行右隧道(后行隧道)掘进，掌子面间距60 m。隧道掘进时主要施工步为移除开挖土体、激活盾壳和管片单元、施加掌子面压力、施加掘进顶推力和激活注浆等代层等。

(a)整体模型 (b)盾构隧道图2 计算模型

模型上部边界设置自由边界，下部边界设置固定边界。X和Y方向均设置位移约束，X方向设置绕Y轴和Z轴的转动约束，Z方向设置绕X轴和Y轴的转动约束。

2.2 参数的确定

土体选用M-C本构模型，混凝土地表选用弹性材料；盾体、盾壳、管片和注浆层选用弹性材料，具体计算参数见表1。盾构机直径6.28 m，主机长度10.8 m，厚度0.3 m，幅宽1.5 m。

表1 数值模型材料计算参数

2.3 测点布置

沿掘进方向间隔15 m布置A，B，C三个监测断面，位置如图3(a)所示；监测断面B测点布置如图3(b)所示，b12、b22、b32和b42测点位于隧道中轴线上。

3 计算结果与分析

本文通过先行隧道与后行隧道监测截面B隧道中轴线上各测点数据进行土体分层沉降分析；以隧道掘进掌子面距监测断面B前15 m(-15 m)、前9 m(-9 m)、监测断面处(0)、后9 m(9 m)和后15 m(15 m)五个时间点进行土体横向分层沉降分析。

(a)监测断面 (b)监测断面B测点图3 监测断面与测点布置

3.1 注浆量

模型中通过改变注浆等代层弹性模量对注浆量进行量化处理。工况参数：隧道埋深16.6 m，土仓压力86 kPa，注浆压力120 kPa，通过将模型注浆等代层弹性模量分别设置为1.2 MPa、5 MPa和10 MPa研究隧道掘进时注浆量对土体变形的影响。

3.1.1 土体分层沉降

提取数值模型监测截面B隧道中轴线上各测点的位移，绘制不同注浆量土体沉降曲线，见图4、图5。可知，先行隧道和后行隧道掘进过程中监测断面B不同深度监测点的沉降曲线变化规律相似，即测点的沉降值随着盾构机掘进距离的增加而增大，但掘进过程中沉降趋势不同。当盾构机掘进30 m掌子面达到监测断面B时，b42测点沉降曲线斜率最大，即受盾构掘进影响最大，分析认为盾构掘进对测点的沉降影响随着测点深度的增加而增大，即土体距掘进隧道竖直距离越近，受盾构掘进影响越大。对比不同注浆量下监测断面相同位置测点的沉降曲线可知，随着注浆量的增加，在一定程度上能控制隧道周边一定范围内的沉降，对隧道附近的第四层监测点沉降值的影响较为明显。

图4 不同注浆量先行隧道监测断面沉降曲线

图5 不同注浆量后行隧道监测断面沉降曲线

对比先行隧道与后行隧道可知，盾构掘进对后行隧道监测点造成的沉降明显大于对先行隧道监测点的沉降，分析认为先行隧道掘进过程中会对后行隧道范围内的土体产生扰动，而后行隧道掘进后，这部分土体再次受到扰动。当盾构机掘进到监测断面B附近时，后行隧道测点b42出现了“上凸”状的沉降曲线，分析认为可能是由于盾构机掘进过程中挤压周围土体，产生“上升”趋势，盾构通过之后，挤压移除，又产生更大的沉降。

3.1.2 土体横向分层沉降

提取数值模型监测截面B不同时刻的位移，绘制不同注浆量土体横向沉降曲线，见图6、图7。可知，先行隧道和后行隧道掘进过程中监测断面不同时刻横向沉降曲线变化规律相似，即沉降曲线呈现凹槽形，先行隧道整体沉降偏向先行隧道，各时刻沉降最大位置出现在先行隧道附近；后行隧道整体沉降偏向后行隧道，各时刻沉降最大位置出现在后行隧道附近。盾构机在监测断面B前后9 m范围内掘进时，横向分层沉降受掘进施工影响较大。不同注浆量隧道监测断面同一时刻横向沉降数值变化不大。

图6 不同注浆量先行隧道监测断面横向沉降曲线

图7 不同注浆量后行行隧道监测面横向沉降曲线

对比先行隧道与后行隧道可知，盾构掘进对后行隧道土体监测点造成的沉降明显大于对先行隧道土体监测点的沉降，分析认为先行隧道掘进过程中也会对后行隧道范围内的土体产生扰动，后行隧道掘进后，这部分土体再次受到扰动，故后行隧道沉降值偏大。

3.2 掘进速率

工况参数：隧道埋深44 m，土仓压力86 kPa，注浆等代层弹性模量5 MPa，通过将掘进速率分别设置为6 m/d、7.5 m/d和9 m/d研究隧道掘进时掘进速率对土体沉降的影响。

3.2.1 土体分层沉降

提取数值模型监测截面B隧道中轴线上各测点的位移，绘制不同掘进速率土体沉降曲线，见图8、图9。可知，先行隧道和后行隧道掘进过程中监测断面B不同深度测点的沉降曲线变化规律相似，即测点的沉降值随着盾构机掘进距离的增加而增大，但掘进过程中沉降趋势不同。当盾构机掘进30 m掌子面达到监测断面B时，b42测点沉降曲线斜率最大，即受盾构掘进影响最大，分析认为盾构掘进对土体的沉降影响随着测点深度的增加而增大，即距掘进隧道竖直距离越近，受盾构掘进影响越大。对比不同掘进速率下监测断面相同位置测点的沉降曲线可知，随着掘进速率的增加，隧道附近土体的分层沉降会随着增大，分析认为盾构掘进速率增大会导致同步注浆不及时，盾尾空隙增大，故土体沉降增大。

对比先行隧道与后行隧道可知，盾构掘进对后行隧道监测点造成的沉降明显大于对先行隧道监测点的沉降，分析认为先行隧道掘进过程中会对后行隧道范围内的土体产生扰动，而后行隧道掘进后，这部分土体再次受到扰动。当盾构机掘进到监测断面B附近时，后行隧道测点b41出现了“上凸”状的沉降曲线，分析认为可能是由于盾构机掘进过程中挤压周围土体，产生“上升”趋势，盾构通过后，挤压移除，产生更大的沉降。

3.2.2 土体横向分层沉降

提取数值模型监测截面B不同时刻的位移，绘制不同掘进速率土体横向沉降曲线，见图10、图11。由上图可知，先行隧道和后行隧道掘进过程中监测断面不同时刻横向沉降曲线变化规律相似，即沉降曲线呈现凹槽形，先行整体沉降偏向先行隧道，各时刻沉降最大位置出现在先行隧道附近；后行整体沉降偏向后行隧道，各时刻沉降最大位置出现在后行隧道附近。盾构机在监测断面B前后9 m范围内掘进时，横向分层沉降受掘进施工影响较大。

对比先行隧道与后行隧道可知，盾构掘进对后行隧道监测点造成的沉降明显大于对先行隧道监测点的沉降，分析认为先行隧道掘进过程中也会对后行隧道范围内的土体产生扰动，后行隧道掘进后，这部分土体再次受到扰动，故后行隧道沉降值偏大。

图8 先行隧道不同掘进速率不同深度测点沉降时程曲线

图9 后行隧道不同掘进速率不同深度测点沉降时程曲线

图10 不同掘进速率先行隧道监测面横向沉降曲线

图11 不同掘进速率后行隧道监测截面横向沉降曲线