（道路與鐵道工程專業(yè)論文）盾構推進引起周圍土體變形的預測和控制研究.pdf

檣尊 v 盾構法隧道在施工時 無論其埋深大小 均會對土體產(chǎn)生不同程度的擾動或破壞 造 成地層移動與變形 甚至誘發(fā)地面沉陷 基坑垮塌 隧道涌水 周邊建筑物與地下管線損 壞等一系列地層環(huán)境損傷問題或災害事故 隨著盾構法隧道在城市地下鐵道工程中的廣泛 應用 盾構隧道施工對周圍環(huán)境的影響特別是地面隆沉問題受到越來越多的關注 因此盡 可能準確地預測盾構推進過程中盾構施工參數(shù)對隧道周圍土體的影響程度 以求在設計和 施工中采取減少變形的措施 顯得非常重要 通過分析盾構推進過程中的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)以及應用有限元軟件p l a x i s3 dt u n n e l 模 擬工作面平衡壓力 同步注漿量 隧道埋深 土質(zhì)情況對周圍土體變形的影響 得到的主 要研究成果如下 1 對盾構隧道推進引起周圍土體變形的原因 變形機理 變形特征以及影響土 體變形的因素進行了理論分析 2 通過對各項現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和有限元軟件的數(shù)值模擬實驗 系統(tǒng)地研究 了在盾構推進過程中各個施工參數(shù)的變化對周圍土體變形的影響 得出在盾 構推進過程中各個盾構施工參數(shù)的變化對周圍土體變形的影響規(guī)律 3 通過對不同施工條件下盾構施工參數(shù)的實測分析和數(shù)值模擬分析 得出盾構 隧道推進過程中盾構施工參數(shù)的設定規(guī)律 4 針對各施工參數(shù)對土體變形的影響特點 總結由施工參數(shù)變化引起的土體變 形影響的一般規(guī)律 5 針對各施工參數(shù)對土體變形的影響特點 提出了盾構推進過程中控制土體變 形的具體措施 關鍵詞 盾構法隧道施工實測數(shù)值模擬工作面平衡壓力盾構總推力刀盤扭矩同 步注漿土體變形 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fs h i e l dt u n n e l i n gm e t h o dw i l ld i s t u r bo rd e s t r o yt h es o i l b o d yw i t h d i f f e r e n td e g r e e s a n dr e s u l ti ng r o u n dm o v e m e n t d e f o r m a t i o n a n de v e ni n d u c ea s e r i e so fq u e s t i o n sa b o u te n v i r o n m e n td a m a g eo rd i s a s t e ra c c i d e n t s u c ha ss u r f a c e s u b s i d e n c e f o u n d a t i o nc o l l a p s e t u n n e lg u s h i n g d a m a g eo fs u r r o u n d i n gb u i l d i n g sa n d u n d e r g r o u n dp i p e l i n e n om a t t e rw h a ti st h ed e p t ho ft h et u n n e ib u r i e d w i t ht h ew i d e a p p l i c a t i o no fs h i e l dt u n n e l i n gm e t h o di nc i t ys u b w a yc o n s t r u c t i o n s p e o p l ep a ym o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ee f f e c t so ft h ec o n s t r u c t i o no fs h i e l dt u n n e l i n gm e t h o do n s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t e s p e c i a l l yt ot h eu p l i f ta n ds u b s i d e n c eo ft h eg r o u n d c o n s e q u e n t l yi ta p p e a r se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt h a tf o r e c a s tt h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h e t u n n e is u r r o u n d i n gs o l i b yt h es h i e l d i n gc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r sa sa c c u r a t ea s p o s s i b l e s ot h a t w ec a nt a k em e a s u r e st or e d u c ed e f o r m a t i o ni n d e s i g no r c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fe a c hm o n i t o r e dd a t ai nt h ep r o c e s so fs h i e l dd r i v i n g a n da p p l yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ep l a x i s3 dt u n n e lt os i m u l a t et h ei n f l u e n c eo nt h e b a l a n c ep r e s s u r eo ft h ew o r k i n gf a c e s y n c h r o n i z e dg r o u t i n ga m o u n t t h ed e p t ho ft h e t u n n e lb u r i e d a n dt h es o i lc o n d i t i o nt ot h ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gs o i l ig o tt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t s 1 t h er e a s o nf o rt h ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gs o i lb ys h i e l dt u n n e ld r i v i n g t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d e f o r m a t i o nf a c t o ra r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d 2 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fe a c hm o n i t o r e dd a t aa tw o r k s i t ea n da p p l y f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e m a t i c a l l y s t u d yt h ei n f l u e n c eo nt h ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gs o i lb yt h es h i e l d i n g c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s a n do b t a i nt h ee f f e c tr e g u l a r i t yo ft h ed e f o r m a t i o n o fs u r r o u n d i n gs o i lb yt h ev a r i a t i o n a ls h i e l d i n gc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s 3 a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e da n a l y s i so ft h es h i e l d i n gp a r a m e t e r su n d e rt h e d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa n dn u m e r i c a is i m u l a t i o na n a l y s i s o b t a i n t h es e t t i n gr e g u l a r i t yo ft h es h i e l d i n gc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r si nt h ep r o c e s s o fs h i e l dd r i v i n g 4 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee f f e c tt ot h es o l id e f o r m a t i o nb ye a c h c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s s u m m a r i z et h eg e n e r a lr u l eo ft h es o i ld e f o r m a t i o n d u et ot h ev a r i a t i o n a ls h i e l d i n gc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s 5 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee f f e c tt ot h es o i ld e f o r m a t i o nb ye a c h c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s a d v a n c es o m ec o n c r e t em e a s u r e sf o rc o n t r o l l i n g t h es o i ld e f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so fs h i e l dd r i v i n g k e yw o r d c o n s t r u c t i o no fs h i e l dt u n n e l i n gm e t h o d s i t em o n i t o r