盾構(gòu)隧道施工地表沉隆變位影響因素研究

1、盾構(gòu)隧道施工地表沉隆變位影響因素研究 摘要:研究目的:探明盾構(gòu)隧道施工中各制約因素取值差異對地表沉隆變位分布規(guī)律的影響。研究方法:本文以某擬建地鐵城市區(qū)間盾構(gòu)隧道試驗段為研究對象,引入荷載釋放系數(shù)和縱向等效剛度系數(shù),采用三維有限元法對盾構(gòu)隧道施工引起的地表橫向沉降槽和縱向沉隆曲線進行了研究。研究結(jié)果:揭示了圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素變化對盾構(gòu)隧道施工引起地表沉隆變位的影響,運用三維曲線探討了盾構(gòu)隧道施工過程中的地表沉隆變位曲線空間分布變化規(guī)律。研究結(jié)論:圍巖條件惡化、隧道埋深減小和頂推力增大都將導致施工引起地表沉隆變位影響的加劇,建工程施工中采取調(diào)整頂推力等措施以降低施工對地表環(huán)境的影響

2、。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;橫向沉降槽;縱向沉隆曲線;三維有限元;頂推力 盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機每推進一環(huán)管片幅寬長度,毛洞即可在盾殼的支護下進行管片環(huán)拼裝,并通過同步和壁后注漿向緊靠盾殼后部的開挖洞壁與脫離盾尾襯砌環(huán)間注入大量漿液,以防止由于周圍土體向盾尾空隙移動而引起的較大地層擾動和地表沉降。 眾多學者對盾構(gòu)隧道施工引起地表沉隆變位分布變化規(guī)律進行研究并取得了大量成果。文獻1采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值計算相結(jié)合的研究手段對廣州地鐵二號線區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工引起地表沉隆變位分布變化規(guī)律進行總結(jié)分析;文獻2結(jié)合上海地鐵明珠線盾構(gòu)隧道施工提出了地表沉降預測計算公式及參數(shù)確定方法;文獻3在選用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及相

3、關(guān)預測模型基礎(chǔ)上,對上海地鐵明珠二期盾構(gòu)隧道施工引起地表變形進行了小樣本智能預測;文獻4采用現(xiàn)場監(jiān)測手段分析得出了掌子面與監(jiān)測點距離對沉降量的影響規(guī)律,并對盾構(gòu)頂推施工中的地表沉降進行了階段劃分。 現(xiàn)有研究成果主要是針對相關(guān)工程具體展開,缺乏對各影響因素的對比分析。因此,本文在盾構(gòu)法施工隧道對圍巖擾動影響基礎(chǔ)上,結(jié)合裝配式襯砌環(huán)向和縱向剛度等效特性,對圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素影響下的地表沉降槽(帶)空間分布變化規(guī)律進行了三維有限元數(shù)值模擬和定性分析,研究成果可供工程設計和施工參考。1 工程概況 某擬建地鐵城市二號線試驗段區(qū)間盾構(gòu)隧道位于南北向交主干道下方,地表線路兩側(cè)為14層磚混結(jié)構(gòu)民

4、房。區(qū)間隧道縱斷面兩端高中間低,線路全長1408m,間距13m,隧道結(jié)構(gòu)拱頂埋深7.814m,位于上第四系更新統(tǒng)風積新黃土、第四系上更新統(tǒng)沖擊層和中砂層,地下水位較低且對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。試驗段區(qū)間隧道穿越地層在地下水位附近斷續(xù)分布5m厚的軟化層,地層處于硬塑一軟塑狀態(tài),地下水位以上土層具有濕陷性,隧道圍巖分級為級、局部級。試驗段區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越地層地質(zhì)條件圍巖相關(guān)物理力學參數(shù)如表1所示。試驗段區(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)采用C50預制鋼筋混凝土管片,管片環(huán)外直徑6m,內(nèi)直徑5.40m,管片厚0.30m,標準管片幅寬1.50m。整環(huán)采用“1+2+3”模式(即1個封頂塊,2個鄰接塊和3個標準塊)構(gòu)筑而成

