盾構(gòu)近接隧道施工力學(xué)行為分析

1、盾構(gòu)近接隧道施工力學(xué)行為分析摘要：在地下工程近接施工中，新建構(gòu)造物的施工會改變既有構(gòu)造物的受力狀態(tài)，從而對既有構(gòu)造物產(chǎn)生各種不利影響。由于新建構(gòu)造物的受力形式不同于半無限體或無限體中修建單一洞室的一般狀況，其初始應(yīng)力場往往經(jīng)過屢次擾動，施工時將再次進(jìn)展擾動，表現(xiàn)出極大的變異性。通過三維仿真計算，模擬了盾構(gòu)機(jī)上作用3種不同推進(jìn)力時對既有運營隧道變形和主應(yīng)力的影響，以對是否加固既有運營地鐵隧道給出建議，同時對最大推進(jìn)力作用下隨著盾構(gòu)隧道的開挖對既有地鐵隧道軌底傾斜度的影響進(jìn)展了分析。分析計算得出的結(jié)論對于盾構(gòu)隧道設(shè)計和施工有一定指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)；穿插隧道；非線性有限元分析；力學(xué)行為分析1

2、引言隨著我國地鐵建立的迅速開展，地鐵網(wǎng)絡(luò)不斷完善，城市地下空間開發(fā)利用的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，然而，這也使得新建盾構(gòu)隧道近間隔 穿越既有地鐵隧道及其他各種地下建筑物的現(xiàn)象愈加普遍。如何控制盾構(gòu)隧道近間隔 穿越地下建筑物所引起的地層位移，以確保既有地下構(gòu)造設(shè)施的正常使用和新建盾構(gòu)的順利掘進(jìn)，對于我國城市地鐵建立和地下空間開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)作用。在地下工程近接施工中，新建構(gòu)造物的施工會改變既有構(gòu)造物的受力狀態(tài)，從而對既有構(gòu)造物產(chǎn)生不利影響。新建地下構(gòu)造的受力形式也不同于半無限體或無限體中修建單一洞室的一般狀況，其初始應(yīng)力場往往是經(jīng)過屢次擾動，施工將引起再次擾動，其受力往往是非對稱的，表現(xiàn)出極大的變

3、異性。概括地講，新建構(gòu)造物的施工會使圍巖從原來的3次應(yīng)力場演變到5次應(yīng)力常正是這種應(yīng)力場的演變導(dǎo)致了既有構(gòu)造和新建構(gòu)造的受力變異，造成既有構(gòu)造的平安性和新建工程施工的復(fù)雜性問題，這是不可回避和必須加以解決的問題，因此研究其復(fù)雜的受力機(jī)理和相應(yīng)對策已成為當(dāng)務(wù)之急。國內(nèi)外對盾構(gòu)隧道以及其近接和交疊等施工力學(xué)行為的研究也方興未艾，進(jìn)展了諸多研究1-7。本文基于地下工程開挖的力學(xué)行為原理和在有限元數(shù)值模擬的根底上，對隧道開挖采用“生死單元進(jìn)展模擬，并提出采用重疊單元的方法模擬盾構(gòu)的推進(jìn)過程。利用盾構(gòu)施工引起的地層損失機(jī)理，針對北京地鐵10號線新建盾構(gòu)隧道垂直穿插穿過既有1號線運營地鐵隧道的工程實例進(jìn)展

4、三維仿真分析。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果。研究了近接盾構(gòu)隧道施工力學(xué)行為，對新建盾構(gòu)隧道的施工控制以及既有構(gòu)造的加固措施等提出了有益的建議，并研究了最大推進(jìn)力作用下隨著盾構(gòu)隧道的開挖對既有地鐵隧道軌底傾斜度的影響問題，通過模擬盾構(gòu)機(jī)上作用三種不同的推進(jìn)力，研究了推進(jìn)力對既有運營隧道變形和主應(yīng)力的影響，得出的結(jié)論對于盾構(gòu)隧道的設(shè)計和施工有一定的指導(dǎo)意義。2三維有限元分析模型2.1有限元模型網(wǎng)格及計算采用的材料參數(shù)新隧道與既有隧道垂直穿插，分析區(qū)間的兩個既有隧道相距10，且為運行地鐵隧道，截面形狀為三心圓截面，襯砌由素混凝土組成。新隧道從既有隧道下方垂直通過，最近僅相距1.245，新隧道采用盾構(gòu)法施工，管片

