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號線濱州路站成山路站土壓平衡式盾構(gòu)隧道為實例,利用巖土工程專用軟件FLAC3D進行了盾構(gòu)法隧道開挖中盾構(gòu)正面、側(cè)面和下部土體中土壓力的計算機模擬計算;詳細計算了在盾構(gòu)逐步推進過程中土壓力的動態(tài)變化情況。計算結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合,表明建模過程和計算方法是正確合

2、理的。關(guān)鍵詞城市軌道交通,盾構(gòu)隧道,土壓力,模擬計算       與模擬試驗、工程實際監(jiān)測相比,利用計算機對實際工程進行力學(xué)預(yù)測既節(jié)約時間,又節(jié)省費用。所以,有限元、有限差分等數(shù)值計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)多個優(yōu)秀的計算軟件。在現(xiàn)場的實際監(jiān)測過程中,只能監(jiān)測盾構(gòu)周圍土體中有限幾個點的水平土壓力,測點以外的土壓力是未知的,況且在土體中的任意一點都有六個應(yīng)力分量,即x,y,z,xy,yz,xz;但在實際監(jiān)測過程中,由于技術(shù)手段的限制,不可能把一點的應(yīng)力狀態(tài)完全監(jiān)測清楚。例如,在盾構(gòu)正下方的土壓力,無法用現(xiàn)有

3、的方法監(jiān)測出來,因為盾構(gòu)正下方的土體中無法埋設(shè)傳感器。在這種情況下,對不能計測的某點水平土壓力,可通過數(shù)值模擬計算的方法,把這些盲點處的土壓力計算出來。因此,有必要對盾構(gòu)掘進過程中盾構(gòu)周圍所有點的土壓力或應(yīng)力的變化情況進行數(shù)值模擬,以便搞清楚盾構(gòu)周圍所有點處的應(yīng)力分布情況。1 應(yīng)力場的數(shù)值計算      本文的計算以上海市軌道交通6號線濱州路站成山路站盾構(gòu)隧道為實例。為了檢驗計算的可靠性,還進行了實際監(jiān)測。在計算中采用FLAC3D軟件對區(qū)間的盾構(gòu)隧道施工過程進行模擬計算,模擬盾構(gòu)在連續(xù)掘進的過程中盾構(gòu)周圍土壓力的變化情況,并把計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)

4、進行了比較。FLAC3D軟件是美國Itasca公司開發(fā)的三維有限差分程序,采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程,并應(yīng)用了混合單元離散模型,可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、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到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為,在巖土工程特別是地下工程與隧道的模擬計算中得到了廣泛應(yīng)用。      圖1為本次數(shù)值計算的有限差分網(wǎng)格。根據(jù)對稱性,計算區(qū)域取盾構(gòu)與隧道的一半。網(wǎng)格中共有47600個8節(jié)點6面體單元。圖中帶圓圈的黑線表示測點所在平面。計算中采用非線性

5、莫爾庫倫模型。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 計算初始應(yīng)力狀態(tài)      首先計算初始應(yīng)力場。根據(jù)有限差分軟件FLAC3D的特性,先采用線性彈性模型計算,等到計算模型達到初始平衡狀態(tài)后,再把本構(gòu)關(guān)系改為Mohr-Coulomb模型。該模型在主應(yīng)力空間有一個不等邊六邊形屈服面。本構(gòu)改變后,軟件在彈性計算的基礎(chǔ)上進一步迭代計算,直到重新達到平衡狀態(tài);此時,迭代停止,得到初始應(yīng)力場,如

6、圖2所示。2 盾構(gòu)連續(xù)掘進的模擬      盾構(gòu)機每向前推進一步,推進距離為1.2m,發(fā)生如下變化。      1)單元材料變化:將開挖面向前推進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)的推進是漸進的,而地層環(huán)境是相對靜止的。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)的運動,就必須作某種簡化。本文作以下簡化:假定盾構(gòu)的推進是跳躍式的,每次向前推進的長

7、度(y軸方向)恰好為一個管片的單元寬度。用改變單元材料類型的方法來反映盾構(gòu)的前進,而一次前進的過程中盾構(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)點荷載作用于結(jié)點上,進行有限元計算。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,模擬壓漿壓力對周圍土體的影響。在新的盾構(gòu)殼后部單元結(jié)點上施加指向盾構(gòu)推進方向的結(jié)點位移,同時計算工作面上所有單元節(jié)點上反力之和。該節(jié)點反力和應(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)點上的位移值;反之則加大位移值,直至找到一個符合條件的荷載。在工作面上加上這個合理的位移,模擬盾構(gòu)的正面推力,然后開始有限差

8、分的迭代計算。通過有限差分計算,模擬盾構(gòu)推進30環(huán)(共36m)的過程中,計算特定點的土壓力變化情況。盾構(gòu)正上方3個測點的土壓力計算值和實測值分別見圖3、圖4,盾構(gòu)正下方3個測點的土壓力計算值見圖5。                               圖3和圖5分別為利用有限差分軟件FLAC3D計算得

9、到的土壓力值。圖中的曲線由橫線連結(jié)而成,每條橫線代表一個開挖步,每個開挖步的步長為一環(huán)管片的長度(1.2m);整條曲線代表該點在盾構(gòu)連續(xù)向前掘進的過程中土壓力的變化過程。圖4是實際監(jiān)測到的土壓力值,其測點與圖3中的計算點相對應(yīng)。圖3表明,計算值與實測值的變化趨勢是吻合的,符合一般規(guī)律。即在盾構(gòu)到達之前正上方的土壓力有增大的趨勢,盾構(gòu)到達后或者通過一定距離后又會減小。這說明本文的計算是符合施工實際的。圖5為在盾構(gòu)正下方的3個點的土壓力變化情況。因為盾構(gòu)正下方的土體中無法埋設(shè)傳感器,現(xiàn)通過數(shù)值模擬計算的方法,把這些盲點處的土壓力計算出來。3 結(jié)語    &#

10、160; 本文利用巖土工程專用軟件FLAC3D進行了盾構(gòu)法隧道推進的計算機模擬仿真計算,詳細計算了在盾構(gòu)逐步推進過程中土壓力的動態(tài)變化情況,并把計算結(jié)果和實測結(jié)果進行了比較。通過本文的分析計算,可以得到如下結(jié)論:      1)土壓力的計算值與實測值的變化趨勢是吻合的,符合一般規(guī)律。即在盾構(gòu)到達之前有增大的趨勢,盾構(gòu)到達后或者通過一定距離后又會減小。這說明本文的計算是符合施工實際的。      2)在盾構(gòu)正下方土體的土壓力,因為盾構(gòu)正下方的土體中無法埋設(shè)傳感器而無法監(jiān)測?，F(xiàn)通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn),在盾構(gòu)到達測點前約10m的地方,這些測點的土壓力開始逐漸增大;大約在盾構(gòu)到達測點前3.5m的地方,測點的土壓力開始下降;在盾構(gòu)通過測點約2.5m后,測點土壓力又開始增大;盾構(gòu)通過測點約15m后,測點土壓力逐漸穩(wěn)定。      3)土壓力的計算結(jié)果與實測結(jié)果在總體趨勢上比較吻合,表明本文的建模過程和計