1、隧道开挖面土压力取值对地表变形的影响摘要：土压平衡盾构机被广泛应用于地铁隧道施工中，其对地表及周围环境的影响特别是地面沉降及由此产生的问题受到广泛重视。本文利用有限元分析软件 ABAQUS 进行建模，并编程嵌入土的应力路径本构模型，以北京地铁 10 号线二期工程 02 号合同段地铁隧道工程为背景，分析盾构施工引起的地表沉降规律及隧道周围土体移动规律，并与实际监测结果相比较，验证了有限元数值分析模型的合理性。 关键词：数值模拟；掌子面压力；地表沉降。 中图分类号：TU196.2文献标识码： A 文章编号： 1 前言 土压平衡盾构施工工法具有施工机械化程度高、对周围环境影响小，施工快速等优势，近年
2、在地铁、电力、通信、输气、共同沟以及地下道路的隧道施工中得到广泛应用尹旅超，朱振宏，李玉珍，等译.日本隧道盾构新技术M.湖北华中理工大学出版社. 1999.。但在施工过程中也出现了许多事故，如地层扰动引起的地面塌陷及周围建构筑物的损坏等。故研究和预测盾构掘进对周围环境的影响，特别是地面沉降的控制问题一直是研究热点之一。在盾构隧道施工过程中，很多因素会影响地表沉降张云， 殷宗泽， 徐永福. 盾构法隧道引起的地表变形分析J .岩石力学与工程学报. 2002， 21(3):388-392.PECK R. B. Deep excavations and tunneling in soft ground
3、 C .Proc 7th Int Conf on Soil Mech and Found Engrg. MexicoCity, 1969:275- 290.如隧道覆土厚度、盾构外径大小、掌子面土压力、地层损失率、地层物理力学性质、施工条件等。 国内外许多学者对隧道开挖引起的地表沉降进行了数值模拟，LambrughiA. Lambrughi, L. Medina Rodrguez, R. Castellanza. Development and validation of a 3D umerical model for TBMEPB mechanised excavationsJ. Comput
4、ers and Geotechnics,2012:97-113.使用 FLAC3D 建立了土压平衡盾构施工开挖的三维模型，分析了施工开挖及土性参数对地表沉降的影响。ZhangZ.X. Zhang, X.Y. Hu, Kieffer D. Scott. A discrete numerical approach for modeling face stability in slurry shield tunnelling in soft soilsJ. Computers and Geotechnics,2011,38:94104.使用 PFC2D 建立隧道开挖模型，考虑并分析了隧道掌子面土压力
5、及隧道覆土厚度对地表沉降的影响，在此基础上深入分析掌子面在特定覆土厚度范围内的极限支撑压力，分析得出指定支撑压力略大于场地初始水平应力时，对于减少地面沉降和变形很有效。ManuelManuel J, Melis Maynar, Luis E, Medina Rodrguez. Discrete numerical model for analysis of earth pressure balance tunnel excavation. J Geotech Geoenviron Eng 2005;131(10):123442.利用离散元 PFC3D 模拟盾构开挖过程，研究了隧道开挖需要的推力
6、及扭矩，分析了这些隧道掌子面的土体稳定性。Valizadeh KiviA. Valizadeh Kivi, M.H. Sadaghiani, M.M. Ahmadi. Numerical modeling of ground settlement control of large span underground metro station in Tehran Metro using Central Beam Column (CBC) structureJ. Tunnelling and Underground Space Technology,2012, 28:19.使用三维有限元数值模拟了
7、地下车站开挖，分析了开挖及注浆对地表沉降的影响。文献魏康林.深圳盾构隧道地层位移与土压力变化规律研究.地下空间与工程学报.2007，3（1）：36-39.应用有限元数值模拟方法对隧道施工引起的地面沉降和土体移动规律进行了分析，验证了其数值分析模型的合理性。但是数值模拟中没有考虑掌子面土压力设定对地表沉降的影响。 本文以北京地铁十号线二期工程 02 号合同段盾构区间隧道为例，基于路德春路德春.基于广义非线性强度理论的土的应力路径本构模型D.北京航空航天大学.2006:85-121.提出的土的应力路径本构模型，应用 ABAQUS 有限元软件模拟隧道开挖，考虑了隧道掌子面压力及地层损失率对地表沉降的