5、。2 計算模型及施工模擬2.1 計算模型 計算采用三維有限元法進行,計算模型如圖1(a)所示。為縮短計算時間,消除邊界效應并滿足較高計算精度要求,模型長48m,寬60m,高36m,單次循環(huán)進尺3m,共完成16組(原型32環(huán))管片拼裝施工,已拼裝完成管片環(huán)、注漿層和盾構(gòu)機如圖1(b)所示。 計算圍巖土體采用實體單元模擬,本構(gòu)關(guān)系符合摩爾-庫侖準則,相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)隧道是由若干環(huán)向和縱向接頭連接而成的復雜帶狀空間體,計算中襯砌管片環(huán)、壁后注漿層及盾構(gòu)機頭均采用實體單元進行模擬,其中由文獻5取管片環(huán)環(huán)向剛度折減系數(shù)0.7,由文獻6取管片環(huán)縱向等效剛度折減系數(shù)0.01,泊松比和容重不折減,

6、計算選用各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。由文獻7取隧道施工引起圍巖荷載釋放系數(shù)0.25。2.2 施工過程模擬 計算采用生死單元法8進行盾構(gòu)隧道開挖過程的模擬,即通過單元的“殺死”來模擬隧道核心土體的開挖,通過單元的“激活”來模擬盾構(gòu)隧道盾尾注漿和管片支護的形成。 根據(jù)盾構(gòu)隧道施工特點,采用三維有限元模擬隧道的施工全過程主要包括如下幾個步驟:(1)求解土體初始應力場,明確各單元的初始應力狀態(tài);(2)“殺死”單元,模擬核心土體開挖,形成洞周徑向荷載釋放;(3)“激活”單元,模擬管片環(huán)拼裝和注漿層的形成;(4)循環(huán)進行,直至整條隧道貫通。3 成果與分析3.1 橫向沉降槽 計算得盾構(gòu)隧道分別完成第4環(huán)、第8

7、環(huán)、第12環(huán)管片拼裝和全隧道貫通后,不同圍巖條件和隧道埋深下,頂推力改變所引起的目標斷面1和目標斷面2的地表橫向沉降槽分布變化規(guī)律分別如圖2和圖3所示。 對比分析圖2和圖3可以看出:盾構(gòu)機到達前,受刀盤頂推力對前方土體的擠壓效應影響,掌子面前方一定距離處地表形成隆起;盾構(gòu)機通過時,受脫離盾殼管片環(huán)和土壁間隙引起地層應力損失影響,地表形成較大沉降量且該沉降速率較大,同時隧道兩側(cè)土體向隧道中線移動,施工影響范圍擴大,地表形成較大橫向沉降槽;隨著掌子面的逐漸遠離,施工對地表沉隆變位的影響逐漸減小,地表橫向沉降槽漸趨穩(wěn)定且不再變化。 盾構(gòu)隧道施工過程中,圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素差異都在較大程度

8、上制約著地表橫向沉降槽的變化和沉降量的增加。以目標斷面1地表橫向沉降槽為例對各影響因素作用下的地表沉降量進行分析,計算得類圍巖、2D埋深和0.3MPa頂推力作用下掌子面下穿目標面時的地表沉降量為0.62cm,約占隧道貫通后總沉降量的40%;圍巖條件減弱,類圍巖地表沉降量為0.57cm,約占隧道貫通后總沉降量的20%;埋深減小,1D埋深地表最大沉降量為0.39cm,約占隧道貫通后總沉降量的27%;頂推力增大,0.40MPa頂推力引起的地表沉降量為0.57cm,約占隧道貫通后總沉降量的40%。由此可以看出,修建盾構(gòu)隧道所引起的地表沉降量更多地產(chǎn)生于施工后期,即長期固結(jié)期,而受施工階段盾尾孔隙、壁后

