盾构施工参数对土体及单桩的影响

王丽，杨文彬，武钰翔，郑刚

(1. 大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028；2. 天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

盾构施工参数对土体及单桩的影响

王丽1，杨文彬1，武钰翔1，郑刚2

(1. 大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028；2. 天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟盾构施工，通过变化注浆压力及推进力研究盾构施工对周边土体及单桩基础的影响. 增加注浆压力是减小盾构推进对周围土体影响的最有效的措施. 当注浆压力足够大，推进力、盾尾脱离及浆液硬化对土体的影响程度相同. 若使隧道顶点的沉降及隧道底部土体的回弹减小相同的数量，底部注浆孔的压力要大于顶部注浆孔的压力. 当推进力大于临界值时，推进力对隧道周边土体的影响明显增加. 隧道周边及地表处各点的位移变化主要发生在盾构机通过这些点所在位置时，衬砌生成后，随后的开挖步对其影响很小. 桩侧隧道洞室衬砌生成后，随后开挖步施加的注浆压力可以明显减小桩顶沉降，注浆压力越大，桩顶最终沉降越小. 推进力对桩顶沉降影响不明显. 盾构施工引起的桩顶和桩底的沉降始终相同，即桩整体下沉. 桩顶无荷载及桩顶施加工作荷载时，开挖引起的桩顶沉降相同；桩顶施加极限荷载时，开挖引起的桩顶沉降明显增加.

盾构法；施工参数；注浆压力；推进力；盾尾脱离

0 引言

盾构施工对周边环境的影响一直是工程界十分关心的问题. 盾构施工对周边环境的影响涉及的因素相当复杂，主要包括盾构机的刀盘开口率、刀盘旋转扭矩、刀盘转速、盾构机推进速度、推进力、土舱压力等等. 国内外学者对这些因素进行了研究.王洪新[1]系统分析了土压平衡盾构刀盘扭矩的影响因素,推导了较为严密的刀盘扭矩计算公式. 朱合华[2-3]开展了不同埋深、不同刀盘开口率、不同推进速度以及不同螺旋机转速等情况下的盾构掘削模型试验，研究成果用于指导软土地层盾构隧道的设计. 林存刚[4]研究杭州庆春路过江隧道施工中泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响. 方勇[5]对土压平衡式盾构隧道掘进的施工过程进行模拟，考虑了盾构机作用、盾尾空隙及注浆的影响、后方台车重量等因素. 张厚美[6]应用正交试验设计技术进行盾构掘进参数组合试验，

对土仓压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影响进行了研究. 李向红[7]尝试对盾构掘进过程中土舱内外土压力的相关关系、刀盘扭矩和推力的变化及其影响因素进行了试验研究. KAZUTITO[8]利用有限元方法模拟盾构施工研究隧道开挖对土体的影响.

已有的研究分别侧重了盾构推进的不同参数，研究成果还不够系统. 应当抓住盾构施工中的主要影响因素，得到更简便易行的方法来指导工程实践.笔者[9]采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法较好的模拟天津市地铁一号线盾构施工[10]. 在文献[9]的基础上，本文通过变化盾构机推进过程的参数(主要是推进力和注浆压力)研究盾构施工对周边土体及单桩基础的影响.

1 有限元模型

土层的分类、厚度及土体参数见文献[9]中的图2，土体采用修正剑桥模型(modified critical state(clay)plasticity model)，各土层的参数λ、k、M值见文献[9]中的表1.土体的三维有限元模型见文献[9]中的图3.土体顶部不受任何约束，4个侧面限制与该面垂直方向的位移，底部限制竖向及两个水平方向的位移.

衬砌外径为6.2m，厚0.35m，衬砌的弹性模量为2.85×104MPa，泊松比为0.2. 预制桩桩长12m，直径0.5m，弹性模量为3×104MPa，泊松比为0.2.

隧道洞室内表面的土体、注浆层和衬砌之间采用“tie”的连接方式. 桩、土之间采用库仑摩擦(Coulombfriction)模型，接触面间的摩擦系数为0.2. 土体体积损失率为6.15%.

2 盾构开挖模拟

本文模拟10个开挖步，步长4m，共开挖40m. 每个开挖步分为四个阶段：盾构机与土体之间的相互作用、土体开挖、盾尾脱离和注浆硬化.

2.1 盾构机与土体之间的相互作用

盾构机推进过程中，盾构机施加在土体上的作用力主要有以下三个方面[8]：盾构机的推进力，以均布压应力p施加在拟开挖土体表面，见图1(a)；盾构机刀盘转动时对拟开挖土体表面的切削力，以逆时针均布剪应力τ施加在拟开挖土体表面，见图1(b)；盾构机推进过程中盾构机身与洞室内表面土体之间的摩擦力，以均布剪应力f施加在洞室内表面土体上，见图1(c).

