摘 要：以成都轨道交通19号线二期工程为例，取盾构区间下穿机场停机坪、隧道U型槽为研究对象，根据现场监测数据，结合BIM模型，研究盾构掘进中引起地表的沉降及因素。
关键字：地铁盾构 BIM模型 分析模拟 沉降研究
1前言
盾构施工已成为城市修建地铁的必要手段，然而，在有限的城市空间中，盾构施工不可避免地会对周围地层产生扰动，使周围孔隙水压变化、地层原始应力重新分布、原有的土体平衡状态遭到破坏，这导致地表发生沉降变形，引起地上或地下邻近建筑物、构筑物的开裂、甚至破坏等问题。
本文以成都地铁19 号线双流机场站～西航港客运中心站区间段隧道盾构施工为背景，分析隧道盾构施工引起的地表沉降及其影响因素，为今后类似工程提供了参考。
2工程概况
成都轨道交通19号线二期工程双流机场站～西航港客运中心站区间自双流机场站向西南方向敷设下穿双流机场停机坪盾构区间自双流机场站穿越机场停机坪1176双延米后再次穿越停机坪658双延米，两次合计穿越1834双延米，穿越距离长且停机坪不能做补勘孔，只能利用原有地质资料施工，施工沉降监测困难；再向东南方向盾构施工近距离穿越大型建筑物—大件路U型槽，隧道与抗拔桩最小竖向净距约7.227m，沉降控制指标要求高；而后沿双华路敷设一段后进入西航港客运中心站盾构施工长距离穿越既有道路—双华路，穿越距离1217.9米，双华路日常车流量多，施工风险大，沉降控制指标要求高；整个区间所穿越地层地质状况复杂，先后经历中风化泥岩地层、上部砂卵石下部泥岩复合地层、砂卵石地层，线路埋深变化大，都会对施工造成影响。
3 BIM的智能化沉降分析技术
3.1计算模型建立
以成都地铁19号线为背景，盾构掘进采用三维有限元软件ABAQUS建模，沿x正轴为隧道盾构宽度方向沿正轴为土体深度方向，沿负轴为隧道轴线方向，整个模型中用三维实体单元构成，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。区间盾构隧道覆土距地表较浅．推进步数取20步，步距为1.5m，总长30m；严格按实际程确定模型的尺寸为80m×40m×30m(长×宽×深)，盾构机刀盘直径8.6m，衬砌管片厚度为30cm．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):
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图1有限元分析模型图
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C50P12混凝土，每环衬砌宽1.5m．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㈨。建立有限元模型中的详细地质参数见表2:
表2地质参数
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3.2模拟结果
3.2.1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=200kPa，T=300kPa和T=600kPa三种情况分别进行讨论，隧道覆土埋深12m，注浆厚度0.3 m，盾构推进步距1.5 m，共开挖30m，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28.01mm、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600kPa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600kPa为宜。
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3.2.2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12m，掘进压力300kPa，盾构推进步距1.5m，共开挖30m，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)．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。
3.2.3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12m、15m，两种情况分别进行讨论，掘进压力300kPa，注浆厚度为0．3 m，盾构推进步距1.5m，共开挖30m，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25．6mm减小到23．6mm，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)。
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3.2.4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=0.18GPa；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=1.8GPa；当注浆体完全固化后，注浆的弹性模量设置为E=18GPa．将这三种情况分别进行讨论，掘进压力300kPa，注浆厚度0.3m，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1.8GPa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24．6mm，对比得出：模拟数值与实际监测值差不大，差值约为5.5mm(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．
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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，但超过一定值时会引起地表隆起，区间的掘进压力宜采用600kpa；
(2)注浆层厚度越大，盾构施工产生的缝隙填充效果越密室，造成的地表沉降变形就越小，实际施工过程中注浆厚度宜取0.3m；
(3)盾构隧道开挖埋深越大，地层受扰动越小，引起的地层损失越小，则地表的沉降值随之也越小；
(4)在盾构掘进过程中，在保证其他参数不变的情况下，通过改变注浆层弹性模量的大小，能较好的控制地表沉降；
(5)模拟数值基本吻合实际地表监测沉降值，模拟数值可以作为施工过程中的辅助依据。
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作者简介：
罗中：(1993-)，男，四川成都人，中国水电五局二分局BIM中心，BIM中心主任，管理学学士，现从事BIM中心技术管理工作。
彭茂林：（1998-），男，四川广元人，中国水电五局二分局成都地铁19号线二期工程土建4工区项目，工经部BIM室高级主管，BIM高级建模师，现从事城市轨道交通BIM技术管理工作。