i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nb a l a n c ep r e s s u r eo ft h ew o r k i n gf a c et o t a it h r u s to ft h e s h i e l dc u t t e r h e a dt o r q u e s y n c h r o n i z e dg r o u t i n g s o i ld e f o r m a t i o n 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師的指導下進行的研究工作 所取得的成果 盡我所知 除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外 本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 對本文的研究做 出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式注明并表示感謝 本人完全意 識到本聲明的法律結果由本人承擔 學位論文作者 本人簽名 司細寺29 口7 年工月二7 日學位論文作者 本人簽名 縐jf 爿 77 孑29 口7 年工月二節(jié)日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解南京林業(yè)大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 同 意學校保留并向國家有關部門或機構送交論丈的復印件和電子版 中國科學技術 信息研究所 國家圖書館等 允許論文被查閱和借閱 本人授權南京林業(yè)大學 可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以匯編和綜合 為學校的科技成果 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論 文全部或部分內(nèi)容 保密口 在 年解密后適用本授權書 本學位論文屬于不保密 請在以上方框內(nèi)打 學位論文作者 本人簽名 指導教師 本人簽名 日暫 丫 2 己 腳甲 懈戶 n u 冊礦 扎矽 致謝 本文是在導師楊平教授的悉心指導下完成的 首先 我要感謝恩師楊平 教授 楊老師淵博的學識 科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度 寬闊的胸襟 平易近人的 態(tài)度令我終生銘記 平日里他對我的諄諄教導和無微不至的關懷使我受益終 生 在此論文完成之際 特此向恩師楊平教授表示最誠摯的謝意 并祝恩師 身體健康 工作順利 家庭幸福 作者還要借此機會感謝在攻讀碩士研究生期間給于指導和幫助的老師 們 他們是 邵光輝副院長 鄭加柱老師 張庭老師 趙志芬老師 魏浩瀚 老師等 他們在學習和思想上給了我很大的幫助 在此向他們致以衷心的感 謝 作者感謝所有所有關心和幫助過我的老師 朋友和同學 最后 我還要特別感謝我的父母和親人們 感謝他們在我攻讀碩士研究 生期間給于的關懷 理解和支持 作者 司翔宇 二零零九年二月 1 1 研究課題的意義 1 緒論 進入二十一世紀 世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展加速了城市化進程 隨著城市密集度的不斷提 高和高層建筑的不斷增加 地面可利用的空間越來越少 而且地下又布滿了各種用途的管 線 所以 如何更有效地利用和創(chuàng)造地下空間已成為當今城市現(xiàn)代化建設的重要課題 為 此 修建城市地下鐵道 地下供排水 供電和通信電纜通道 地下煤氣管道 行車隧道等 各種城市隧道與地下構筑物在世界各國越來越受到人們的重視 地下鐵道因其運輸能力大 速度快等特點在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作 用 尤其在人口密集的大城市 其對于緩解地面交通壓力的效果更是不可替代 近年來 隨著我國經(jīng)濟的迅速增長 我國的地下鐵道建設進入大發(fā)展時期 目前中國有約2 0 多個 大城市正在建設或籌建自己的地下軌道交通 其中 北京 上海 廣州正在擬建地鐵網(wǎng)絡 南京 沈陽 蘇州等城市正在修建地鐵交通 修建地鐵等城市地下工程 有明 蓋 挖法 暗挖法 盾構法 礦山法等 各種方法 都有其優(yōu)缺點和適用條件 而盾構法以其諸多優(yōu)勢成為城市地鐵隧道采用最多的施工方法 1 1 盾構法是一種施工過程中依靠自身剛性支護不斷地在前方開挖土體 在盾尾進行管片 拼裝和壁后注漿的隧道施工方法 該法可在大范圍的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下使用 具 有機械化程度高和施工速度快等優(yōu)點 從綜合效益觀點出發(fā) 盾構法是一種比較經(jīng)濟的方 法 盾構法自1 8 2 5 年由法國工程師m a b r u n e l 發(fā)明以來經(jīng)歷了從手掘式 擠壓式 氣壓 式到土壓平衡和泥水加壓式的盾構 1 8 9 4 年 盾構法首次應用到地鐵隧道建設中 到2 0 世紀8 0 年代末 大約有3 2 個國家和地區(qū)的8 1 座城市修建了2 9 0 條地下鐵道線路 總長 計5 0 0 0 k m 這些隧道基本上是用盾構法施工完成的 2 0 世紀5 0 年代 盾構法引入我國 1 9 8 9 年 上海地鐵一號線建設首次將盾構法應用到我國地鐵隧道施工中 隨后 廣州地 鐵工程中也采用了盾構法施工技術 目前 隨著城市地鐵隧道的大量修建 盾構法已得到 廣泛的應用 成為城市內(nèi)地鐵施工最主要的方法 大量的工程實踐表明 盡管盾構法隧道施工技術已經(jīng)發(fā)展得很成熟 但盾構施工不可 避免地對土體產(chǎn)生擾動 從而引發(fā)不同程度的地層位移和變形 