9、注漿和施工圍巖擾動等影響相對較小。3.2 縱向沉隆曲線 點繪計算所得各影響因素作用下,盾構(gòu)隧道分別完成第4環(huán)、第8環(huán)、第12環(huán)管片拼裝和全隧道貫通時的隧道縱軸線正上方地表縱向沉隆變位分布曲線如圖4所示。由圖中可以看出,受頂推力等因素影響,掌子面前方一定距離處地表形成隆起,隨后逐漸下沉,但下沉趨勢不斷減緩并最終趨于穩(wěn)定。分析計算數(shù)據(jù)可以看出,類圍巖、2D埋深和0.3MPa頂推力作用引起前方地表最大隆起點距掌子面約15m,圍巖條件減弱,類圍巖中該距離約為13.5m;隧道埋深減小,1D埋深下該距離約為6m;頂推力增加對地表最大隆起量出現(xiàn)位置幾乎沒有影響,由此可以看出,該隆起點位置受掌子面頂推力影響較

10、小,而隧道埋深和圍巖條件差異是制約地表縱向沉隆曲線變化規(guī)律的關(guān)鍵因素,而其中又以隧道埋深的影響最大,如當埋深由2D減小為1D后,該最大隆起量出現(xiàn)位置可縮短約40%。 由各影響因素作用下地表縱向沉隆曲線隨施工進程的分布變化規(guī)律可以看出,隧道所處圍巖條件、埋深和頂推力等因素均將在較大程度上影響和制約著地表沉隆曲線的變化規(guī)律。圍巖狀況惡化或隧道埋深的減小都將引起隧道縱軸線正上方地表沉隆變化區(qū)域及變位量的顯著增加;頂推力降低,隧道施工對地表的影響相應削弱。3.3 沉隆變位分布 由計算所得地表橫向沉降槽和縱向沉隆曲線,點繪類圍巖、2D埋深、0.3MPa頂推力作用下盾構(gòu)隧道分別完成第8環(huán)管片拼裝和隧道全長

11、貫通后的地表沉隆變位三維分布曲線如圖5所示。由圖中可以看出,盾構(gòu)隧道頂推施工將引起掌子面后方地表形成較大沉降量,受沉降圍巖帶動影響,兩側(cè)圍巖擁向隧道中軸線,從而形成沉降槽。受頂推力影響,掌子面前方圍巖產(chǎn)生向上、向前移動趨勢,從而形成地表隆起,遠側(cè)圍巖受隧道施工影響較小,地表沉隆變位不明顯。隧道貫通后,地表形成沿縱軸線對稱沉降槽,受圍巖次固結(jié)效應影響,早期施工完成管片環(huán)上方形成較大沉降量。4 結(jié)論與建議 結(jié)合廣州地鐵三號線大-瀝區(qū)間盾構(gòu)隧道施工,采用三維有限元法對隧道施工過程中的地表沉隆變位分布變化規(guī)律進行了深入研究和定性分析,揭示和探討了圍巖條件、隧道埋深、頂推力等因素變化引起的地表沉隆變位差

12、異,通過本文研究可得出如下結(jié)論: (1)盾構(gòu)隧道施工地層應力損失導致后方及掌子面附近地表橫向形成類似于Peck沉降曲線的單一沉降槽,刀盤頂推力擠壓效應引起前方地表橫向隆起。地表沉降量主要產(chǎn)生于施工后期的長期固結(jié)期而受施工期影響相對較小。 (2)施工地層應力損失、后期固結(jié)沉降和掌子面頂推力導致地表縱向呈前隆后沉趨勢變化。掌子面前方最大隆起點出現(xiàn)位置受隧道埋深影響較大,而隆起量則受圍巖條件影響較大。 (3)分析不同影響因素作用下的地表沉隆變位分布變化規(guī)律可知,圍巖條件惡化、隧道埋深減小和頂推力的增大都將導致施工對地表影響的增加,工程設計中應在結(jié)合圍巖差異基礎(chǔ)上適當調(diào)整隧道埋深,并在施工中適時調(diào)整頂推力以降低施工對地表環(huán)境的影響。BR參考文獻:1劉招偉,王夢恕,董新平.地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析J.巖石力學與工程學報,2003(8):1297-1301.2沈培良,張海波,殷宗澤.上海地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)施工地表沉降分析J.河海大學學報(自然科學版),2003(5):556-559.3安紅剛,孫鈞,胡向東,等.盾構(gòu)法隧道施工地表變形的小樣本智能預測J.成都理工大學學報(自然科學版),2005(4):362-367