基于ABAQUS模型的轨道交通盾构施工引起地表沉降分析

２０１７年６月　第３８卷第６期　韶关学院学报・自然科学　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｏ￣ｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｊｕｎ．２０１７　

Ｖ０ｌ＿３８　Ｎｏ．６　

基于ＡＢＡＱＵＳ模型的轨道交通盾构施工引起　地表沉降分析　

张宝良　，李大华，，徐子方ｚ，周冬青　，李季佩’　（１．安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥２３０６０１；　２．国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽合肥２３０００）　

摘要：盾构施工造成的地表沉降越来越受到重视，在开挖的过程中如何保证土体的稳定和严格的控制地表沉　降是当前研究的重点．以合肥地铁一号线为工程背景，利用ＡＢＡＱＵＳ软件进行模拟，对盾构施工引起地表沉降　的因素进行分析，并结合地表沉降监测数据，与模拟数值做比较，结果表明：盾构掘进压力越大，地表沉降越　小；盾构衬砌的同步注浆层厚度越大，对盾构施工产生的缝隙填充效果就越好；地表沉降量随着开挖深埋的增　加而减小；注浆层弹性模量越大，地表沉降越小．最后将模拟数值与监测数值进行对比，结果基本吻合，说明该　研究具有一定价值．　关键词：地铁盾构；数值模拟；地表沉降；ＡＢＡＱＵＳ　中图分类号：ＴＵ４７５＋．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—５３４８（２０１７）０６—００５４—０５　

目前我国城市处在快速发展时期，城市土地被高度利用，建筑物密集，人流量大，尤其在繁华地段交通　压力急剧增大．地铁盾构施工时，会对邻近的建（构）筑物、管道及道路造成不利影响；结合实际的复杂工况，　地铁盾构施工的难度系数骤增．近年来，地铁坍塌事故已发生多起，例如在北京，上海和广州的地铁都发生　过类似的事故，为此，学者们进行众多盾构施工引起地表沉降方面的研究，这对指导工程施工具有重要意　义＿１＿　．骆建军等依据建（构）筑物结构相应部位的破坏值，来制定地面沉降基准指标…；韩煊等以Ｐｅｃｋ经验　理论为基础，利用预测建筑物沉降的刚度修正法，对建筑物结构安全稳定进行了分析［５］．　目前盾构法施工已做了很多研究工作，但由于地质条件复杂多变，根据现场工况施工条件的不同，使　得不少研究成果都具一定的局限性．目前对盾构法隧道掘进施工引起的地表沉降分析及预测方法主要有：　经验公式法、解析法、理论分析法、模型试验法和数值分析等［６－７］．以合肥地铁一号线的盾构施工为工程背　景，分析盾构施工中引起地表的沉降及其影响因素，通过实际监测数据行了研究，为今后类似工程施工提　供参考．　１　工程概况　１．１工程位置及周围环境概况　合肥地铁一号线葛大店站～望湖城站区间由平行的两条隧道构成，隧道开挖截面为圆形，每条隧道单　线贯通，右线里程：Ｋ１２＋６８３．９００～Ｋ１４＋ｌ１３．６１２，全长１　４２８．１　ｍ．左线里程：Ｋ１２＋６８３．９００～Ｋ１４＋１５２．６１２，全长　１　４６７．１　ｍ．区间在Ｋ１３＋１８６．７９３处设联络通道，在Ｋ１３＋５８４．６处设置联络通道兼废水泵房，线间距１２．００～　１５．２０　ｉｎ，最大纵坡２５．４３７％。，隧道直径６　Ｉｎ，拱顶埋深９．１２～１６．６２　ｉｎ，采用盾构法施工．　

［收稿日期】２０１７—０３—１５　［基金项目］国家电网安徽省电力公司资助项目（１Ｐ１２００１５０００１０６８１００００００）．　［作者简介］张宝１￣（１９８６一），男，黑龙江哈尔滨人，安徽建筑大学土木工程学院初级工程师，硕士；研究方向：建筑与土木工程　第６期　张宝良，等：基于ＡＢＡＱＵＳ模型的轨道交通盾构施工引起地表沉隆　：　：　１．２现场水文地质条件　场地地下水类型以上层滞水为主，区间广泛分布着黏土层，层总厚度较大，埋深浅，地下水水位标高　２０．２２～３０．３６　ｍ，水位埋深２．６０～６．００　ｍ，段内富水性较弱，主要为泥质砂岩，基岩裂隙水总体较贫乏，段内地　下水总体不发达．　盾构区间主要穿越：（１）第一层粉质粘土层；（２）第二层杂填土；（３）第三层粘土①；（４）第四层粘土②；　（５）第五层粘土③．　（１）第一层粉质粘土层：呈褐黄色、灰黑色、杂色．化学成分复杂，堆积时间短，稍经压实，局部见砂及碎　石块，土体堆积极不稳定。施工期间容易发生坍塌，土层厚度一般为０．５～２　ｍ．　（２）第二层杂填土：灰、灰褐色，土质较纯，含少量铁锰氧化物结核、高岭土，切面光滑，无摇震反应，干　强度高，不连续分布，韧性中等．　（３）第三层粘土①：褐黄色、黄褐色，含氧化铁、高岭土，铁锰结核，切面光滑，干强度高，局部含铁锰质　结合富集．　（４）第四层粘土②：灰褐色、灰黄，土质不均，硬塑状，切面较粗糙，韧性一般，段内分布不均匀，局部含　有风化颗粒．　（５）第五层粘土③：全风化泥质砂岩，全风化，紫红色，粉粒结构，岩芯风化呈土柱形状，遇水易软化，易　钻进，岩质软，段内不连续分布，原岩结构大部分已遭到破坏，全部钻孑Ｌ未能穿透该土层，最大目标深度　

