基于等代層模型的盾構(gòu)法地層移動(dòng)優(yōu)化反分析

1、基于等代層模型的盾構(gòu)法地層挪動(dòng)優(yōu)化反分析提要 該文提出了盾構(gòu)施工引起的地層挪動(dòng)的反 分析 優(yōu)化 方法 ,采用共軛梯度法優(yōu)化程序并且基于等代層模型來(lái)評(píng)價(jià)地層挪動(dòng),分析了回填注漿對(duì)地層挪動(dòng)的 影響 。通過(guò)南京地鐵某盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反分析結(jié)果,發(fā)如今粘土層中盾構(gòu)施工對(duì)地表的影響角度大約為45°,回填注漿可以減少60%80%的 自然 空隙。建立了新的經(jīng)歷公式來(lái)預(yù)測(cè)南京地區(qū)盾構(gòu)施工引起的地層挪動(dòng),實(shí)例說(shuō)明該公式具有良好的效果。關(guān)鍵詞 盾構(gòu)法 等代層模型 反分析 優(yōu)化1 引言盾構(gòu)法由于其自動(dòng)化程度高、對(duì) 交通 影響小等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為 目前 城市隧道施工的主要方法。但是盾構(gòu)施工是在巖土體內(nèi)部進(jìn)展

2、的,無(wú)論其埋深大小,盾構(gòu)的施工將不可防止地?cái)_動(dòng)土體,破壞了原有的平衡狀態(tài),而向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化。無(wú)論盾構(gòu)隧道施工技術(shù)如何改進(jìn),由于施工技術(shù)工藝質(zhì)量及周圍的環(huán)境和巖土介質(zhì)的特點(diǎn),施工引起的地層挪動(dòng)是不可能完全消除的。因此,預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工的影響范圍是很有必要的。工程中,經(jīng)常會(huì)采用一些參數(shù)較少的經(jīng)歷公式,譬如1969年P(guān)eck提出的高斯曲線分布1。高斯曲線雖然能跟實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)相吻合,但是它沒(méi)有 理論 上的根底,而且不同的地層特性和施工工藝其曲線分布也是不同的。采用有限元等方法的數(shù)值模擬來(lái)模擬地層挪動(dòng)是常用的方法2,3。但是由于復(fù)雜的施工技術(shù)以及多變的地層參數(shù),很難使模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)保持一致。因此,

3、在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,不但要保證周邊環(huán)境的穩(wěn)定,還必須采集更多的數(shù)據(jù)用作反分析。本文采用共軛梯度的優(yōu)化程序,基于等代層模型來(lái)確定盾構(gòu)施工的影響角度,并且考慮到回填注漿的影響建立經(jīng)歷公式預(yù)測(cè)地層挪動(dòng)。2 等代層模型g=Gp+U*3D+(1)式中,Gp為盾尾脫空引起的變形;U*3D為盾構(gòu)開(kāi)挖面等效的三維彈塑性變形;為考慮到施工工藝開(kāi)挖面產(chǎn)生的徑向變形。當(dāng)采用土壓平衡式盾構(gòu)時(shí),U*3D取值為0。Loganathan和Poulos在1998年重新把空隙參數(shù)定義為等代層模型,結(jié)合均勻彈性半空間隧道的解析方法,預(yù)測(cè)在粘土層中盾構(gòu)施工引起的地層挪動(dòng)5,如圖1所示。不考慮土體的固結(jié),地層的程度及垂直挪動(dòng)可以用下式表示

