盾构施工中地层变形及施工参数影响的数值分析

朱永祥1，管红兵1，沈晨姝2 

 

Numerical Analysis of Ground Deformation and Influence of Construction Parameters

in Shield Tunnel Construction 

Zhu Yongxiang1, Guan Hongbing 1, Shen Chenshu2

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盾构施工中地层变形及施工参数影响的数值分析

朱永祥1，管红兵1，沈晨姝2

（1.滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000；2.安徽电力设计院有限公司，安徽 合肥 230000）

摘 要：地铁盾构施工对沿线土层地表产生扰动影响，诱发地表沉降变形。以合肥轨道交通5 号线为研究背景，应用FLAC3D 软件，构建了盾构隧道模型，对盾构机推进过程进行模拟，分析了地铁盾构施工中地表沉降变形的规律、特点，在此基础上，通过改变施工参数，模拟分析影响地表沉降变形的变化规律。

关键词：盾构施工；扰动影响；地层变形；FLAC3D 软件；模型构建；数值模拟；施工参数

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Numerical Analysis of Ground Deformation and Influence of Construction Parameters

in Shield Tunnel Construction 

Zhu Yongxiang 1, Guan Hongbing 1, Shen Chenshu 2

（1. Chuzhou PolyTechnic, Chuzhou, Anhui 239000; 2. Anhui Electric Power Design Institute Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000）

Abstract： The construction of subway shield tunneling has a disturbance effect on the soil and surface along the line, inducing surface settlement and deformation. Taking Hefei Metro Line 5 as the research background, a shield tunnel model was constructed using FLAC3D software. The propulsion process of the shield machine was simulated, and the laws and characteristics of surface settlement deformation during subway shield construction were analyzed. Based on this, the variation laws affecting surface settlement deformation were simulated and analyzed by changing construction parameters.

Key Words：Shield tunneling construction; Disturbance effects; Formation deformation; FLAC3D software; Model construction; Numerical simulation; Construction parameters

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0 引言

随着经济社会发展和城镇化建设的持续推进，城市发展所面临的交通拥堵、汽车尾气排放等问题也日益突出。发展大运距、速度快、载客量大的轨道交通是改善我国城市环境和实现城市可持续发展的首选之路。城市轨道交通的线路敷设方式有地面、高架和地下3 种。一般而言，在规划轨道交通线路时，基本会考虑穿越城市中心地段，以便最大程度地方便市民出行。受建造地域环境的限制，市区内的轨道交通往往以地下隧道形式为主^［1］。地下隧道的施工方法有明挖法、暗挖法、盾构法等。盾构法是指利用盾构机完成隧道暗挖施工，实现地下隧道贯通的施工方法。与传统的地下隧道施工方法相比，盾构法具有对地面交通影响小，自动化程度高，施工快速、优质、高效、安全、环保的特点，因此已经成为修建轨道交通地下隧道的一种常用施工方法^［2-3］。

虽然盾构法施工在暗挖隧道中具有较多优势，但施工过程中也存在着不可忽视的风险问题，其中较为典型的风险问题就是盾构机工作时对所穿越土层产生的扰动影响。由于盾构机推进时，对所穿越的土层产生扰动，会破坏土体的稳定性结构体系，导致土体应力发生重组，进而引发土体变位，最终表现为沿线地表发生沉降或隆起变形。严重的沉降或隆起变形还会传递，影响沿线周边地面建筑及地下管线，并对建筑基础和管线产生破坏。因此，对盾构施工中的土体变位移动展开研究，对于控制工程事故风险发生具有重要意义。

合肥轨道交通5 号线祁门路站至高铁南站盾构区间左线（全长727.65 m）隧道主体结构最大埋深为33.56 m，采用土压平衡式盾构机掘进作业。施工线路主要位于城市主干道下方，地下管线及周边建筑较多，地下管线较复杂。根据设计文件及地勘文件，该区间隧道设计参数如下：隧道外径（含管片衬砌）为6.0 m，隧道净空内径为5.4 m，衬砌管片厚度为0.3 m，每环管片长度为1.5 m，由6 块预制混凝土管片通过拼接而成。该区间隧道所经过土层主要为黏性土，地下水量较小。

本文以合肥轨道交通5 号线为背景，针对盾构施工产生的风险问题，采用FLAC3D 软件对盾构机推进过程进行数值模拟，分析盾构施工过程中沿线地层的变位规律，以期为防范风险、降低风险提供技术思路。