5、寬度為1.2。由于兩既有隧道相距為10，兩新隧道相距為80，故分析只取一條新隧道。計算采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)展三維開挖分析，三維有限元模型尺寸為長49.2，寬50，高50，經(jīng)過優(yōu)化后的網(wǎng)格如圖1所示，共有33450個單元，89780個節(jié)點，計算所使用的是ANSYS所提供的Slid95三維20節(jié)點等參單元。計算模型約束條件為左右兩側(cè)、前后兩側(cè)施加程度方向的單向位移約束，下側(cè)施加豎直方向的單向位移約束，上側(cè)為自由端。施加荷載為重力荷載。模擬計算中，管片厚度取為30，盾殼厚度取為6。模型計算采用的地層材料參數(shù)見表18。2.2開挖過程模擬既有隧道采用全斷面一次性開挖模擬，并且一次性施做襯砌，即

6、先計算初始靜力場，然后全斷面開挖，接著修筑襯砌。新隧道每次推進(jìn)間隔 為管片襯砌的寬度為1.2。由于管片是處于盾殼保護(hù)下拼裝完畢的，所以模擬開場需先模擬盾殼支護(hù)作用，即改變材料為鋼殼材料，同時在開挖面上施加壓力P來模擬盾構(gòu)的推進(jìn)力，后進(jìn)展開挖，開挖局部為管片和管片內(nèi)部所在的土體。當(dāng)盾構(gòu)向前行進(jìn)時盾殼抽出向前，此時盾尾處的管片會露出，需要對盾尾留出的空隙進(jìn)展注漿填充，以防止上部隧道沉降，此步需要重新激活被殺死的管片單元，改變此局部單元的材料為混凝土材料，同時改變盾尾空隙的材料為填充材料。在采用“生死單元模擬盾構(gòu)開挖過程中，一般是先將土體單元“殺死，然后在后續(xù)荷載步里“激活被“殺死的單元，同時改變材

7、料特性。然而，在模擬盾構(gòu)開挖過程中，假如采用上述方法，那么會使土體在盾殼未支護(hù)下已先變形，這與盾構(gòu)法施工的實際情況差異很大。因為盾構(gòu)施工過程中，盾殼的推進(jìn)支護(hù)與盾殼所在位置土體的破壞是同時完成的，土體的開挖是在盾殼的保護(hù)下進(jìn)展的，這樣，土體的變形和應(yīng)力狀態(tài)與實際受力狀況有很大差異。因此，為了很好的模擬盾殼的支護(hù)作用，本文提出在盾殼所在土體單元上生成一層與土體單元材料不同的重疊單元。模擬過程中，先殺死材料為鋼材盾殼的重疊單元，然后在后續(xù)荷載步計算過程中再殺死盾殼所在層的土體單元，同時激活相應(yīng)位置的盾殼單元，并改變材料特性為盾殼材料。這樣在此荷載步中，在盾殼支護(hù)下進(jìn)展的土體開挖計算更符合實際受力過

8、程。3計算結(jié)果分析以往的工程計算說明，對于垂直穿插隧道問題，新隧道影響既有隧道的范圍一般從間隔 為8左右開場影響比擬大，即新隧道工作平面間隔 既有隧道的軸線為8將既有隧道自身受影響分析取7個截面，每個截面相隔為4，所取截面1位于兩隧道垂直穿插的正上方，沿左右方向每4，分別取3個截面，即主要分析既有隧道的受影響間隔 為24。3.11號截面隨盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的位移和應(yīng)力分析由于1號截面恰好位于新建盾構(gòu)隧道軸線的正上方，即最危險的截面，整個開挖過程中的既有隧道襯砌的最大位移和主應(yīng)力隨開挖推進(jìn)的變化見圖2。以下僅給出盾構(gòu)機(jī)工作平面上作用的最大推進(jìn)力P=1Pa時的結(jié)果。圖2、圖3分別為既有隧道襯砌最大位移、

