软土盾构施工引起地表沉降的有限元分析.docx

摘要：盾构法是软土地区地下隧道施工的一种常用工法，但对于盾构推进过程中引起软土地层移动和地表沉降的原因及机理，人们还缺乏足够的认识和工程实践经验积累，有待进一步深入研究。为此，以杭州地铁1号线某区间地铁隧道开挖为例，利用三维非线性有限元软件对地铁盾构隧道施工开挖过程进行数值模拟与分析，得到隧道开挖引起隧道周围土体移动和地表沉降曲线，分析了隧道地表沉降沿横向分布随盾构推进的变化规律、地表沉降沿纵向分布随盾构推进的变化规律和不同深度处地层的沉降变化规律。所得结论对软土地区地铁隧道设计与施工有一定的参考价值。
关键词：软土；地铁隧道；盾构法；地表沉降；有限元法

0引言
在城市地铁隧道施工过程中，盾构法因具有速度快、精度高、自动化控制能力强等方面的优点而得到广泛的应用，特别是在沿海软土地区，隧道开挖基本上都是采用盾构法进行施工。然而，隧道施工是在岩土体内部进行的，会不可避免地扰动隧道周围土体。因此，盾构法施工不能完全防止隧道四周一定范围内岩土体发生松动、变形和移动[1]。当地层变形超过一定范围时，会严重危及邻近建筑物的安全，引起一系列环境岩土工程问题[2-3]。种种隧道开挖事故表明：隧道开挖产生的地表沉降会对周边及邻近建(构)筑物造成较大的危害，轻则开裂，重则倒塌[4-5]。因此，探讨修建地铁隧道对周围建（构）筑物沉降变形的影响，分析引起地表沉降的影响因素及变化规律具有重要的现实意义。基于此，本文拟采用三维非线性有限元软件Adina8.5对杭州地铁1号线某区间隧道进行施工开挖模拟，分析其地表沉降沿横向分布随盾构开挖推进过程的变化情况、地表沉降沿纵向分布随盾构开挖推进过程的变化规律以及不同深度处地层的沉降变化情况，以期对类似地质条件下工程建筑物的保护、优化施工等提供参考。

1工程概况
该在建的汽车城站—世纪大道站区间隧道，位于杭州市余杭区临平镇，属于杭州市地铁1号线标段Ⅲ的一部分。该隧道自汽车城站向北，沿迎宾路西侧至世纪大道站，区间线路长1031m。
1.1工程地质情况
本工程场地位于杭州市东北部冲积–海积平原。根据岩土工程勘探资料[6]，该场地沿线第四纪覆盖层厚度约40.0～49.0m，上部主要为钱塘江近代冲积沉积的粉、砂性土，下部为陆–海相沉积地层。隧道顶部上覆土层主要为杂填土及素填土，土体较疏松，自稳性较差；隧道洞身穿越的土层主要为第③1层砂质粉土、第③2层砂质粉土夹粉砂、第③4层黏质粉土夹淤泥质粉质黏土和第③8A层黏质粉土；隧道下卧层主要为粉砂、黏土、粉质黏土和砂质黏土。各土层主要物理力学性质指标见表1。

1.2施工方法
考虑到地铁隧道穿越土层的性质以及该区间隧道是沿迎宾路行走的，适合采用盾构法进行施工。在施工时，采用加泥土压式平衡盾构。盾构隧道内径6000mm，管片宽度2m，管片厚度300mm。管片采用螺栓连接，衬砌环间以纵向螺栓连接，衬砌为通缝拼装。

2数值模拟
Adina有限元软件是美国ADINAR&D公司开发的大型通用有限元软件。该软件可对连续介质进行大变形非线性分析，可模拟多种材料的力学特性；求解非线性问题时采用自动时间步长技术，提供控制单元刚度连续变化的单元生死技术以模拟基坑、隧道等工程施工开挖过程中的逐步卸荷问题，非常适合盾构推进、基坑开挖等的施工过程模拟。因此，在本文数值研究中，采用Adina软件来进行盾构隧道的开挖施工过程模拟。
2.1材料模型
在数值计算过程中，衬砌管片为预应力钢纤维钢筋混凝土构件，采用弹性模型进行模拟。土体考虑其非线性，采用Mohr-Coulomb屈服准则。该准则认为材料某平面上剪应力达到某一特定值时就进入屈服状态，其表达式[7]为
τn=c+σntanφ，(1)
式中，c为黏聚力，φ为内摩擦角，σn，τn分别为破坏面上的正应力和剪应力。
在π平面上，Mohr-Coulomb屈服条件是一个不等角的等边六边形。在主应力空间，其屈服面是一个棱锥面，中心轴线与等倾角重合。在三维应力空间中的屈服条件为

式中，I1为应力张量第一不变量，J2，J3分别为应力偏张量第二、第三不变量，τ8为八面体剪应力。
2.2计算域的确定
根据杭州市地铁1号线标段Ⅲ岩土工程勘察资料[8]，以汽车城站—世纪大道站区间隧道现场原型工程为研究对象，其隧道直径为6m，隧道顶板土层厚度为14m。根据现有理论分析表明，在均质弹性半无限域中开挖的圆形洞室，由于荷载释放而引起洞室周围岩土体应力和位移的变化在5倍洞径范围之外将小于1%，3倍范围之外约小于5%。经过选取几个模型试算得知，计算区域的边界到隧道周边的距离大于3倍隧道最大跨度后，由于计算区域的大小而引起的计算误差可忽略不计。因此，本次有限元计算中的三维模型尺寸取为40m×24m×38m。模型边界条件：底部采用固定边界，限制其竖向位移；左、右边界都采用固定水平方向位移；上