通常表現(xiàn)為地表隆沉 隨 著盾構法隧道施工在地下隧道工程中的廣泛應用 盾構隧道施工對周圍環(huán)境的影響 特別 是地表隆沉問題 受到越來越多的關注 盾構法隧道在施工時 無論其埋深大小 均對土體產(chǎn)生不同程度的擾動或破壞 造成 地層移動與變形 甚至誘發(fā)地面沉陷 基坑垮塌 隧道涌水 周邊建筑物與地下管線損害 等一系列地層環(huán)境損傷問題或災害事故 因此 盡可能準確地預測盾構法隧道的地表隆起 或沉降量 隆沉范圍等 以求在設計和施工中采取減少變形的措施 顯得非常重要 盾構法隧道施工過程中地層變位受很多因素的影響 主要有 1 隧道覆土厚度 2 盾構外徑 3 開挖面壓力變化量 土壓倉壓力減去土體原位靜止土壓力 4 盾尾注漿的填 充率 注漿體積與建筑空隙之比 5 地層物理力學性質(zhì) 6 施工條件等 不少學者對盾構 隧道施工引起的地層變位作了大量的理論分析 試驗和實測研究 1 2 3 1 但由于實測和試驗 數(shù)據(jù)數(shù)量有限 難以完全反映各種因素對地層變位的影響規(guī)律 因此 盾構隧道施工引起 l 的周圍地層變位是盾構法隧道設計及施工中十分關注的問題 加強這方面的研究尤為迫 切 1 2 研究課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在軟土地層中建造隧道 改變了原地層的邊界 必然會引起或多或少的地層位移和地 表隆沉 它將影響到周圍的環(huán)境 鄰近建筑物以及地下管線的安全 針對這一問題 國內(nèi) 外都進行了較為深入的研究 提出了一些分析方法 目前 就引起地層變形的基本原因 研究人員已基本達成共識 即隧道施工中的地層損失及隧道周圍土體受擾動產(chǎn)生的再固 厶圭 多日 縱觀隧道掘進引起的地層變形的研究方法 可將其分為兩大類 即不考慮施工過程的 方法和部分考慮施工過程的數(shù)值模擬法 由施工中的觀察結果提出的較為簡單的經(jīng)驗公式 及彈性 彈塑性和粘彈性解析解法是不考慮施工過程對地層變形的影響的 而各種數(shù)值計 算方法以其靈活性在計算時可以部分考慮施工過程對地層變形的影響 1 2 1 不考慮施工過程的方法 依其所采用的理論基礎的不同 有經(jīng)驗法和理論解析法兩種 1 經(jīng)驗法 1 p e c k 認為 施工中引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的 所以沉降槽的體積應 等于地層損失的體積 據(jù)此 他于1 9 6 9 年在墨西哥土力學及基礎工程國際會議上提出了盾 構隧道施工階段的地面沉降的估算公式 2 s s e x p 卜嗇i 1 1 s 一 去 去 2 式中 s 隧道兩側橫向上距隧道中心x 處的地面沉降量 m x 隧道兩側橫向上距隧道中心的距離 m 巧 盾構隧道單位長度的地層損失量 m 3 m s 隧道中心處的最大沉降量 m f 曲線反彎點離隧道中心的距離 m 亦稱沉降槽寬度系數(shù) p e c k 法成了后來研究地面沉降的基礎 a t t e w e l l 假定沉降槽的曲線形式為正態(tài)分布曲 線 并于1 9 8 2 年提出了計算最大沉降量的公式 既 善 1 3 2 贏 淵 k 云 4 式中 k n 對某一種土來說 為一定的常數(shù) r 為隧道半徑 i 為沉降槽寬度系數(shù) z 為 隧道埋深 v 為沉降槽的橫斷面面積 其取值以土類而定 變化范圍很大 所以此法預測 的精度并不好 1 9 8 2 年 o 7 r e i l l y n e w 也假定沉降槽的曲線形式為正態(tài)分布曲線 并按粘性土和砂 性土地層分別統(tǒng)計出沉降槽寬度系數(shù)i 與為隧道埋深z 之間的相關關系 并認為i 值與隧 道直徑幾乎無關 運用時 只要知道z 即可求出i 進而用上式求出最大沉降量 半谷于1 9 7 7 年根據(jù)隧道開挖面及隧道上的覆蓋層條件給出了最大的地面沉降范圍 1 9 8 2 年 藤田研究了不同形式的盾構對地層變位的影響 根據(jù)圍巖的種類 盾構形式及 輔助工法的不同 分類預測了最大沉降量 并用表格給出預測值 1 9 9 4 年 方曉陽 2 等在p e c k 法和藤田法基礎上提出了估算不同類型盾構法隧道地面 沉降量大小和分布范圍的p e c k f u j i t a 法 給出了最大和最小沉降曲線 但是各類地層的 最大和最小沉降曲線有時相差很大 經(jīng)驗法只是大致地給出地表沉陷的計算方法 它無法考慮地層的詳細條件 更無法考 慮施工條件 襯砌剛度 襯砌與土層的相互作用及施工中采取的一些輔助措施 因此 一 般情況下計算結果與實測結果均相差很大 它們的應用可能性受到不同隧道幾何形狀 地 層條件和施工技術的限制 2 彈性 彈塑性和粘彈性理論解析方法 隨著對地層變形研究的深入 許多學者將相關學科的研究成果引入到隧道的軟土地層 變形研究中 考慮地基土層的變形特點 將地基土作為彈性 彈塑性和粘彈性體考慮 陶 履彬 侯學淵 3 用軸對稱的平面應變彈性理論分析了圓形隧道的應力場和位移場 日本的 久武勝保 4 研究了圓形隧道的非線性彈塑性的理論解 將土體作為彈塑性和粘彈性材料 反映了土體的非彈性性質(zhì) 并考慮了地層位移與時間的相關性 由于受計算條件的限制 只能對較簡單的邊界條件和初始條件求出解答 所以這些方法幾乎無一例外地將地層假定 為均勻的 軸對稱的平面應變問題 使其應用受到極大的限制 更無法考慮施工條件對地 層位移的影響 1 2 2 部分考慮施工過程的數(shù)值模擬法 大量的工程實踐逐步證明 地層移動不僅與土性有關 而且與施工方法 襯砌形式等 有關 但是解析法只能考慮較為簡單的定解條件 而數(shù)值計算方法的發(fā)展 使得復雜定解 條件的處理成為可能 在分析隧道開挖引起的地層位移時 可以對施工過程進行程度不同 的模擬 在這方面 有限元以其特有的靈活性得到了廣泛的應用 1 二維平面應變分析方法 8 0 年代 