9、最大程度位移與推進(jìn)步數(shù)關(guān)系。從圖2可以看出，整個開挖過程既有隧道襯砌豎向發(fā)生了向上的隆起，這主要受盾構(gòu)工作平面所施加的推進(jìn)力有關(guān)，因此施工時需要嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)。另外，左右隧道襯砌的最大豎向位移相差1.5左右，不是發(fā)生在同一開挖步內(nèi)，左側(cè)既有隧道襯砌的最大豎向位移要大于右側(cè)既有隧道襯砌的位移，這是由于在同一推進(jìn)力作用下左右兩側(cè)既有隧道的受力不是對稱的。從圖3可以看出，左右隧道襯砌的最大程度位移相差1.2左右，且右側(cè)最大程度位移發(fā)生在第21步，即盾構(gòu)工作平面推進(jìn)到兩隧道中間的下方，而左側(cè)最大發(fā)生在第25開挖步。兩隧道程度位移最大數(shù)值并不是都發(fā)生在工作平面推進(jìn)到既有隧道正下方，這是由于盾構(gòu)

10、的經(jīng)過時盾構(gòu)機(jī)中的千斤頂反力需要一定的累積才能使得對既有隧道程度位移的影響顯現(xiàn)出來，因此左側(cè)既有隧道襯砌的程度位移要大于右側(cè)既有隧道襯砌的程度位移。由圖4可以看出，左右兩既有隧道襯砌最大主拉應(yīng)力的數(shù)值均超過了2Pa，且右側(cè)襯砌最大數(shù)值大于左側(cè)既有隧道襯砌。從第9開挖步開場，最大主拉應(yīng)力數(shù)值突變比擬大，兩既有隧道襯砌最大主拉應(yīng)力在此步開挖時均超過1.5Pa，這也與一些已經(jīng)完成的工程所得結(jié)論一致，即盾構(gòu)工作平面間隔 右側(cè)既有隧道軸線間隔 10左右時，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入了對于既有隧道影響比擬大的范圍以內(nèi)，施工過程中當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到此范圍時應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)展監(jiān)測，并且實時調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)。從圖4和圖5中還可以看出，既有隧

11、道襯砌最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力數(shù)值與盾構(gòu)工作平面間隔 既有隧道的間隔 有很大的關(guān)系。當(dāng)盾構(gòu)工作平面間隔 既有隧道9左右時影響凸現(xiàn)出來。3.2既有隧道受新盾構(gòu)隧道開挖產(chǎn)生的影響范圍通過既有右側(cè)隧道受新盾構(gòu)開挖影響產(chǎn)生的豎向和程度向位移的范圍可以分析既有隧道受新盾構(gòu)隧道開挖產(chǎn)生的影響范圍。從圖6和圖7圖中箭頭方向表示盾構(gòu)推進(jìn)步數(shù)的增加可以看出，隨著新建盾構(gòu)隧道的盾構(gòu)機(jī)向既有隧道推進(jìn)，既有隧道的變形與盾構(gòu)隧道推進(jìn)方向一致。在推進(jìn)力P=1Pa時，右側(cè)既有隧道襯砌程度位移在第21開挖步時程度位移到達(dá)最大為-7.828。另外，在第17開挖步時豎向隆起到達(dá)最大，數(shù)值為3.294，當(dāng)盾構(gòu)通過時程度位移和豎向位移

