地鐵盾構施工地表沉降模擬分析

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隨著城市用地越來越緊張，城市軌道交通不得不向著立體化發展，地下工程越來越多。陳基諱、詹龍喜研究了隧道的縱向不均勻沉降情況，以上海地鐵一號線為例分析了豎向不均勻沉降的原因[1]。林永國等人也結合工程實際，分析得出了隧道周圍荷載變化、土層分布的不均勻性是產生不均勻沉降的重要因素[2]。勾常春、李杰等分別利用FLAC3D建立模型，對地鐵盾構施工引起地表沉降的進行了分析研究[3-4]。由于工程區地質條件和盾構施工工藝的限制，地鐵盾構施工開挖過程不可避免會對周圍巖土體產生擾動影響，即便采用目前較先進的密閉盾構技術，也不太可能完全消除地面沉降。地鐵盾構開挖施工一方面會在地表引起不均勻沉降，另一方面會直接引起地下結構物的變位，當變位不均勻時還會產生附加應力[5-8]。為了解上海地鐵15號線某區間盾構施工引起的地面沉降情況，本文采用FLAC3D建立三維模型進行沉降數值模擬分析，預測地表沉降值。

1工程概況

上海市地鐵15號線為南北向徑向線，線路起點是紫竹高新區車站，終點是顧村公園站，全長約42.3公里，均為地下線，共設30座地下交通車站，平均站間距1.44公里。考慮到施工工地周圍環境條件，結合上海地區地鐵工程實際施工中的經驗，最終選擇土壓盾構進行本工程左右線隧道的施工。

1.1擬建場地地形與地貌特征

工程區位于長江三角洲沖積平原的東南前緣，成陸較晚，地形平坦，河港密布，根據上海市巖土規范本工程場地地貌類型比較單一，為濱海平原地貌類型。擬建區間沿老滬閔路向北穿行，周邊多為住宅小區與廠房，四周交通復雜，空余場地少。

1.2地基土的構成與物理力學性質

各土層的物理力學性質參數根據野外鉆探、原位測試及室內土工試驗等成果進行分析與分層，子樣的取舍考慮了數據的離散性和已有經驗，并剔除了部分明顯不合理的數值，各地層土工試驗參數見表1

2模型建立

2.1FLAC3D軟件及原理介紹

FLAC3D軟件具備齊全的巖土材料與支護結構模型、強大的計算功能，模擬計算能夠考慮巖土材料復雜可變性。利用FLAC3D軟件模擬地鐵盾構施工引起的地表沉降時，將引起的沉降視為一個力學過程，不僅能夠預測地表沉降情況，而且能給出地層的受力狀況[5-8]。

2.2計算原理

關于模型的荷載條件，本模型考慮了土體重力作用，未考慮地下水的作用。本模型采用彈塑性理論、摩爾-庫侖準則、大應變變形模式進行計算。模型計算中的所有邊界均為位移邊界條件，其中上表面為自由邊界，下表面方向為z方向位移固定，左右邊界為x、y方向位移鉸支。

2.3模型建立

整個計算模型長100m，寬120m，高60m，數值模擬的三維網格模型及襯砌如圖1，各地層土工試驗參數設置見。

3結果分析

模擬計算中先開挖左線，后開挖右線。左側隧道開挖對土層產生較大擾動，左側隧道注漿支護后進行右側隧道開挖，產生的最大非平衡力減半，如圖2所示。盾構隧道開挖完后采用C50混凝土進行注漿支護。監測點布置及截面設定，以及開挖并支護完成后兩隧道各監測點及截面沉降曲線如圖3-圖4所示。從圖4各截面沉降變化圖可以看出，隧道中間由于受到開挖擠壓導致沉降值降低。自地表向下，沉降值先增大后減小，至隧道底部土層開始產生隆起。模型豎向及監測點沉降變化圖如5所示。根據國內一些城市地鐵建設經驗，地鐵施工引起的地面沉降允許值通常是30mm[14]，經數值模擬計算所得地表沉降值為15.2mm，該值符合變形控制標準。但由于本模型未考慮地下水以及特殊荷載的作用，實際沉降值要比模擬值偏大。

4結論

①地鐵盾構開挖掘進使得隧道頂部的土體出現沉降，隧道底部的士體出現隆起。自地表向下，沉降值先增大后減小，至隧道底部土層開始產生隆起。②當采用C50混凝土進行注漿時，經數值模擬計算所得地表沉降值為15.2mm，該值符合變形控制標準。但由于本模型未考慮地下水以及特殊荷載的作用，實際沉降值要比模擬值偏大。③對于盾構開挖掘進隧道引起的地表沉降這個問題，采用FLAC3D軟件進行數值模擬分析，對地鐵盾構施工具有一定的指導與參考價值。

作者：郭根發 單位：上海勘測設計研究院有限公司