1 基于FLAC3D 软件的盾构推进施工模拟

1.1 模型构建与参数赋值

美国ITASCA 公司研发的FLAC3D 5.0 数值模拟软件能开展土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，被广泛应用于岩土工程领域。本研究应用FLAC3D 5.0 完成盾构机隧道模型的构建，建模思路如下：（1）由于该隧道结构左右对称，只需要对其中1／2 的部分构建模型即可，这样不仅可以提高建模效率，也能确保模型计算结果的准确度。（2）根据有关研究经验，在盾构机推进过程中，对沿线所穿越土层的影响范围在横向边界上，一般可达到隧道直径的3～4 倍；在竖向边界上，向下影响土层深度可达到隧道直径的3 倍左右。本研究所建立的三维模型尺寸分别为横向 （X 方向）36 m、纵向（Y 方向）60 m、竖向（Z 方向）38 m。（3）对模型的6 个端面分别设置不同的约束条件，除模型顶面为自由面外，其余6 个端面均予以位移约束限制，以控制模型在计算过程中的发生变形^［4］。

由于该隧道工程处于城市主干道下，地面交通量较大，为真实反映地面交通产生的超载对模拟过程的影响，按照20 kPa 均布荷载的作用方式施加在模型表面。建模时，对土体实体单元赋予库伦-摩尔本构模型，对盾构外壳、注浆层以及衬砌管片等实体单元赋予弹性本构模型。所建FLAC3D 模型如图1 所示。

 

图1 盾构隧道FLAC3D 三维模型
Fig.1 3D model of shield tunnel FLAC3D

1.2 工况设置

盾构机推进过程包括土体开挖、管片安装以及同步注浆等循环步骤。在对盾构施工过程进行模拟时，设置了如下工况条件^［5］：

（1）盾构机向前掘进一环，即一个管片宽度的距离（1.5 m），然后在前方掌子面上施加压力，平衡土仓压力；

（2）隧道开挖环周边由盾构机壳体临时支撑，将盾构机壳体的弹性本构模型设置为大刚度；

（3）盾构机继续向前推进，进入下一环时，通过改变材料参数，将上一环的盾构机壳体转换成与混凝土管片相应的刚度，并在盾尾处同步施加环向注浆压力；

（4）按照上述步骤循环，直至隧道完全贯通。

1.3 模拟结果分析

1.3.1 隧道周边土体位移变形分析

盾构机推进时，对隧道周边土体产生一定扰动，土层内原有的稳定状态被打破，隧道周边土体将向隧道挖空区域产生位移变形。随着盾构机向前持续推进，隧道周边土层变形的发生状态、变形值的大小以及最大变形值产生的部位等与盾构机推进到达的位置、历经的时间等有关，即表现出空间效应和时间效应的特征规律。研究表明，当盾构机开始推进时，隧道周边土体位移变形较小。当盾构机向前推进至Y=30 m位置时，即盾构机到达隧道中段，隧道周边土体竖向位移如图2 所示。由图2 可知，盾构机到达隧道中段时，隧道周边土体发生最大沉降变形的位置处于隧道顶同步注浆层的上方，最大沉降量为27.75 mm，隧道周边土体产生最大隆起变形量的位置则发生在隧道底下方，最大隆起变形量为28.97 mm。当盾构机完成推进，即隧道贯通时，隧道周边土体竖向位移如图3 所示。由图3 可知，随着盾构机的推进，隧道周边的土体变形量继续加大，最大沉降量产生的位置依然在隧道顶同步注浆层上方，隧道贯通时的最大沉降量为35.28 mm，最大隆起位置同样还是出现在隧道底下方，对应最大隆起量为28.75 mm。分析隧道周边土体的竖向位移变化速度可知，在盾构机推进过程中，虽然隧道周边土体变形量呈现持续增加的趋势，但相比于盾构机在隧道前半段（Y=0～30 m）的推进，其在隧道后半段（Y=30～60 m）推进时隧道周边土层沉降或隆起变形量的变化速率有所收敛。这说明了盾构管片衬砌以及完成的注浆层已对隧道周边土体形成了预期支撑作用，产生了有效控制土层变形的作用。

 

图2 盾构机推进至Y＝30 m 时对应土层的竖向位移云图
Fig.2 Vertical displacement cloud map of corresponding soil layer of shield machine advancing to Y＝30 m

 

图3 隧道贯通时对应土层的竖向位移云图
Fig.3 Vertical displacement cloud map of corresponding soil layer of tunnel connected

1.3.2 地表横向沉降规律分析

关于地表横向沉降规律，Peck 通过分析大量实际工程的地表沉降观测数据，提出了著名的Peck 公式。Peck 认为，在均质土层，在不排水情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽体积应等于地层损失的体积，他还绘制了地表沉降的横向分布曲线，如图4 所示。该曲线可以近似看成一条正态分布曲线^［6］。

 