图1 盾构机施加在土体上的作用力

2.2 土体开挖

利用ABAQUS的单元生死技术模拟土体开挖，将一个步长的土体挖掉，相应的推进力p、剪应力τ消失. 取消洞室内表面土体上的摩擦力f，同时施加均布注浆压力p′，见图1(d).

利用单元生死技术使对应一个开挖步长的衬砌(外径6.2m，厚度0.35m)和注浆层(外径6.39m，厚度0.095m)生成.

2.3 盾尾脱离

取消在隧道洞室内表面土体上施加的注浆压力p′. 由于此时浆液尚未硬化，注浆层的弹性模量很小，取1.27kPa，用来模拟盾尾脱离阶段衬砌与土体之间的间隙.

2.4 注浆硬化

注浆材料逐渐凝固，强度不断增加. 最终注浆材料的弹性模量为1.27MPa，泊松比为0.28.

3 隧道开挖对土体的影响

3.1 变化注浆压力

采用表1中第1组参数的有限元分析结果[9]与天津市地铁一号线盾构施工监测结果[10]接近.

表1 盾构机施加在土体上的作用力

采用表1中第1组的参数得到第5步开挖过程中隧道周边土体各点(a、b、c、d)的沉降量、回弹量及侧移，见表2. 其中a、b、c、d位于第5步开挖土体对应的隧道周边的土体上，见图2.

表2 土体沉降、回弹及侧移(p′=70 kPa)

(a) 隧道横断面图

(b) 隧道纵断面图

表2中“kw5-1～kw5-4”依次表示第5步开挖的四个阶段，即盾构机与土体之间的相互作用、土体开挖、盾尾脱离和注浆硬化. “a-u3”表示a点沿坐标轴3方向的位移，即a点的沉降，单位为mm. 其它符号含义可类推. 数值为各阶段引起的土体的沉降、回弹及侧移量，正值表示与坐标轴方向一致，负值表示与坐标轴方向相反.

由表2可以看出，第二阶段(土体开挖)引起的隧道顶部的沉降(a-u3)、隧道底部的回弹(c-u3)及隧道左、右两侧的侧移(b-u1和d-u1)均明显大于其它三个阶段. 表2中最后一列为第二阶段的位移变化量占四个阶段总变化量的百分比. 这说明盾构推进过程中，第二阶段(土体开挖)对周围土体产生的影响最大. 因此，调整注浆压力p′是减小盾构推进对周围土体影响的最有效的措施.

取表1中第2组的参数分析得到第5步开挖过程隧道周边土体各点的沉降量、回弹量及侧移见表3. 表3中百分数为此阶段的位移变化量占四个阶段总变化量的百分比.

由表3可以看出，当注浆压力p′由70kPa增加至150kPa，第二阶段(土体开挖)引起的隧道顶部的沉降(a-u3)、隧道左、右两侧的侧移(b-u1和d-u1)均明显减小. 但是，隧道底部的回弹(c-u3)减小不明显，第二阶段(土体开挖)土体回弹量占总变化量的50%. 为此，保持隧道上半部分的注浆压力p′=150kPa不变，将隧道下半部分的注浆压力p′增加至200kPa(表1中第3组)，得到的各点的沉降量、回弹量及侧移见表4.

表3 土体沉降、回弹及侧移(p′=150 kPa)

表4 土体沉降、回弹及侧移(p′=150+200 kPa)

当隧道下半部分的注浆压力p′增加至200kPa后，第二阶段(土体开挖)土体回弹量由11.23mm减小至4.86mm，占总回弹量的百分比由50%减小为23%. 因此，适当增加隧道底部注浆压力可以更好的控制隧道底部土体的回弹量.

表3、4说明当注浆压力足够大，由第二阶段(土体开挖)引起的隧道周边土体的位移变化量很小，其余三个阶段的位移变化量比较接近，其中第一阶段(盾构机与土体之间的相互作用)引起的位移变化量略大于第三、四阶段的.

3.2 变化推进力

变化推进力p，取表1中4、5、6组参数进行模拟，研究推进力对土体位移的影响. 图3为10步开挖过程中隧道周边(a～d点)及地表处(e、f点)土体沉降或回弹曲线.

当推进力p为150kPa和300kPa时，在10步开挖过程中，隧道周边(a～d点)及地表处(e、f点)土体位移均相同.