8、影响，与监测数据进行比较，验证了分析模型的正确性。 2 工程实例 2.1 工程概况 北京地铁 10 号线二期工程 02 合同段前泥洼站西局站隧道区间位于丰台区丰管路以南，丰台铁路货运站以北。设计车站中心里程为K42+431，设计起点里程为 K42+365，设计终点里程为 K42+545，盾构施工隧道总长 383m，隧道直径为 6m，埋深为 16m，使用土压平衡盾构施工。地质剖面图如图 1 所示，勘察范围内土层自上而下依次主要为杂填土层、砂质粉土和粘质粉土层、砂卵石夹1 砂质粉土、粘质粉土及2 细中砂层、砂卵石层，土体的物理力学参数如表 1；地下水性质为潜水，水位埋深为 26.56m-27.50
9、m，所以不必考虑地下水位的影响。 图 1 地层剖面图 表 1 土体物理力学参数表 数值模拟区段的主要盾构施工相关参数如下：刀盘扭矩为1413.454920.9KNm，推力为 1043327860KN，土舱中部土压力为0.08MPa，壁后注浆量为 1875L。 2.2 监测布置 工程地表监测点布置 1 和 2 断面间距为 9.9m，2 和 3 断面间距为10m，如图 2。由于第 1 断面为盾构隧道开挖初始位置，会对监测结果产生影响，所以本文中选取第 2 断面监测结果与数值模拟结果进行对比，其中第 2 断面测点布置如图 3。 图 2 工程监测点布置图 3 第 2 断面测点布置 3 数值分析 3.1
10、 计算模型及土体参数 模型采用八节点单元（C3D8）为基本单元类型，共有 5420 个单元。网格划分时，开挖处的单元尺寸最小，周围网格尺寸逐渐变大。根据前文参数，取计算模型参数为：隧道埋深为 16m，隧道直径为 6m，模型尺寸为 40m40m20m，模型边界条件为模型除顶面为自由面外，其余均施加法向约束。隧道开挖几何模型如图 4： 图 4 隧道开挖几何模型 本文使用本构模型参数都具有明确的物理意义，可利用常规试验确定9，数值模拟采用的土体参数如下： 表 2 广义非线性本构模型参数表 3.2 盾构开挖过程模拟及参数设置 在隧道开挖数值模拟中，盾构的前行实际就是盾构刚度和载荷的迁移，在盾首预设单元
11、，采用生死单元方法。所谓生死单元法就是，激活和关闭某一个操作内容，如开挖土体可以通过关闭土体的所有的特性，使其在分析中不起作用，即可实现土体开挖。盾构附属的其他结构包括载荷也必须前行，将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，每次向前推进的长度为一个管片度单元的宽度，实际工程中开挖土体在软件中通过移除相应长度的土体来实现，在开挖过程中，土压平衡盾构土压仓内的土体土压力与掌子面的土压力相平衡，应加上一个梯形的面荷载来模拟，本模型简化为一个均布的面荷载来实现。盾尾管片衬砌和注浆采用控制隧道周边土体位移的方法来实现。 根据实际开挖过程，数值模拟通过四个分析步实现：第一步在需要开挖的土体前方即后来出现的掌
12、子面设置均布的面荷载，模拟实际工程中开挖过程中的情况；第二步移除相应土体；第三步去掉在 1 步中施加的均布面荷载，并在新的掌子面上施加均布面荷载；第四步在开挖完的隧道周围施加位移控制，用以模拟盾构隧道的管片衬砌与同步注浆加固。位移施加量（向隧道内收缩）由地层损失率进行估算。掌子面土压力根据其施工参数，其土舱中部土压力设定为 0.08MPa，模拟中掌子面土压力施加均布荷载值为 80KPa。 3.3 工程实例数值模拟结果 模型计算收敛后，选取横向进行分析，横向指与隧道轴线相互垂直的方向，数值模拟结果见图 5。可以看出隧道上方的地层沉降随深度增加而增加，且沉降在接近隧道衬砌顶端位置达到最大。 图 5
13、 开挖面横断面上方地表点沉降曲线 3.4 数值模拟结果与实际监测结果对比 将横断面上相应点的数值模拟结果与实际监测结果进行对比，对比结果如表 3： 表 3 数值模拟结果与监测结果对比 以 3 号点为坐标轴 0 点作地表各点沉降位移 图 8 监测点位移值与数值模拟结果比较图 由图 8 可以看出，监测值与数值模拟值基本一致，验证了数值模拟的正确性。 4 结论 通过 ABAQUS 有限元数值模拟分析，研究了土压平衡盾构法隧道施工受扰动土体的位移规律，并取得了以下成果： 1、土体位移规律：隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线，盾构通过后，隧道左右土体有靠近盾构的水平移动，土层沉降对称分布，最大沉降出现在隧道中心轴线处，隧道上方的地层沉降随深度增加而增加，在接近隧道衬砌顶端位置达到最大，在隧道下方土体出现向上的位移，在隧道衬砌底端达到最大。 2、通过对现场监测数据与数值模拟结果进行比较分析可知，数值模拟结果与现场监测数据变化趋势相似，验证了数值模拟的正确性及广义非线性本构模型的适用性，证明所选模型的数值模拟能够分析、研究地表沉降规律，可以为类似地层地表沉降控制提供参考。