同濟大學巖土工程系對上海飽和軟粘土中地鐵盾構隧道試驗段進行了平面 應變的有限元分析 并與現(xiàn)場測試結果進行分析對比 提出了考慮施工因素和固結因素的 派克修正公式 警唧 一爿 式中 形 施工引起的單位長度的地層損失量 m 3 m k 隧道頂部土體加權平均的滲透系數(shù) m d h 一隧道埋深 m 哦川 地面沉降值 m x 沉降點與隧道軸線的水平距離 m 3 1 5 卜 時間 d 大西有三和岸本英明 提出一種單元重積法來考慮開挖面位置的影響 并假定隧 道始終處于平面狀態(tài) 通過改變單元的彈性參數(shù)模擬被挖去的單元 開挖的外力以反向加 在周圍結點上 如此反復操作 模擬開挖面的不斷推進 用二維平面應變分析方法只能有限地反映橫截面上的部分特征 幾乎無法反映出隧道 的施工過程對地層位移的影響 尤其是靠近開挖面附近處 2 縱 橫剖面的平面應變分析方法 r e s e n d i z 和r o m o 6 對盾構法隧道的縱 橫剖面作了平面應變的非線性有限元分析 為計算由于工作面開挖引起的豎向位移 將隧道表示成一個水平槽 除工作面外 在隧道 邊界上任何地方土體的位移均被限制 通過縱剖面的平面應變有限元法分析了開挖面應力 釋放及開挖面移動時 隧道軸線上方不同深度z 處的土體豎向位移以 對計算結果進行曲 線擬合后 得到兄 的計算公式 芻 0 0083 0 0025zd 吉卜p 魯e 6 h l h 口 l 式中 d 為隧道直徑 m h 為隧道拱頂?shù)穆裆?m 以為隧道軸線處水平應力 k p a p 為隧道開挖面上的液體壓力 k p a 占 仃 分別為隧道仰拱至地面土體破壞時的軸向應 變和應力 k p a 曩是與二妥有關的函數(shù) x 是b 點與開挖面起始點a 的距離 m 然 后 在橫剖面中首先考慮并挖面周圍軸對稱的應力釋放引起土體的豎向位移的大小 并根 據(jù)計算結果進行曲線擬合 得到過b 點的橫剖面上距離隧道軸線距離為y 處的位移九的 計算公式 砉一m 南 2 m 7 式中 形 1 4 5 1 1 5 二 y 上 為考慮土體和初始襯砌間的環(huán)形空隙的閉合及隧道周圍擾動土體的固結引起的地層 位移 r e s e n d i z 等假設隧道的內(nèi)邊界產(chǎn)生一均勻向內(nèi)的位移萬 并以此作為內(nèi)邊界條件 進行平面應變的非線性有限元分析 對分析結果進行曲線擬合得到y(tǒng) 處的豎向位移五 計 算公式 等 陬 南 2 1 m 8 腓斟 圳也 4 式中 是由于均勻向內(nèi)的徑向位移占引起的隧道軸線上方的沉降 其它符號意義同前 這種方法可以在較為廣泛的幾何范圍內(nèi)計算隧道掘進引起的地層位移 但是在分析中 參數(shù)萬只能以經(jīng)驗估算 另外 隧道開挖面應力釋放引起的橫剖面位移的計算方法的物理 意義十分模糊 這種方法被用于對墨西哥城的盾構法污水隧道的沉降作了預測 與觀測值 相比 計算值明顯偏大 4 f i n n o 和c l o u g h 7 分別取縱 橫剖面分析了美國舊金山第一座土壓平衡盾構隧道 分 階段模擬了隧道的施工過程 該方法的最大特點是能直接確定擾動帶的范圍和模擬這部分 土體后來的固結 以上所述的方法均假定縱橫剖面保持為平面應變狀態(tài) 因此 在隧道施工中主應力方 向的變化是無法反映的 3 三維分析與二維橫剖面分析相結合 i t o 和h i s a t a l e 8 用三維常量邊界元分析了均質(zhì)線彈性地層中的淺埋隧道在開挖面瞬 時到達某一位置且隧道周邊應力完全釋放時地面沉陷的特征曲線 厶 然后將襯砌作為 剛性邊界 對隧道橫剖面作二維粘彈性分析 設t 時刻地面沉降為u 五 o x 2 f 則 三位粘彈性地面沉降為 u 2 o h 工3 t u o h f 厶 知 1 9 該方法對盾尾空隙作了兩種極端情況處理 一種認為注漿完全充填空隙 開挖面通過 后 隧道周邊位移不發(fā)展 另一種則完全忽略回填 認為土層在自然充滿空隙前 土層與 襯砌不接觸 當土層填滿空隙后 土層與襯砌接觸 位移不再發(fā)展 該方法考慮了隧道開挖面的三維效應 但是對襯砌及盾構尾隙的處理過于簡化 沒有 考慮襯砌剛度對地層位移的影響 另外 它只計算地表沉降 而對地層內(nèi)部的變形無法計 算 也無法計算固結變形 l e e 和r o w e 9 假定土體具有彈性完全塑性的關系 用三維彈塑性有限元分析了加拿 大安大略省的桑德貝隧道 引入總間隙參數(shù)反映隧道開挖面推進和隧道施工引起的地層損 失 總間隙參數(shù)g 的定義為 g u 五 w 2 萬 1 1 0 式中 u 募為開挖面推進引起的等效三維徑向位移 為盾尾壁厚 萬為拼裝襯砌的空間 w 時與施工質(zhì)量有關的參數(shù) 采用兩階段分析來模擬壓力被完全釋放 二隧道周邊的徑向壓力直到隧道頂仰拱的徑 向總收斂值相應于物理間隙 即2 萬時才釋放 這樣用三位彈塑性有限元確定開挖面前 方土體向已開挖部位的三維運動 估算u 耘 從而計算總間隙參數(shù)g 然后進行第二次三 位近似計算 模擬整個隧道的開挖過程 允許隧道周邊土體自由地向已開挖區(qū)內(nèi)變形 一 旦土體徑向熟練達到總間隙參數(shù) 環(huán)狀襯砌單元節(jié)開始起作用 且假定土體與襯砌完全接 觸 并達到平面應變狀態(tài) 該方法中等效三維徑向位移的物理意義較為含糊 且由于三維 計算的復雜性 對軟土地層的擾動及固結特性均無法考慮 4 有限元法 有限元法能考慮較多復雜條件 使求解的問題更加符合工程實際 滿足工程要求 但 是該法的計算量較大 靠手動計算難以完成 進入2 1 世紀 隨著計算機技術的迅猛發(fā)展 以及有限元軟件的不斷完善 有限元法得到了廣泛的應用 成為研究地下隧道軟土變形的 主要方法 但是目前 對盾構施工的模擬研究主要集中對盾構施工引起的長期變形研究和 預測方面 而沒有考慮到盾構推進過程中 盾構施工參數(shù) 如土倉壓力 注漿壓力 注漿 量等 對隧道周圍土體變形的影響 為了盡量減少盾構施工對周圍土體的擾動 