(a)a、c点

(b)b、d点

(c)e、f点

当推进力p增加为500kPa时，第5个开挖步结束后，隧道周边(a～d点)的土体位移开始明显减小：a点最终沉降量和c点最终回弹量分别减小了24.3、17.2mm；较大的推进力使得最终b、c点分别向左、右两侧扩张；地表处(e、f点)土体最终沉降和侧移分别减小2.78、2.35mm.

第一阶段推进力施加在即将被开挖的土体上，较大的推进力使隧道周边土体产生向四周的扩张变形，随后的第二阶段(土体开挖)是在扩张变形的基础上进行的，所以当推进力为500kPa时，隧道周边土体的最终位移明显减小. 由于地表处土体与隧道之间有一定的距离，土体位移受到的影响较小.

当推进力p为150、300、500kPa时，第5步的第二阶段(土体开挖)引起的a点沉降量分别为21.07、25.87、29.13mm；c点回弹量分别为19.8、21.15、23.62mm；b点侧移分别为14.07、17.44、23.12mm；d点侧移分别为14.3、17.57、23.04mm. 不同推进力时，第二阶段(土体开挖)引起的u3的变化量基本相同，u1变化量随着推进力增加明显增加.

由图3可知，盾构推进过程中，隧道周边土体(a～d)各点的位移变化主要发生在第5步(即盾构机通过这些点所在位置时)，1～3步及6～10步开挖对其影响很小；地表处土体(e、f)各点的位移变化主要发生在1～6步，7～10步开挖对其影响可以忽略.

图4 土体位移曲线

图4为10步开挖结束后隧道周边(a～d点)及地表处(e、f点)各点位移随推进力的变化规律. 随着推进力增加，隧道最终的顶点沉降(a-u3)和底部的回弹(c-u3)减小，隧道左侧位移(b-u1)由向隧道中心内缩变为向外扩张. 推进力增加时，地表处各点的沉降(e-u3)及侧移(f-u1)无明显变化.

4 隧道开挖对单桩的影响

首先在桩顶逐级施加竖向工作荷载，然后再进行10步盾构开挖. 桩长12m的预制桩的工作荷载为215kN[9].

4.1 变化注浆压力、推进力

图5为变化注浆压力时，开挖过程中的桩顶沉降曲线. 桩位于第5步开挖土体一侧，桩距离隧道中心为8m，见图2.

图5 桩顶沉降曲线

增加注浆压力可以明显减小桩顶沉降. 对于注浆压力为150kPa及注浆压力150+200kPa两种情况：前4步开挖桩顶沉降增加，在随后的开挖过程中桩顶沉降逐渐减小. 这是由于第5步完成后，桩侧隧道洞室内衬砌生成，随后开挖步的土体开挖引起的沉降对桩顶沉降影响很小，而随后开挖步施加的注浆压力可以减小桩顶沉降，注浆压力越大，桩顶最终沉降越小.

随着推进力增加桩顶沉降略有增加：推进力为150kPa和300kPa时，桩顶最终沉降为-11.25mm；当推进力为500kPa时，桩顶最终沉降为-9.37mm. 推进力对桩顶沉降影响不明显.

在变化注浆压力、推进力的各组模拟中，盾构施工引起的桩顶和桩底的沉降始终相同，隧道开挖使桩整体下沉.

4.2 变化桩顶竖向荷载

图6为桩顶作用不同竖向荷载时桩顶沉降曲线. 图中桩顶沉降完全是由盾构开挖引起的，施加竖向荷载引起的桩顶沉降已被扣除.

图6 桩顶沉降曲线

当桩顶施加不同竖向荷载时(桩顶荷载为0kN和工作荷载215kN)，盾构开挖引起的桩顶沉降十分接近，分别为-10.25、-11.25mm. 当桩顶施加极限荷载430kN时，盾构开挖引起的桩顶沉降明显增加，为-16.90mm.

图7为完成第5步开挖时桩两侧的土压力分布图. 桩侧土压力与桩身变形密切相关，由于不同竖向荷载作用下盾构开挖引起的桩身侧移相同[9]，因此桩侧土压力也完全相同.

图7 桩侧土压力分布图

图8为完成第5步开挖后桩两侧的侧摩阻力分布图. 开挖引起土体应力释放，影响桩侧摩阻力的发挥. 极限荷载作用下，为了与桩顶较大的竖向荷载相平衡，桩两侧要发挥出更大的侧摩阻力. 当桩两侧土压力相同时，对于摩擦桩，桩身要产生较大的沉降才能发挥出更大的桩侧摩阻力. 因此，如图6所示，极限荷载下开挖引起的桩顶沉降明显增加.