4、:Gp=Gp(4)式中,Gp為未注漿時(shí)的盾構(gòu)機(jī)的自然空隙;為注漿因子。注漿因子表示注漿后盾尾脫空的變形情況。值越小表示注漿回填盾尾脫空引起的空隙的百分比越大,反之那么越小。Lee等人用有限元分析大量不同H/R比的隧道,分析施工工藝參數(shù)的影響,結(jié)果說(shuō)明隧道上方最大位移可以用下式表示4:=0·6Gp(5)3 優(yōu)化反分析3.1 共軛梯度法3.2 建立優(yōu)化方程基于等代層模型進(jìn)展反分析,并利用共軛梯度的優(yōu)化程序得到更接近實(shí)際的優(yōu)化參數(shù)。共軛梯度法的目的函數(shù)可以建立為:其中N為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目,u為實(shí)測(cè)位移,u為反分析得到的位移。3.3 反 分析 結(jié)果 該區(qū)間屬古河道漫灘地貌,基巖埋藏較深,均大于25

5、m。軟弱土層較厚,主要為低塑性淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等,土質(zhì)不均,粘性土中常局部夾有粉細(xì)砂,土質(zhì)較差。選擇該區(qū)間的8個(gè)斷面作為測(cè)試斷面,利用監(jiān)測(cè)結(jié)果做反分析。隧道參數(shù)及反分析結(jié)果列于表1。從表1可以看出,在粘土層中,施工對(duì)地表的 影響 角度在45°左右,而且與隧道的埋深沒(méi)有直接的聯(lián)絡(luò)。如圖3所示,回填注漿因子與隧道幾何尺寸H/D之間(D為隧道直徑)呈指數(shù)分布關(guān)系,其關(guān)系可用下式表示:將的平均值45°以及(7)式代入到(2)、(3)式,可以得到新的土體垂直位移以及程度位移的經(jīng)歷公式。4 實(shí)例驗(yàn)證 計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5可知,2條曲線比較吻合,最大殘差為2.5mm,

6、平均殘差1.1mm。圖6中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算曲線相當(dāng)接近。這些結(jié)果說(shuō)明了反分析參數(shù)的可靠性。因此在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中,根據(jù)前期施工時(shí)的位移監(jiān)測(cè)值反分析得到的等代層參數(shù),可用于后期施工時(shí)的地層位移的預(yù)測(cè)。5 結(jié)論在城市隧道施工中,對(duì)周邊建筑物影響的評(píng)估是一個(gè)重要的課題。因此有必要在施工的過(guò)程中進(jìn)展監(jiān)測(cè),不單是為了保證建筑物的平安,而且可以為反分析提供重要的信息。等代層模型將盾尾空隙的大小、注漿填充程度等用一個(gè)均質(zhì)的、等厚的等代層來(lái)描繪,可以評(píng)估隧道周邊任何位置的程度以及垂直位移。本文提出的反分析的優(yōu)化 方法 ,能很好地實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。可以得到以下結(jié)論:1)優(yōu)化反分析是建立大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的根底上得到的

7、等代層模型的參數(shù),進(jìn)展實(shí)例正分析時(shí),能很好地跟實(shí)際保持一致。2)盾構(gòu)在粘土層中施工時(shí),對(duì)地表的影響角度在45°左右。根據(jù)本文的優(yōu)化反分析結(jié)果顯示,回填注漿可以減少60%80%的 自然 空隙。實(shí)例說(shuō)明,回填注漿能更好地預(yù)測(cè)地表沉降。3)本文的等代層模型是建立在土壓平衡式盾構(gòu)在粘土層中施工根底上的,模型參數(shù)是利用南京盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化反分析得到的,只能預(yù)測(cè)南京地區(qū)的盾構(gòu)施工引起的地層挪動(dòng)。在其他地區(qū)采用本文的方法,需要考慮其它一些影響地層挪動(dòng)的因素。參考 文獻(xiàn)1PeckP·B.Deepexcavationsandtunnelinginsoftground,In: Proceedingofthe7thInternationalConferenceonSoilMechan-2張海波,殷宗澤,朱俊高.地鐵隧道盾構(gòu)法施工過(guò)程中地層變位的三維有限元模擬.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(5):7557603于寧,朱合華.盾構(gòu)隧道施工地表變形分析與三維有限元模擬.巖土力學(xué),2004,25(8):133013345Loganthan,N.,Poulo