確保盾構 隧道周邊環(huán)境的安全 設定合理的盾構施工參數(shù)尤為重要 因此 研究在盾構施工過程中 5 各施工參數(shù)對隧道周圍土體變形的影響規(guī)律十分必要 只有掌握了各盾構施工參數(shù)對土體 變形的影響規(guī)律 才能盡量避免或減少盾構施工的不利影響 1 3 研究內(nèi)容與研究方法 1 3 1 研究內(nèi)容 本文的主要研究內(nèi)容如下 1 盾構法隧道施工引起軟土地層變形的原因 影響因素 變形機理及變形特征研 究 2 以南京地鐵二號線逸仙橋站 大行宮站盾構區(qū)間為例 針對各項施工監(jiān)測數(shù)據(jù) 進行分析 研究盾構各施工參數(shù) 土質(zhì)情況與地表豎向位移之間的影響規(guī)律 3 利用三維有限元軟件p l a x i s3 dt u n n e l 對盾構掘進過程中土體變形進行數(shù)值模 擬建模 4 利用建立的三維數(shù)值模型模擬計算逸仙橋站 大行宮站盾構區(qū)間施工地表變形 量 并與監(jiān)測結果進行對比 驗證數(shù)值模型正確性 5 利用三維有限元軟件p l a x is3 dt u n n e l 數(shù)值模擬研究盾構施工參數(shù) 工作面平 衡壓力 注漿量 隧道埋深 土質(zhì)參數(shù) 變化對隧道周圍土體變形的影響規(guī)律 6 針對不同施工參數(shù)的影響規(guī)律 給出控制施工過程中土體變形的具體措施 1 3 2 研究方法與技術路線 本文采用理論研究 數(shù)值模擬計算與實測分析相結合的方法進行研究 具體研究路線 如下 見圖卜1 圖1 1 技術路線圖 1 根據(jù)對文獻和研究現(xiàn)狀的分析 綜合華東地區(qū)近年來盾構隧道的應用 以南京 地鐵二號線逸仙橋站 大行宮站盾構區(qū)間隧道為背景進行現(xiàn)場監(jiān)測 并結合現(xiàn)場施工情況 進行數(shù)據(jù)搜集 綜合分析盾構隧道施工過程中各項施工參數(shù)引起隧道周圍土體變形的規(guī) 律 6 2 應用三維有限元軟件p l a x i s3 dt u n n e l 以南京地鐵二號線逸仙橋站 大行宮站 盾構區(qū)間段為背景建立盾構推進對土體變形影響的數(shù)值模型 3 將數(shù)值模擬的分析結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析 驗證數(shù)值模型的可靠性 4 利用三維有限元軟件p l a x i s3 dt u n n e l 對所提出的模型進行分析與計算 研究 盾構施工參數(shù)變化對周圍土體位移場的影響規(guī)律 5 綜合實測分析結果和數(shù)值模擬結果 總結出盾構施工參數(shù)對周圍土體變形影響 的一般規(guī)律 并提出合理的變形控制措施 7 2 地層變位理論 經(jīng)過一百多年的發(fā)展 盾構法隧道施工技術已經(jīng)日臻完善 但盾構施工對地層的擾 動還是不可避免的 特別是在軟土盾構隧道施工中 地層變位更為突出 通過對盾構施工 過程的分析研究 得到了盾構施工引起地層變位的原因 影響地層變位的影響因素 變形 機理以及變性特征 2 1 地層變位的原因 盾構法隧道施工引起地層變位的原因有兩個方面 一方面是由于盾構法施工引起隧 道周圍土體的松動和沉陷 它直觀表現(xiàn)為地表沉降 另一個方面是由于盾構法施工使隧道 周圍土體受到擠壓而背向隧道移動 它直觀表現(xiàn)為地表隆起 受其影響隧道附近地區(qū)的基 礎構筑物將產(chǎn)生變形 沉降或隆起 以致使構筑物功能遭受破損或破壞 由盾構法施工而引起的地層損失和由于擾動后導致的土體強度和壓縮模量的降低引 起的長時間內(nèi)的固結和次固結沉降 是形成地面沉降的另一個主要因素 1 土體損失 隧道的挖掘土方量常常由于超挖或盾構與襯砌間的間隙等原因而比 按照隧道斷面積計算出來的土方量大得多 這就使隧道與襯砌間產(chǎn)生間隙 在軟粘土地層 中空隙會被周圍的土體及時填填 引起地層運動 產(chǎn)生施工沉降 也稱瞬時沉降 土的 應力也因此而發(fā)生變化 隨之而形成 應變一變形 位移一地面沉降 所謂地層損失是指盾構施工中實際挖除的土壤體積與理論計算的排土體積之差 地層 損失率以地層損失體積占盾構理論排土體積的百分比v s 來表示 圓形盾構理論排土體積v 0 為 v o 萬 哥 l 2 1 式中 盾構外徑 三 推進長度 單位長度地層損失量的計算公式為 聯(lián) 坎 萬 砰 2 2 地層損失一般可以分為三類 1 第一類 正常地層損失 即不考慮各種主觀因素對地 層損失的影響 認為盾構施工完全合乎預定的操作規(guī)程 地層損失的原因全部歸結于施工 現(xiàn)場的客觀條件 如施工地區(qū)的地質(zhì)條件或盾構施工工藝的選擇等 因此 由于正常地層 損失引起的地面沉降槽體積與地層損失量是相等的 在均質(zhì)的地層中 正常地層損失引起 的地面沉降也比較均勻 第二類 非正常地層損失 即由于盾構施工過程中操作失誤而引起的地層損失 非正 常地層損失引起的地面沉降具有局部變化的特征 其引起的地面沉降差異較大 第三類 災害性地層損失 盾構開挖面土體發(fā)生突發(fā)性急劇流動或盾尾發(fā)生大量漏漿 形成爆發(fā)性崩塌 引起災害性的地面沉降 這種土體損失主要出現(xiàn)在盾構隧道穿越水壓較 大的含水地層或流塑性較大的不良地層的過程中 2 固結沉降 由于盾構推進過程中的擠壓 超挖和盾尾注漿作用 對地層產(chǎn)生了 擾動 使隧道周圍地層產(chǎn)生正 負超空隙水壓力 從而引起的地層沉降 固結沉降可分為 主固結沉降和次固結沉降 主固結沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密 次固結沉降 是由于土層骨架蠕動引起的剪切變形沉降 主固結沉降與土層厚度有著密切關系 土層厚度越大 