一２５．０ｌ　ｍ．　２计算模型建立　以合肥地铁一号线为背景，盾构开挖采用三维有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建模，沿　正轴为隧道盾构宽度方　向，沿Ｙ正轴为土体深度方向，沿ｚ负轴为隧道轴线方向，整个模型中用三维实体单元构成，模型土体土层　分为５层：第一层粉质粘土层．第二层杂填土，第三层粘土①，第四层粘土②，第五层粘土③，因为盾构隧道　开挖造成土体应力应变的影响，故在距隧道中心轴线约３　５倍的开挖直径范围内会对土体有较为明显的影　响，３倍开挖直径范围内的应力应变变化约为１０％，超过５倍的开挖直径时，应力应变变化会降到约３％以　下８］．区间盾构隧道覆土埋深１６　ｍ，距地表较浅．推进步数取２０步，步距为１．５　ｍ，总长３０　ｍ；严格按实际工　程确定模型的尺寸为８０　ｍ　Ｘ　４０　ｍ×３０　ｍ（长×宽×深），盾构机长８　ｍ，盾构机刀盘直径６．２８　ｍ，衬砌管片　外径６　ｍ，厚度为３０　ｃｍ．建立模型图步骤是首先要建立原始的地层模型，然后施加边界约束条件，采用迭代　计算直至系统平衡，在模拟地层初始应力状态后删除盾构所在位置的单元土体，进而建立相应单元体，在　进行迭代计算使之土体应力重新平衡，则有限元分析模型图（见图１）．　

图１有限元分析模型图　・５６・　２０１７　衬砌管片处理：衬砌管片视为弹性材料，依据泊松比、弹性模量来计算单元刚度，管片采用Ｃ５０　Ｐ１２混　凝土，每环衬砌宽１．５　ｍ．隧道衬砌采用高强度膨胀螺栓连接，通过考虑隧道衬砌接头对结构刚度的影响，对　衬砌的材料参数进行折减，按０．１５折减系数进行折减［９］．建立有限元模型中的土体材料参数见表２．　表２土体材料参数　

３　模拟结果　３．１　盾构开挖在不同掘进压力条件时对地表沉降的影响　掘进压力设置为Ｔ＝２００　ｋＰａ，Ｔ＝３００　ｋＰａ和Ｔ＝６００　ｋＰａ三种情况分别进行讨论，隧道覆土埋深１２　ｍ，注浆　厚度０．３　ｍ，盾构推进步距１．５　ｍ，共开挖３０　ｍ，进行计算分析后可得出不同掘进压力地表横向沉降位移曲　线图（见图２）．　当掘进压力依次按上述设置，则得出地表沉降峰值依次为２８．０１　ｍｍ、２３．９３　ｍｍ、１９．１６　ｍｍ（见图２）．经　比较发现掘进压力越大，地表沉降越小，当盾构掘进压力在６００　ｋＰａ时，地面纵向位移开始出现突变，这是　由于盾构开挖时引起前方开挖面的压力值大于盾构前方土体中应力的释放，使开挖面前方土体受到挤压　而出现土体隆起，且地表最大沉降的点位置是在隧道正上方中心处，区间的盾构掘进压力不能超过６００　ｋＰａ　为宜．　

