现代隧道工程领域存在多种建设方法，盾构法是其中较为常见的一种，采用该方法施工时，易出现明显的地表沉降的问题，影响整个隧道工程建设质量，不利于隧道的后续使用[1]。所以，盾构法隧道施工时，需掌握地层特性对地表沉降的影响，以此制定出相应的应对措施。现代学术研究领域，虽对此产生了较高的重视程度，并展开了大量研究，但现有研究通常涉及地表沉降预测等方面，而在地层特性与地表沉降间关联性的成果则并不是很多，在一定程度上制约了盾构法隧道施工活动的开展。所以，本文以“盾构法隧道施工中地层特性对地表沉降的影响”为课题展开了研究，为进一步降低盾构法隧道施工地表沉降问题提供帮助[2]。
1工程概述
本研究选择汕头海湾隧道工程作为研究对象，该工程的建设方案定位为公路跨海通道，考虑到城市建设的需要，还应兼顾城市道路功能。在土壤当中，共有5层土层构成，分别为：杂填土、黏土、淤泥、淤泥质黏土与粉砂，各土层参数，见表1。该隧道工程施工时，采用了盾构施工法，本工程过海段采用两台盾构机由南向北掘进施工，始发井位于南岸约330m处的围堰端头，接收井位于华侨公园，盾构段为3047．5m。
表1 汕头海湾隧道工程各土层参数
2三维建模
2．1模型构建与边界条件
本次研究当中，通过ABAQUS有限元软件的方式，对汕头海湾隧道工程地表沉降情况予以模拟，以此判断出土层地形对地表沉降的影响。由以往研究成果可知，在均质弹性半无限域中挖掘圆形洞室，受到外界应力的影响，使得工程周边土层出现明显的位移情况，在3倍洞泾范围外小于5％，在5倍洞泾范围外小于1％。所以，本研究模型构建时，将隧道宽度设定成30m。从实际角度来说，隧道两侧土层特性、地质结构略有差异，完全按照实际情况进行模拟，则需要庞大的工作量。为此，本文假设隧道轴线两侧完全相同，仅选取一侧作为研究对象即可，以降低研究难度。为了防止边界约束对研究结果造成干扰，假设汕头海湾隧道工程共有隧道35环，以第17环作为研究断面，其长度是42m。在隧道拱顶出，土层厚约14．83m，底部土层厚21．03m，所以，本研究构建出尺寸为30×42×42m的土体模型。
在模型的四周，分别设定出相应的位移边界，以此交流平台控制模型内部的位移量；在模型的上端，表示为隧道地面，属于自由边界；在模型下端，属于固定边界，用于控制模型内部的切向位移。
2．2模型材料与参数
对土体进行研究时，选择了Mohr-Coulomb本构模型；在盾构机方面，通过壳单元模拟，主要材料为线弹性本构模型；在衬砌管片方面，通过实体单元模拟，主要材料为线弹性本构模型；在盾构间隙与壁后注浆方面，通过等代层模拟，主要材料为线弹性本构模型。在盾构机内部，存在相应的结构支撑，由其与壳体构成一个整体，共同承受外界应力。而本研究当中，将盾构机假设成壳体，因而在壳体模型参数设定时，刚度应略高一些，通过实验验证后，将杨氏模量设定成2．3×105MPa。在隧道内部，利用大量管片拼接制成，因而隧道刚度略低一些，在衬砌管片之下，所以，在本次研究时，需要对管片刚度予以折减处理。
2．3实验方法
通过对表l观察能够发现，在淤泥层当中，内聚力、内摩擦角与杨氏模量均处于最低值，属于该区域内的软弱土层。在上述构建出来的模型当中，分割成11个小模块，各模块厚2m，其中，在轴线的上侧，序号大于0，在轴线的下侧，序号小于0；区域i与区域一i到隧道轴线的间距基本一致(i=l，2，3，4，5)，区域6处于地表。
具体实验方案为：(1)实验l。按照原始土层情况进行实验；(2)实验2。在所有土层当中，均设定成淤泥质黏土；(3)实验3一i。在区域．i(i=l，2，3，4，5)的深处，设定成淤泥，其他范围设定成淤泥质黏土；(4)实验3+i。在区域．i(i=l，2，3，4，5，6)的深处，设定成淤泥，其他范围设定成淤泥质黏土。
3软弱土层分布对地表沉降的影响
3．1有效性分析