主固結沉降占總沉降的比例越 大 因此 在隧道埋深較大的工程中 主固結沉降的作用決不可忽視 從理論上講 盾構法施工引起隧道周圍地表沉降是指主固結沉降 次固結沉降及施 工沉降 也稱瞬時沉降 三者之和 如果不考慮次固結沉降 總沉降應等于地層損失造成 的施工沉降和由于地層擾動引起的主固結沉降之和 此時 位于隧道上方的任意一土層的 相對沉降量是相同的 這是因為超孔隙水壓力的消散土顆粒向著它原來的相對位置移動 當孔隙水壓力完全消散完畢 土顆粒也就回到原來的相對位置 如果總沉降中計入次固結 沉降 則還應加上由于地層土體原有結構破壞引起的蠕變沉降 2 2 致使地層變位的因素 造成地層變位的主要原因是盾構法隧道施工過程中產(chǎn)生的土體擾動引起地層移動 盾構開挖過程中地層變位的表現(xiàn)方式因盾構直徑 覆土情況和地基狀況的現(xiàn)場條件及盾構 施工情況而不同 具體來說 引起底層變位的因素有以下8 個方面n 卜1 4 1 1 開挖面土體的開挖應力釋放 土壓平衡式盾構開挖面支護壓力難以和土體原位 土壓力達到完全平衡 盾構掘進時 當工作面支護壓力小于原位土壓力時 開挖面土體則 可能出現(xiàn)松動和崩塌 破壞了原來地層應力平衡狀態(tài) 導致地層沉降 反之 當工作面支 護壓力大于原位土壓力土時 前方土體背離土壓艙移動 導致地層隆起 此外 盾構機后 退也可能使開挖面塌落和松動引起地層損失而產(chǎn)生地表沉降 2 盾構超挖 盾構推進方向的改變 盾尾糾偏 仰頭推進 曲線推進 刀盤超挖 都會使實際開挖面形狀大于設計開挖面 從而引起超挖地層損失 造成地表沉降 3 盾尾注漿 盾構通過的同時向盾尾超挖空隙壓注混凝土漿液 當壓漿量不足或 是注漿壓力過小時 盾尾后部隧道周邊土體向盾尾坍塌產(chǎn)生地層損失 土體擠入盾尾空隙 引起地層沉降 當注漿量較大或注漿壓力遠大于隧道上覆土壓力 使隧道周圍的土體向背 離隧道的方向移動 引起盾構上方土層的隆起 4 盾殼移動與地層間的摩擦和剪切作用 盾構向前掘進時盾構殼與周圍土體之間 發(fā)生錯位 周圍土體對盾構產(chǎn)生摩擦力 同時盾構也對周圍土體施加指向盾構推進方向的 摩擦力 周圍土體受到盾構殼的剪切和擠壓作用向前方和遠離盾構的方向移動 引起地層 損失 5 主固結沉降 盾構通過后 隧道周圍孔隙水壓力消散 土體有效應力增加 引 起土體固結變形 6 次固結沉降 土體受施工擾動的持續(xù)次固結沉降往往要持續(xù)幾年 在軟士中它 所占的沉降量的比例甚至高達3 5 以上 7 隨盾構推進而移動的正面障礙物 使地層在盾構通過后產(chǎn)生空隙又未能及時注 漿 引起地層沉降 8 隧道襯砌產(chǎn)生變形 盾構隧道襯砌在上覆土體壓力及注漿壓力的作用下發(fā)生變 形 進而引發(fā)一定量的地層位移和地表沉降 因此 綜合上述分析得出 盾構推進引起的地層移動因素有盾構直徑 埋深 土質(zhì) 盾構施工情況等 其中隧道線形 盾構外徑 埋深等設計條件和土的強度 變性特性 地 9 下水位分布等地質(zhì)條件 屬于客觀因素 而盾構的形式 輔助施工方法 補砌壁后注漿 施工管理等情況 則屬于主觀因素 2 3 地層變位的機理 根據(jù)對地層變位的分析表明 1 鍆 按地層沉降變化曲線的情況 大致可分為 盾構到 達前的地面變形 盾構到達時的地面變形 盾構通過時的地面變形 盾構通過后的瞬時地 面變形 地表后期固結變形等5 個階段 下面對各個階段的變形機理進行分析 1 盾構到達前的地面變形 在盾構的掘進過程中 由于盾構施工參數(shù)設定不當 開挖面涌水 管片拼裝不良等種種原因引起地下水位降低 地下水位的降低就相當于與地 基有效上覆土厚度增加 從而引起開挖面之前相當距離的觀測點的沉降 對于土壓平衡盾 構 在其掘進過程中 由于工作面設定平衡壓力過大 盾構前方土體還有可能產(chǎn)生一定量 隆起 2 盾構到達時的地面變形 在開挖面靠近監(jiān)測點并到達監(jiān)測點正下方這個過程中 所產(chǎn)生的沉降或隆起現(xiàn)象 這是由于盾構機的正面平衡壓力偏小或偏大等導致開挖面土壓 失衡 開挖面平衡壓力又與盾構機的推進速度和出土量等施工參數(shù)密切相關 當盾構機的 正面平衡壓力等于開挖面靜止土壓力時 掘進對土體的影響最小 當盾構機正面平衡壓力 小于開挖面的靜止土壓力時 開挖面前方土體下沉 當盾構機正面平衡壓力過大則會引起 開挖面前方土體隆起 當正面平衡壓力偏離靜止土壓力一定范圍內(nèi)時 地層變形處于近似 彈性變形階段 而且變化的速率較小 如果偏離較大的話 則土體發(fā)展為塑性變形 總體 來說這是一種因土體的應力釋放或者盾構開挖面的反向土壓力 盾構機周圍的摩擦力等作 用而產(chǎn)生的土體變形 3 盾構通過時的地面變形 主要指盾構機開挖面到達監(jiān)測點一直到盾構機尾部通 過監(jiān)測點這一過程中所產(chǎn)生的變形 這個變形主要是由于盾構機推進過程中 盾殼與地層 之間的摩擦和剪切作用破壞了原來的土體狀況 周圍土體在盾構殼的剪切和擠壓作用向前 方和背離盾構的方向移動 引起地面變形 4 盾尾通過后瞬時的地面變形 指盾構機尾部通過觀測點正下方時產(chǎn)生的沉降 一方面 由于盾構機通過后盾構機尾部會產(chǎn)生一個盾尾間隙 這個尾隙的上方及周圍土體 應力釋放引發(fā)周圍土體向隧道方向坍塌入尾隙 造成地表沉降 另一方面 在盾尾注漿壓 力的作用下 尾隙周圍土體的應力得到一定的平衡 當注漿壓力較大時 尾隙周圍土體會 背離隧道方向移動 造成地表隆起 5 地層后期固結變形 由于盾構通過時對周圍土體產(chǎn)生了擾動 造成隧道周圍的 空隙水壓力發(fā)生變化 再加上前面所述原因的殘余影響 在盾構通過后相當長的一段時間 內(nèi) 隧道周圍土層將繼續(xù)發(fā)生固結沉降和蠕動沉降 上述的各種沉降并非同時發(fā)生 而且工程地質(zhì)條件和施工措施的不同 也會影響到沉 降的大小和類型 2 4 地層變位的特點 在盾構機推進的過程中 