。　一１　里一　

碘　

蛙　

∞　０　砷　‘。　∞　８。　距赢（ｍ）　图２　ｚ轴一１５　ｍ处地表横向沉降位移曲线图　０　２０　４０　６Ｏ　目Ｏ　距离（ｍ）　

图３　轴一１５　ｍ处地表横向位移沉降曲线图　

３．２盾尾的不同注浆层厚度对地表沉降的影响　模型等代层厚度分别取：ｒ＝－０．２　ｍ、ｒ＝０．３　ｍ和ｒ＝０．５　ｍ三种情况分别进行讨论，隧道覆土埋深１２　ｍ，掘进　压力３００　ｋＰａ，盾构推进步距１．５　ｍ，共开挖３０　ｍ，进行计算分析后可得出盾尾的不同注浆层厚度地表横向　位移沉降曲线图（见图３）．　地表沉降量是随着注浆层厚度的增加而减少，并且注浆层厚度越大，对隧道盾构施工产生的缝隙填充　效果越密实，使土体应力释放的影响越小，造成的地层损失越少，引起的地表沉降变形越小（见图３）＿ｌ　．由　此可知通过改变注浆层的厚度能够有效地控制地表沉降．盾构衬砌同步注浆层的厚度如果太大，会造成土　体局部压力过大而引起土体内部结构的破坏，使土体周围产生具有一定的劈裂扩散效应，因此实际工程中　的注浆厚度值取０．３　ｍ较为合适．　

Ｅ　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　一　Ⅱ）避蛙碘制　朝　第６期　张宝良，等：基于ＡＢＡＯＵＳ模型的轨道交通盾构施工引起地表沉降分析　・５７・　３．３盾构开挖的不同埋深对地表沉降的影响　隧道拱顶埋深分别设置为１２　ｍ、１５　ｍ，两种情况分别进行讨论，掘进压力３００　ｋＰａ，注浆厚度为０．３　ｍ，　盾构推进步距１．５　ｍ，共开挖３０　ｍ，进行计算分析后可得出隧道盾构开挖不同埋深地表横向位移沉降曲线　图（见图４）．　．　地表沉降量是随着隧道开挖深埋的增加而减小，峰值从２５．６　ｍｍ减小到２３．６　ｍｍ，并且随着开挖深度的　增加，对土体的扰动越小，引起土体横向沉降的影响范围却有所增大，原因是地表沉降主要由地层损失和土　体的固结沉降引起的，而固结沉降是在隧道开挖完成以后才开始的，故在整个开挖阶段影响地表沉降的主　要方式是地层损失．因此盾构开挖的埋深越大，地层受扰动越小，引起地层的损失越小，造成的地表沉降值　就越小（见图４）．　

。　一１ｏ　ｌ　

∞　拈　一的　

图４　ｚ轴－１５　ｍ处地表横向位移沉降曲线图　图５　轴－１５　ｍ处地表横向沉降位移曲线图　３．４盾构开挖的不同注浆弹性模量对地表沉降的影响　假设在盾构注浆开始阶段，注浆弹性模量设置为Ｅ＝０．１８　ＧＰａ；当注浆完成以后注浆体在短时间内固化，　此时注浆的弹性模量设置为Ｅ＝Ｉ．８　ＧＰａ；当注浆体完全固化后，注浆的弹性模量设置为Ｅ＝１８　ＧＰａ．将这三种　情况分别进行讨论，掘进压力３００　ｋＰａ，注浆厚度０．３　ｍ，隧道埋深１２　ｍ，盾构推进步距１．５　ｍ，共开挖３０　ｍ，　进行计算分析后可得出不同注浆的弹性模量地表横向沉降位移曲线图（见图５）．　当注浆层弹性模量为０．１８　ＧＰａ时，地表沉降峰值为２４．９　ｍｍ；当注浆层弹性模量为１．８　ＧＰａ时，地表沉　降峰值为２１．３　ｍｍ；当注浆层弹性模量为１８　ＧＰａ时，地表沉降峰值为１９．９　ｍｍ（见图５）．经比较发现注浆层　弹性模量越大，地表沉降量越小，是因为在盾构同步注浆开始时，注浆体短时间内无法固化，造成注浆体强　度不够，使弹性模量较小，注浆体无法对隧道周围土体形成有效的支护，同时土体应力的释放会造成注浆体　变形，引起地层损失，造成地表沉降．当注浆体渐渐进入固化阶段后，注浆体强度骤升，弹性模量变大，此时　能对隧道周围土体产生较好的支护，注浆体和衬砌管片达到新的应力应变平衡，则地表沉降基本稳定．因此　当盾构开挖时，应及时进行同步注浆，使注浆体达到一定的早期强度，这对控制地表沉降是十分有利的．　４　模拟数值与实际监测值比较分析　实际地表沉降量监测最大值为２９．９　ｍｍ，小于地表基准值３０　ｍｍ，地面交通能正常运营，模拟数值最大　值为２４．６　ｍｍ，对比得出：模拟数值与实际监测值差不大，差值约为５．５　ｍｍ（见图６）［…．地表沉降量模拟数值　基本吻合实际监测值，模型模拟数值可以为工程施工作为指导．由于模型进行了理想化的假设、简化，施工　参数选取的不合理，以及施工作业人员在施工过程中操作的不合理等都会使模拟数值比实际监测值小．　５　结语　（１）盾构掘进压力应控制在一定的范围内，适当的增大掘进压力能够减小地表沉降，但超过一定值时会