为了验证上述土体模型分析后，是否可以得到较为精确的结果，本研究还对模型的有效性进行了验证。通过验证可以发现，在实验1当中，可以得到与地表沉降基本相同的结果，实验数值为16．3mm，测量结果为16．8mm，误差为0．5mm，误差率为2．9％。在隧道轴线30m区间内，能够得到与实际情况基本相同的地表沉降特征。由此表明，该土体模型有效性较高，可利用其对图层特性对地表沉降的影响进行研究。
3．2影响分析
若软弱土层处于轴线的上端，在实验2中，未出现软弱土层，沉降量峰值时-15．8mm；在实验3+i(i=6，5，4，3)当中，存在明显的软弱土层，位于地表与拱顶间，沉降量峰值处于-15．9～17．3mm范围内，在实验3+3)当中，软弱土层位于拱顶上端，沉降量峰值在-15．7mm之上。由此表明，受到软弱土层的影响，导致整个土体结构各方面能力显著下降。
在实验3+1与实验3+2当中，软弱土层处于挖掘区间内，相对于实验3+3来说，沉降量显著提升，峰值为-23．4mm与-24．3mm，且实验2沉降量低于实验1。由此表明，在隧道施工时，若软弱土层位于埋深区域当中，则会产生更大的沉降量，该土层与轴线的间距越小，沉降量数值越高。
若软弱土层处于轴线下端，通过该图观察能够发现，相对于实验2结果来说，实验3．i(1，2，3，4，5)所得到的沉降量分值均明显提升，其中，实验3．1的沉降量最高，为-22.5mm。由此表明，盾构法隧道施工时，若软弱土层处于隧道轴线的下端，则会出现更加严重的地表沉降问题。对于实验3-3、3-4、3-5来说，实验3-1与3-2沉降量显著更低一些，以实验2结果作为佐证，前3个实验结果的差值分别是-0.63mm、-0.37mm与-0.18mm，差异较低。由此表示，软弱土层位于深埋区域当中时，所产生的沉降量更大一些。
当软弱土层位于轴线两侧，且呈现出对称特点时，其中，H为土层与轴线的间距；S。为上端的沉降量，S1为下端的沉降量，S为无软弱土层的沉降量，k1表示上下端差值比，计算公式为：k1=(S1-S)／(S2-S)。当软弱土层处于轴向上端时，将会对地表沉降产生更高的影响。由此表示，相同条件下，相对于处于轴下线段来说，处于轴线上端的软弱土层对地表沉降影响更大，是前者的4±2.5倍，同时，间距H值越大，k1值越高。软弱土层位于轴线两侧，但呈现出不对称特点时，其中，S，为沉降量，k2为软弱土层对地表沉降量的影响情况，由公式：k2=(S3-S)／s获得。通过该表观察能够发现，随着间距H的不断缩小，k2在不断提升，其中，处于下端时，由1.1587%提升至37.6998%，处于上端时，则从7.2955%提升至56．4035%。由此表明，软弱土层越接近轴线，对地表沉降的影响越大。
综合分析后可以发现，盾构法隧道施工时，当软土处于地表下0.23D时，不同区域所出现的沉降存在明显差异，其中，在深埋区域与拱顶区域，地表沉降呈现为峰值，影响率在9.9214%以上。
4土层物理学特性对地表沉降的影响
通过实验，可得到土层物理学特性与地表沉降量关联性示意图，由该图可知，模型压缩模量越高，所产生的沉降量峰值越小，经拟合后，可得到拟合常数R2=0.845。由此表明，沉降量与压缩模量具有显著的相关性，这是因为在土体当中，压缩模量越大，土体的承载性能越强，隧道挖掘时，将会产生更低的形变量拟合方程为：y=-6.8915x+74.162。同理，可依次得到沉降量与内摩擦角、内聚力间的关联，其中，与内摩擦角的拟合常数是0.450，表明两者无显著关系；与后者的拟合常数是0.838，且内聚力越高，沉降量峰值越低，表明两者存在显著关联性，原理与压缩模量相同。拟合方程为y=-4.9335x+109.20。
5总结
综上所述，盾构法隧道设计时，设计单位应注重软弱土层的具体位置，该土层位置的不同，将会对地表沉降产生不同的影响，只有针对该土层所出具体位置情况，设计出合理的处理方案，才会降低地表沉降量，有利于提升整个隧道工程的建设质量。
摘自：建设科技