土壓平衡式盾構(gòu)周圍的土壓力分析

1、土壓平衡式盾構(gòu)周圍的土壓力分析                        摘要以上海市軌道交通6號(hào)線濱州路站成山路站土壓平衡式盾構(gòu)隧道為實(shí)例,利用巖土工程專用軟件FLAC3D進(jìn)行了盾構(gòu)法隧道開(kāi)挖中盾構(gòu)正面、側(cè)面和下部土體中土壓力的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算;詳細(xì)計(jì)算了在盾構(gòu)逐步推進(jìn)過(guò)程中土壓力的動(dòng)態(tài)變化情況。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合,表明建模過(guò)程和計(jì)算方法是正確合

2、理的。關(guān)鍵詞城市軌道交通,盾構(gòu)隧道,土壓力,模擬計(jì)算       與模擬試驗(yàn)、工程實(shí)際監(jiān)測(cè)相比,利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行力學(xué)預(yù)測(cè)既節(jié)約時(shí)間,又節(jié)省費(fèi)用。所以,有限元、有限差分等數(shù)值計(jì)算方法已在工程技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位,在巖土工程領(lǐng)域已出現(xiàn)多個(gè)優(yōu)秀的計(jì)算軟件。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中,只能監(jiān)測(cè)盾構(gòu)周圍土體中有限幾個(gè)點(diǎn)的水平土壓力,測(cè)點(diǎn)以外的土壓力是未知的,況且在土體中的任意一點(diǎn)都有六個(gè)應(yīng)力分量,即x,y,z,xy,yz,xz;但在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中,由于技術(shù)手段的限制,不可能把一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)完全監(jiān)測(cè)清楚。例如,在盾構(gòu)正下方的土壓力,無(wú)法用現(xiàn)有

3、的方法監(jiān)測(cè)出來(lái),因?yàn)槎軜?gòu)正下方的土體中無(wú)法埋設(shè)傳感器。在這種情況下,對(duì)不能計(jì)測(cè)的某點(diǎn)水平土壓力,可通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法,把這些盲點(diǎn)處的土壓力計(jì)算出來(lái)。因此,有必要對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)周圍所有點(diǎn)的土壓力或應(yīng)力的變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬,以便搞清楚盾構(gòu)周圍所有點(diǎn)處的應(yīng)力分布情況。1 應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算      本文的計(jì)算以上海市軌道交通6號(hào)線濱州路站成山路站盾構(gòu)隧道為實(shí)例。為了檢驗(yàn)計(jì)算的可靠性,還進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)。在計(jì)算中采用FLAC3D軟件對(duì)區(qū)間的盾構(gòu)隧道施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬盾構(gòu)在連續(xù)掘進(jìn)的過(guò)程中盾構(gòu)周圍土壓力的變化情況,并把計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

4、進(jìn)行了比較。FLAC3D軟件是美國(guó)Itasca公司開(kāi)發(fā)的三維有限差分程序,采用顯式有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的控制微分方程,并應(yīng)用了混合單元離散模型,可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形;尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析,該程序能較好地模擬地層材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為,在巖土工程特別是地下工程與隧道的模擬計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。      圖1為本次數(shù)值計(jì)算的有限差分網(wǎng)格。根據(jù)對(duì)稱性,計(jì)算區(qū)域取盾構(gòu)與隧道的一半。網(wǎng)格中共有47600個(gè)8節(jié)點(diǎn)6面體單元。圖中帶圓圈的黑線表示測(cè)點(diǎn)所在平面。計(jì)算中采用非線性

5、莫爾庫(kù)倫模型。1.1 地質(zhì)狀況      盾構(gòu)施工穿越的土層為:2灰色黏質(zhì)粉土、3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、1灰色淤泥質(zhì)黏土、1-1灰色黏土、1-2灰色粉質(zhì)黏土。1.2 計(jì)算初始應(yīng)力狀態(tài)      首先計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)有限差分軟件FLAC3D的特性,先采用線性彈性模型計(jì)算,等到計(jì)算模型達(dá)到初始平衡狀態(tài)后,再把本構(gòu)關(guān)系改為Mohr-Coulomb模型。該模型在主應(yīng)力空間有一個(gè)不等邊六邊形屈服面。本構(gòu)改變后,軟件在彈性計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)一步迭代計(jì)算,直到重新達(dá)到平衡狀態(tài);此時(shí),迭代停止,得到初始應(yīng)力場(chǎng),如

6、圖2所示。2 盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)的模擬      盾構(gòu)機(jī)每向前推進(jìn)一步,推進(jìn)距離為1.2m,發(fā)生如下變化。      1)單元材料變化:將開(kāi)挖面向前推進(jìn)1.2m,此區(qū)間在隧道內(nèi)被挖除的土單元變?yōu)榭諉卧?盾尾處的一環(huán)鋼殼單元換為空單元模擬盾尾脫空。      2)周圍土體受力的模擬:盾構(gòu)的推進(jìn)是漸進(jìn)的,而地層環(huán)境是相對(duì)靜止的。有限元網(wǎng)格的劃分要適應(yīng)靜止的土層,又要反映盾構(gòu)的運(yùn)動(dòng),就必須作某種簡(jiǎn)化。本文作以下簡(jiǎn)化:假定盾構(gòu)的推進(jìn)是跳躍式的,每次向前推進(jìn)的長(zhǎng)