图8 桩侧摩阻力分布图

5 结论

本文通过变化推进力和注浆压力研究盾构施工对周边土体及单桩基础的影响.

(1)增加注浆压力是减小盾构推进对周围土体影响的最有效的措施. 当注浆压力足够大，其余的施工参数如推进力、盾尾脱离及浆液硬化对土体的影响程度相同. 若使隧道顶点的沉降及隧道底部土体的回弹减小相同的数量，底部注浆孔的压力通常要大于顶部注浆孔的压力;

(2)推进力存在一个临界值，当大于此临界值时，推进力对隧道周边土体的影响明显增加. 对于本文的隧道埋置深度及土体情况，变化推进力对地表的影响可以忽略. 隧道周边及地表处各点的位移变化主要发生在盾构机通过这些点所在位置时，由于衬砌生成，随后的开挖步对其影响很小;

(3)桩侧隧道洞室衬砌生成后，随后开挖步施加的注浆压力可以明显减小桩顶沉降，注浆压力越大，桩顶最终沉降越小. 推进力对桩顶沉降影响不明显. 对于本文的模型，在变化注浆压力、推进力的各组模拟中盾构施工引起的桩顶和桩底的沉降始终相同，即桩整体下沉;

(4)桩顶无荷载及桩顶施加工作荷载时，开挖引起的桩顶沉降相同；桩顶施加极限荷载时，开挖引起的桩顶沉降明显增加.

[1]王洪新. 土压平衡盾构刀盘扭矩计算及其与盾构施工参数关系研究[J]. 土木工程学报,2009,42(9): 109-113.

[2]朱合华，徐前卫，廖少明，等. 土压平衡盾构法施工参数的模型试验研究[J]. 岩土工程学报,2006,28(5): 553-557.

[3]朱合华,徐前卫,郑七振,等. 软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究[J]. 土木工程学报,2007,40(9): 87-94.

[4]林存刚，张忠苗，吴世明，等. 泥水盾构掘进参数对地面沉降影响实例研究[J]. 土木工程学报,2012,45(4): 116-126.

[5]方勇,何川. 考虑施工过程的土压平衡式盾构隧道掘进数值分析[J]. 铁道工程学报,2009,11: 56-60.

[6]张厚美,吴秀国,曾伟华. 土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(增2)：5762-5766.

[7]李向红，傅德明. 土压平衡模型盾构掘进试验研究[J]. 岩土工程学报,2006,28(9): 1101-1105.

[8] KAZUTITO KOMIYA,KENICHI SOGA,HIROKAZU AKAGI. Finite Element Modelling of Excavation and Advancement Processes of a Zhield Tunnelling Machine[J]. Soils and Foundations,1999,39(3): 37-52.

[9]王丽,郑刚. 盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析[J]. 岩土力学,2011,32(增刊1):704-712.

[10]姜忻良,崔奕,李园,等. 天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟[J].岩土力学，2005,26(10):1612-1616.

Effects of Shield Driven Parameters on Surrounding Soils and Single Pile with Finite Element Method

WANG Li1,YANG Wenbin1,WU Yuxiang1,ZHENG Gang2

(1. School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.MOE Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety，Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Pressures and shearing forces are enforced on the soils to simulate the real reactions between shield driven machine and surrounding soil during tunneling. The effects of shield driven on surrounding soils and single pile are studied with the variations of the thrust force and grouting pressure. The most effective way of reducing the effect of shield driven is increasing the grouting pressure. When the grouting pressure is large enough,the effects from thrust force,tail departing and hardening of slurry are simllar. In order to make the same reduction in settlement on the top of tunnel and the rebound at the bottom of tunnel,the grouting pressures of the grouting whole at the bottom need to be greater than those on the top. When the thrust force is larger than the threshold value,the effects of shield driven on the surrounding soils increase apparently. The main variations in displacements in the soils happen when driven machine just passes by,and the effect from the subsequent excavation steps are neglectable on account of the installation of lining. For single pile,the settlements at pile head decrease apparently due to the grouting pressure from the subsequent excavation steps,and the greater the grouting pressure is,the smaller the settlement at pile head. The effect of thrust force on the piles can be neglected. The settlements at pile head and tip are always the same during driven process. The settlements at pile head are identical when the loads applied are smaller than the working load. The settlements at pile head increase obviously when the extreme load is enforced.

shield driven;working parameters;pressure of grouting;thrust force;tail departing

1673- 9590(2015)01- 0058- 06

2013-12-22

国家自然科学基金资助项目(51208071)

王丽(1974-)，女，一级注册结构工程师，博士，主要从事岩土工程教学与研究 E- mail:jiaoda_tina@163.com.

A