地層變位呈現(xiàn)以盾構機為中心的三維擴散分布 這個分布隨 盾構機的推進而發(fā)生同步移動 由于盾構機推進時 盾構前后各部位對周圍土體環(huán)境的影 響機理是不同的 因地層變位的分布特點也有所不同 1 0 對于粘性土 其地層變位分布有如下的主要特點 1 在盾構機開挖面的正前方有一個取土區(qū) 這一部分的土體將發(fā)生移動 移動的 方向與盾構機的施工情況有關 如果盾構機的推進速度大而出土量小 相應的結果就是盾 構機正面土壓力過大 導致開挖面受到反向土壓力 取土區(qū)的土體就向遠離盾構機的方向 移動 相反如果改變盾構機的施工參數(shù)則可能導致該部分土體向盾構機方向移動 2 盾構機推進的過程中盾殼與周圍的土體產(chǎn)生摩擦和剪切 周圍的土體在摩擦力 和剪切力作用下向前移動 3 開挖面前方的取土區(qū)中土體的移動將直接導致地層的下沉或隆起 如果開挖面 的土體向盾構機移動則地層下沉 如果背向盾構機移動則導致地基隆起 4 盾構機通過的瞬間產(chǎn)生了盾尾空隙 現(xiàn)在一般使用同步注漿來充填盾尾空隙 如果盾構機的同步注漿量不足的話 此處的土體發(fā)生應力釋放而導致地基沉降 但如果注 漿操作合理 也可能將少或消除沉降 對砂性土來說 其地層變位特點與粘性土大致相同 但是在砂性土中 盾構推進時 在盾構頂部產(chǎn)生了類似于拱的效應 隧道正上方有一個松弛區(qū) 該區(qū)域內(nèi)的沉降較大 而 在往上時 地基沉降反而減小 這是因為 拱 下面松弛區(qū)域的土應力釋放得比較嚴重 導致了較大沉降 而由于拱的存在 拱上方的土體受到它的支撐作用 因而沉降較小 在 粘性土和砂性土中 還有一個比較明顯的不同 那就是盾構在砂性土中掘進時 一般盾構 正面土壓力作用較大 土體的隆起較粘性土要明顯 3 盾構推進對地表沉降影響的實測分析 以南京地鐵二號線盾構區(qū)間段為例 3 1 工程概況 南京地鐵二號線一期工程逸仙橋站 大行宮站區(qū)間隧道左線長度為8 2 4 3 4 4 m 區(qū)間隧 道采用盾構法施工 土壓平衡盾構 盾構推進由逸仙橋站始發(fā) 向大行宮方向推進 3 1 1 工程地質(zhì)及周邊環(huán)境的概況 在逸仙橋站 大行宮站區(qū)間段內(nèi) 盾構主要穿越土層為流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層 粉土 和粉質(zhì)粘土互層 局部穿越粉砂夾粉土層 粉質(zhì)粘土 可塑 區(qū)間隧道沿線地形均較為 平坦 地貌類型屬古秦淮河河床 漫灘地貌單元 逸仙橋站 大行宮站區(qū)間內(nèi)的土層描述 具體見表3 1 土體的物理力學指標具體見表3 2 其中深色區(qū)域為盾構穿越土層 逸仙橋站 大行宮站區(qū)間段從逸仙橋站西端頭井出發(fā) 中途先后穿越龍蟠中路下立 交 秦淮河河道及其兩側的污水截流溝樁基 熊貓電子集團宿舍 于紡織大廈旁邊經(jīng)過后 進入中山東路 隧道沿著中山東路 在道路兩側綠化帶下推進 最終進入大行宮車站東端 頭井 隧道在中山東路下的區(qū)間段全長約6 0 0 m 隧道的設計線形為直線 隧道軸線的平 均埋深為1 8 m 在地表處 隧道軸線兩側3 0 m 范圍內(nèi)地表沒有永久荷載 荷載類型主要為 路面車輛的移動荷載 為了便于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和分析 本文實測分析中的數(shù)據(jù)截取 自隧道沿著中山東路施工段的監(jiān)測數(shù)據(jù) 3 1 2 盾構穿越土層內(nèi)的工程地質(zhì)概況 逸仙橋站 大行宮站區(qū)間內(nèi) 盾構穿越的土層中主要含有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土 粉土及粉 質(zhì)粘土層 粉砂夾粉土 粉質(zhì)粘土和粉砂夾粉土層 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土具有明顯河湖相沉積特征 具有高含水量 高壓縮性 低強度等特點 易產(chǎn)生土體流動 開挖面失穩(wěn)等現(xiàn)象 粉砂夾粉土 粉土和粉砂易涌水和 流砂 引起開挖面失穩(wěn)和地面下沉 粉土為可液化土層 具有輕微液化性 盾構機在這樣 的土層中施工 既要保證開挖面土體的穩(wěn)定 又要確保出土順暢 還應控制地面的后期沉 降 3 1 3 盾構隧道施工監(jiān)測方案 o n d j 2 1 監(jiān)測橫斷面點 卜o o n d j 2 3 隧道軸線 o 掘進方向l n d 盯之 n d j l n d d 2 4 n d j 3 n d j 4 n d j 5 n d j 6 n d j 7 4 n d j 8 on d j 7 6 o n d j 2 7 隧道軸線點 圖3 1 監(jiān)測點平面布設示意圖 根據(jù)以往的工程實踐經(jīng)驗以及施工現(xiàn)場的情況 在位于盾構隧道推進方向的隧道軸線 1 2 上每6 m 布設一個沉降監(jiān)測點 每3 0 米布置1 條監(jiān)測橫斷面 在監(jiān)測橫斷面上共布設7 個測點 以軸線上的監(jiān)測點為中心 分別距離軸線3 m 5 m 1 1 m 對稱布設 具體布設情況 見圖3 1 現(xiàn)場監(jiān)測范圍選定為盾構切口前方2 0 m 范圍 盾構切口后方5 0 m 范圍 監(jiān)測頻 率為1 次 天 表3 1 逸仙橋站 大行宮站區(qū)間內(nèi)的土層描述 圖中深色區(qū)域為盾構穿越土層 時代 層號 層底埋深厚度 m 成因 地層名稱顏色狀態(tài)特征描述 m 最小 最大平 層亞層最小 最大 均值 稍濕 成分為碎磚瓦 粉土 粉質(zhì)粘土 0 7 0 5 9 0 o x 雜填土雜灰色松散0 7 0 5 9 0 孔隙度較大 具透水性 2 1 3 1 2 0