图4 Peck 横向沉降槽曲线
Fig.4 Peck earth surface horizontal settler curve

为了验证Peck 关于地表横向沉降曲线理论，本研究在盾构机推进至Y＝30 m 处时，记录下该断面地表横向不同位置相应的沉降变化云图（如图5 所示）。这里以隧道中心为基准，向右依次按照2.5 m的间隔设置若干个监测点，提取这些监测点的FLAC3D 监测数据，再利用Origin 软件绘制出该断面地表横向沉降变化拟合曲线，并将其与地表实际监测结果进行对比，如图6 所示。

 

图5 Y＝30 m 断面横向不同位置地层竖向位移云图
Fig.5 Vertical displacement cloud map of different positions of Y=30 m cross section

 

图6 FLAC3D 数值模拟计算值与实测地表沉降实测值对比
Fig.6 Comparison of FLAC3D numerical simulation values and measured earth surface settlement values

由图5 和图6 可知，当盾构机推进至Y＝30 m处时，监测断面的地表横向沉降变形总体表现为正态分布曲线，随着监测点远离隧道中心，沉降量呈逐步变小的趋势，最终保持稳定，地表沉降最大点位于隧道中心顶地表面。需要说明的是，由于研究时，仅取隧道结构的1／2 部分建模，因此，所提取到的地表横向沉降曲线为半幅正态分布曲线，另半幅的正态分布曲线与此曲线对称。这同Peck 提出的地表横向沉降曲线规律基本一致。另外，从地表横向沉降变形曲线看，在距离隧道中心20 m 的位置，地表沉降量近乎为零。这说明，盾构机推进对周边地表存在一定范围的影响，超过这个影响范围，地表几乎没有沉降变形发生，即说明盾构机推进不会影响到这些范围以外的地表、建筑物及地下管线，这个影响界限一般为隧道直径的3～4 倍。

1.3.3 地层纵向变形趋势及特征

地层纵向变形反映盾构机推进至不同进尺时地层的变形规律。随着盾构机向前不断推进，诱发地层发生沉降变形，地层的沉降变形与盾构机推进的空间位置有关，还与其推进的时间有关，即表现为时间效应和空间效应。根据盾构机推进过程中地层变形的特征，可以将地层变形分成初始阶段、发展阶段和趋缓阶段^［3］。初始阶段主要指盾构机开始推进至刀盘即将达到监测断面所在位置时地层发生的沉降变形。由于盾构机推进过程中扰动隧道周围土层，推进力作用于土体上并传播影响到刀盘前方土体，随着刀盘与监测断面的距离逐渐变小，这部分沉降量将缓慢增加。发展阶段主要指盾构机推进到监测断面，并通过监测断面继续向前推进。该阶段地表沉降量增加较大，主要是因为盾构机在通过监测断面后，盾尾部位土体因为脱离了盾构外壳的保护，形成了瞬时空隙，隧道周围土体向空隙变位，由此导致了地表沉降的瞬时增大，后期可以通过盾尾同步注浆，控制空隙的进一步发展，进而减缓地表沉降量的增加速度。趋缓阶段主要为盾构机已经逐步远离监测断面。这时，虽然地表沉降量仍有继续增加的趋势，但是量变速度相对减缓，并逐步减小到零，地表沉降也趋于稳定。地层变形增加速度变缓是因为盾构管片和注浆体发挥了预期的支撑作用，有效抑制了地层的变形。由此可见，在盾构施工过程中，除了盾构机推进扰动土体以及盾尾脱离土体产生瞬时空隙，导致地表沉降外，土体还随着时间推移产生次固结沉降。

图7 为盾构机推进到不同进尺时的地表沉降曲线。

 

图7 盾构推进至不同位置时的地表沉降曲线
Fig.7 Earth surface settlement curves of shield machine advancing to different positions

由图7 可知，随着盾构机的推进，监测位置地表沉降开始由零逐渐增加。当盾构机推进到监测断面处时，地表沉降量瞬间增加。当盾构机通过监测断面后，地表沉降量继续增加，但是增速变缓，最终地表沉降量保持稳定。

2 盾构机推进施工参数对地层变形的影响分析

通过上述模拟分析可知，在盾构机在推进过程中，会扰动土体，诱发土层变位以及地表沉降变形。影响地层变形沉降的因素很多，除了土体力学性质外，主要影响因素为盾构机推进施工参数，如盾构推进压力、盾构推进速度、同步注浆压力和注浆量等。它们都将不同程度地影响地表沉降。本研究主要以盾构推进压力和同步注浆2 项施工参数为例，进行影响分析。