7、度(y軸方向)恰好為一個(gè)管片的單元寬度。用改變單元材料類型的方法來(lái)反映盾構(gòu)的前進(jìn),而一次前進(jìn)的過(guò)程中盾構(gòu)周圍的土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化,將這種變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)荷載作用于結(jié)點(diǎn)上,進(jìn)行有限元計(jì)算。向上一步中盾尾處的一環(huán)單元的外圍土單元施加0.3MPa的徑向壓力,模擬壓漿壓力對(duì)周圍土體的影響。在新的盾構(gòu)殼后部單元結(jié)點(diǎn)上施加指向盾構(gòu)推進(jìn)方向的結(jié)點(diǎn)位移,同時(shí)計(jì)算工作面上所有單元節(jié)點(diǎn)上反力之和。該節(jié)點(diǎn)反力和應(yīng)與盾構(gòu)推力減去盾殼摩擦力之差相等。如果反力和大于該差值,則減小加在工作面節(jié)點(diǎn)上的位移值;反之則加大位移值,直至找到一個(gè)符合條件的荷載。在工作面上加上這個(gè)合理的位移,模擬盾構(gòu)的正面推力,然后開(kāi)始有限差

8、分的迭代計(jì)算。通過(guò)有限差分計(jì)算,模擬盾構(gòu)推進(jìn)30環(huán)(共36m)的過(guò)程中,計(jì)算特定點(diǎn)的土壓力變化情況。盾構(gòu)正上方3個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壓力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值分別見(jiàn)圖3、圖4,盾構(gòu)正下方3個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壓力計(jì)算值見(jiàn)圖5。                               圖3和圖5分別為利用有限差分軟件FLAC3D計(jì)算得

9、到的土壓力值。圖中的曲線由橫線連結(jié)而成,每條橫線代表一個(gè)開(kāi)挖步,每個(gè)開(kāi)挖步的步長(zhǎng)為一環(huán)管片的長(zhǎng)度(1.2m);整條曲線代表該點(diǎn)在盾構(gòu)連續(xù)向前掘進(jìn)的過(guò)程中土壓力的變化過(guò)程。圖4是實(shí)際監(jiān)測(cè)到的土壓力值,其測(cè)點(diǎn)與圖3中的計(jì)算點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。圖3表明,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)是吻合的,符合一般規(guī)律。即在盾構(gòu)到達(dá)之前正上方的土壓力有增大的趨勢(shì),盾構(gòu)到達(dá)后或者通過(guò)一定距離后又會(huì)減小。這說(shuō)明本文的計(jì)算是符合施工實(shí)際的。圖5為在盾構(gòu)正下方的3個(gè)點(diǎn)的土壓力變化情況。因?yàn)槎軜?gòu)正下方的土體中無(wú)法埋設(shè)傳感器,現(xiàn)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法,把這些盲點(diǎn)處的土壓力計(jì)算出來(lái)。3 結(jié)語(yǔ)    &#

10、160; 本文利用巖土工程專用軟件FLAC3D進(jìn)行了盾構(gòu)法隧道推進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算,詳細(xì)計(jì)算了在盾構(gòu)逐步推進(jìn)過(guò)程中土壓力的動(dòng)態(tài)變化情況,并把計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。通過(guò)本文的分析計(jì)算,可以得到如下結(jié)論:      1)土壓力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)是吻合的,符合一般規(guī)律。即在盾構(gòu)到達(dá)之前有增大的趨勢(shì),盾構(gòu)到達(dá)后或者通過(guò)一定距離后又會(huì)減小。這說(shuō)明本文的計(jì)算是符合施工實(shí)際的。      2)在盾構(gòu)正下方土體的土壓力,因?yàn)槎軜?gòu)正下方的土體中無(wú)法埋設(shè)傳感器而無(wú)法監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),在盾構(gòu)到達(dá)測(cè)點(diǎn)前約10m的地方,這些測(cè)點(diǎn)的土壓力開(kāi)始逐漸增大;大約在盾構(gòu)到達(dá)測(cè)點(diǎn)前3.5m的地方,測(cè)點(diǎn)的土壓力開(kāi)始下降;在盾構(gòu)通過(guò)測(cè)點(diǎn)約2.5m后,測(cè)點(diǎn)土壓力又開(kāi)始增大;盾構(gòu)通過(guò)測(cè)點(diǎn)約15m后,測(cè)點(diǎn)土壓力逐漸穩(wěn)定。      3)土壓力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在總體趨勢(shì)上比較吻合,表明本文的建模過(guò)程和計(jì)