粉砂地层盾构参数砂卵石地层盾构区间地表沉降变化规律及参数控制研究

发布时间：2026-07-20阅读(1)

导读刘丹娜周勋王伟马鹏达张书建中交路桥建设有限公司中交路桥北方工程有限公司长春工程学院土木工程学院吉林大学建设工程学院摘要：砂卵石为散体介质，当盾构在砂卵石地层....刘丹娜周勋王伟马鹏达张书建中交路桥建设有限公司中交路桥北方工程有限公司长春工程学院土木工程学院吉林大学建设工程学院

摘要：砂卵石为散体介质，当盾构在砂卵石地层掘进时极易引起地层失稳进而导致地面沉降。为研究富水砂卵石地层盾构区间施工过程中的地表沉降规律，采用PFC 2D离散元和ABAQUS有限元软件对盾构掘进时砂卵石地层扰动规律及盾构穿越标准段与建筑物段时的地表沉降分布规律分别进行了模拟。研究结果表明：盾构掘进时，掌子面前方出现楔形移动面，松动区内的砂卵石均向此处发生异动；盾构开挖掌子面处的压力相对较小，随着时间不断推移，掌子面前方的砂卵石土体的扰动越来越显著，这是引起掌子面上方土体变形的直接原因；盾构掘进时，左右隧道上方的地表沉降大致呈对称分布，并逐渐聚拢，同时向两翼逐渐变小；根据实际地表沉降监测数据和盾构掘进参数，得到砂卵石地层隧道标准段与下穿建筑物段的总推力、刀盘扭矩、土仓压力、注浆量等盾构掘进参数的控制范围。研究结果可为成都地区砂卵石地层盾构安全施工提供科学依据和理论参考。

关键词：盾构隧道;砂卵石地层;地表沉降;掘进参数;

在一些复杂地层中进行地铁施工时，盾构机切削土体而产生的扰动改变了地层初始应力，使盾构区间一定范围内将产生地表沉降。由于地铁周边环境通常比较复杂，如果掘进参数控制不利，必将引起周边建(构)筑物的沉降变形，严重时甚至会造成地面塌陷、建筑物倒塌等。许多学者对盾构掘进引起的地表沉降规律进行了研究。Peck[1]依托实际工程监测数据，提出了横向地表沉降分布规律公式；OReilly等[2]在Peck公式的基础上提出了适用于砂性土和黏性土的地表沉降槽宽度系数公式；方恩权等[3]针对不同地层提出了改进的地面沉降预测公式；李建斌等[4]结合蒙特卡洛策略与有限元模拟进行了地层变形预测。实际工程中，地表沉降量与盾构掘进参数、地质条件之间通常呈现出一种复杂的非线性函数关系，因此，采用BP神经网络[5,6]、支持向量机[7,8]以及蚁群算法[9]等机器学习算法有效地提高了地表沉降的预测精度。砂卵石是一种力学性能极其复杂的地层，颗粒间空隙较大，黏聚力低，盾构掘进时对其具有较大的扰动，因此，地层的自稳性极差。为了掌握砂卵石地层的沉降规律，许多学者依托实际工程对盾构掘进过程进行了有限元模拟[10],分析了盾构掘进参数、地质条件以及隧道埋深对地表沉降分布规律的影响[11],通过建立离散元模型[12]揭示了掌子面失稳机理及沉降发展规律，提出了减小滞后沉降的控制措施[13]以及掘进参数控制范围[14]。虽然对砂卵石地层沉降规律的研究已取得了一定成果，但是针对成都地区富水高漂石含量的砂卵石地层地表沉降规律及盾构参数控制的研究仍存在诸多不足，如适宜掘进参数的选取尚未成熟，引起地层失稳的因素各不相同，数值模拟尚存在一定的局限性等。

本文以成都地铁17号线盾构隧道区间工程为依托，采用PFC 2D离散元模拟分析研究区内盾构掘进对砂卵石的扰动规律，采用ABAQUS有限元模拟分析盾构标准段与穿越建筑物段时的地表沉降分布规律，并将模拟结果与实际监测数据进行比较，分析在砂卵石地层不同掘进区间时的盾构掘进参数控制范围，为砂卵石地层盾构安全施工提供科学依据与理论参考。

1 工程概况

成都轨道交通17号线市五医院站～凤溪河站盾构区间全长1 611 m, 采用土压平衡盾构机进行掘进施工，隧道管片外径8.3 m, 内径7.5 m, 管片厚度400 mm, 幅宽1.5 m。区间隧道纵坡坡度为1.0063%,最小平面曲线半径450 m。隧道顶最小埋深约9.5 m, 最大埋深约20 m。盾构从凤溪河站始发，在市五医院站结束。本区间段拟采用两台盾构机进行掘进，为减小左右线盾构机始发到达施工及掘进过程的相互干扰，右线盾构机相对左线盾构机滞后30 d左右始发，并在掘进过程中保证至少60环以上距离。盾构隧道区间走向如图1所示。

图1 盾构区间平面示意下载原图

区间地层由上至下依次为人工填土、粉细砂及卵石土，盾构隧道穿越地层以饱和密实卵石土为主，卵石成份以花岗岩、灰岩、砂岩为主，磨圆度好，分选性差，60～180 mm的粒径约占75%以上。地层中夹有透镜体砂层及漂石，含量约为6～22%不等，一般长度约210～300 mm, 最大的约700 mm。砂层呈透镜体发育，规律性差，一般厚0～3.5 m。盾构区间地质剖面如图2所示，区间内的漂石、卵石如图3所示，地层参数如表1所示。