2.1 盾构机推进时刀盘压力对地表变形的影响分析

在盾构机推进时，为保持掌子面土体稳定，需要在盾构机刀盘上施加压力，用来平衡土体压力。当刀盘施加的压力与土体压力一致时，掌子面土体将保持稳定；当刀盘施加的压力与土体压力存在力差时，掌子面前方土体将发生沉降或隆起变形。为了验证刀盘施加的压力与土体压力之间的平衡关系，我们应用FLAC3D 软件模拟出不同刀盘压力下掌子面前方土体的变形情况。本研究设定0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa、0.25 MPa 5 种不同的刀盘压力，实施盾构机推进过程模拟，分别记录当盾构机推进至Y＝30 m 处时的地表沉降量，并绘制纵向地表沉降曲线图，如图8 所示。

 

图8 不同刀盘压力对应的地表纵向沉降曲线（记录盾构机推进至Y＝30 m 位置）
Fig.8 Earth surface longitudinal settlement curves of different cutter pressures （position record of shield machine advancing to Y＝30 m）

由图8 可知，刀盘压力为0.05 MPa 时，地表沉降变形最大；随着刀盘压力的增加，地表沉降变形减小，但当刀盘压力大于0.2 MPa 时，掌子面前方土体则出现了向上隆起的变形特征。由此说明，在盾构机推进过程中，刀盘压力参数的设定值对地表变形有明显影响，当刀盘压力参数较小时，无法有效平衡掌子面土体压力，导致地表发生较大沉降变形；增加刀盘压力，可以有效改善地表沉降变形；当刀盘压力增大到一定值后，则有可能超过掌子面土体压力，又会导致掌子面前方地表发生隆起变形。因此，刀盘压力值需要根据掌子面土体压力计算确定。在本研究中，当刀盘压力为0.15 MPa 时，盾构机施工性能表现良好。

2.2 盾尾同步注浆压力值的设定对地层变形的影响分析

根据前面所述，盾尾空隙的出现引起隧道土体应力重新分布，进一步加大了土层的沉降变形。为了抑制空隙变形，需要在安装管片时，同时进行注浆操作。若注浆压力过小，依然会引起隧道周边土体的继续变位，但注浆压力过大，又会造成盾构管片损坏或发生地表隆起、注浆渗漏等问题。为了掌握不同注浆压力下地层沉降变形的规律，本研究设置了0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa、0.25 MPa 和0.30 MPa5 种不同的注浆压力，模拟在不同注浆压力作用下地表的沉降变化。盾构机推进到Y＝30 m 处时，记录地表的沉降量，并绘制地表沉降曲线，如图9 所示。

 

图9 不同注浆压力时地表纵向沉降曲线（记录盾构推进至Y＝30 m 位置）
Fig.9 Earth surface longitudinal settlement curves of different grouting pressure （position record of shield machine advancing to Y＝30 m）

由图9 可知，随着注浆压力的增加，地层沉降量逐渐减小，盾构机推进至Y＝30 m 处时，当注浆压力从0.10 MPa 增加到0.30 MPa，地层最大沉降量由24.9 mm 减小到11.5 mm，减小了53.8%。由此可见，注浆压力的改变对地表沉降量的影响较为明显。

3 结语

本文研究了单线隧道盾构机推进过程中，地表的横向沉降变形和纵向沉降变形规律、特点，验证了Peck 理论关于地表沉降槽的分布曲线，并通过模拟不同施工参数条件下地表沉降变形的变化特点，分析了施工参数选择对控制地表变形的重要性，得出以下结论。

（1）盾构机推进打破隧道周边一定范围内土体应力平衡，导致隧道周边土体发生不同程度的位移变形或沉降或隆起，最大沉降量产生在隧道顶，最大隆起量则产生在隧道底。

（2）隧道周边的土体变位又影响到地表沉降，地表沉降的变化特点具有时间效应和空间效应，具体表现在盾构机处于不同的推进阶段，对应发生不同程度的沉降变形。当盾构机推进至某一位置时，地表横向沉降变形同地面点位相对隧道中心的空间位置有关，表现为Peck 曲线形态。

（3）在盾构机推进过程中，刀盘压力和同步注浆压力设定值会影响地表的沉降变形，可以通过FLAC3D 软件模拟，确定较为适宜的施工参数。

（4）通过分析对比实测数据和模拟计算值，监测结果与计算结果在反映地表变形规律及特点方面基本相同。因此，在工程实践中，可借助数值模拟软件优化施工参数。

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参考文献：

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  ［1］李兵，孙威，周博，等.盾构及暗挖法施工相关影响现场监测及有限元分析［M］.北京：中国建筑工业出版社，2019：1-4.

［2］陈馈，焦胜军，冯欢欢.盾构法施工［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2021：1-2.

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［5］王涪.地铁盾构施工技术对地层变形影响的数值模拟［D］.锦州：辽宁工业大学，2018：29-33.

［6］赵国强，王涛，刘谨豪.南昌砂土地层盾构隧道地表沉降特性研究［J］.上海建设科技，2021（1）：6-11.

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[责任编辑 杨明庆]