12、均相對于盾構(gòu)推進(jìn)方向回落。從程度和豎向位移兩者來綜合分析可以看出，既有右側(cè)隧道受開挖所影響的范圍在50左右，即在此范圍內(nèi)右側(cè)既有隧道襯砌的程度位移和豎向位移均超過了1。計算分析還發(fā)現(xiàn)，左側(cè)既有隧道襯砌的豎向和程度位移變化規(guī)律與右側(cè)既有隧道襯砌變化根本一致。不同的是，左側(cè)既有隧道襯砌的豎向和程度位移均比右側(cè)大，這主要由于受盾構(gòu)開挖推進(jìn)的不對稱影響，導(dǎo)致兩隧道在開挖過程中受力不對稱，故最后變形幅度不同。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3.3刀盤不同推進(jìn)力對既有隧道產(chǎn)生的影響由于盾構(gòu)在推進(jìn)過程中地質(zhì)和周邊環(huán)境的變化，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的調(diào)整是一個實時的過程。模擬過程中主要采用推進(jìn)力P=1，0.5，0.3Pa三種工況。

13、由圖8可看出，當(dāng)推進(jìn)力減小一半時右側(cè)既有隧道襯砌的最大豎向及程度位移都有不同程度的減小，詳細(xì)為最大豎向位移從隆起3.294減小到1.665，減小幅度大約為49.4%，而最大程度位移從-7.828減小到-3.115，減小幅度大約為60.2%；當(dāng)推進(jìn)力減小70%時豎向位移從隆起表現(xiàn)為沉降-1.278，程度位移減小到-1.563，減小幅度大約為80%，從位移減小幅度上可以看出推進(jìn)力是直接影響既有隧道襯砌位移變化的主要因素。論文聯(lián)盟.LL.編輯。在最不利工況P=1Pa下，既有隧道襯砌的最大主壓應(yīng)力為-4.019Pa。對于由素混凝土組成的既有隧道襯砌來講，主壓應(yīng)力在材料允許的范圍以內(nèi)，因此研究主要針對不

14、同推進(jìn)力作用下，對既有隧道所產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力進(jìn)展分析。由計算分析可知，當(dāng)推進(jìn)力減小一半時，既有隧道襯砌所受最大主拉應(yīng)力明顯減小，減小幅度從2.702Pa到2.015Pa。當(dāng)推進(jìn)力減小70%時，既有隧道襯砌最大主拉應(yīng)力減小到1.559Pa，并可發(fā)現(xiàn)既有隧道襯砌所受主拉應(yīng)力數(shù)值超過1.5Pa的區(qū)域明顯地減小，詳細(xì)為右側(cè)隧道襯砌的拱腰局部的較大主拉應(yīng)力消退比擬明顯，可以得出防止既有隧道襯砌開裂的一個主要措施就是要嚴(yán)格控制施工時的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力參數(shù)。3.4軌底傾斜度分析既有隧道為運營地鐵區(qū)間隧道，在新建盾構(gòu)隧道推進(jìn)穿越既有隧道過程中應(yīng)對既有地鐵隧道軌底傾斜進(jìn)展實時監(jiān)測。分析時將左右兩個隧道襯砌鋼軌處各

15、取兩點作為結(jié)果分析的2個點，這主要考慮穿越過程中既有隧道襯砌截面會產(chǎn)生擠壓或者傾斜的變形，取2個點來近似模擬鋼軌與襯砌結(jié)合點的變形。從圖9和圖10中可以看出，在新建盾構(gòu)隧道整體開挖過程中，2個既有隧道軌底豎向位移差數(shù)值均在1以內(nèi)。通過模擬計算可以說明，穿越對于既有運營隧道軌底傾斜影響不是很大，但是需要注意在既有地鐵隧道運營期間穿越，一定要慢，并且要連續(xù)通過。4既有隧道加固分析對穿插隧道的模擬仿真結(jié)果說明，不同推進(jìn)力對于既有隧道的最大主拉應(yīng)力有很大的影響。由于既有隧道襯砌由素混凝土組成，使得既有隧道襯砌在盾構(gòu)大推進(jìn)力作用下可能產(chǎn)生裂縫，有必要對于既有隧道襯砌進(jìn)展預(yù)加固處理。根據(jù)地下鐵道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)9，采用雙線既有隧道加固范圍為2左右，詳細(xì)為兩既有隧道中間土體全部加固，隧道上方及外側(cè)土體2左右范圍加固，隧道底部即與新建盾構(gòu)隧道之間的穿插土體1.245范圍需要加固。從圖11中可看出，加固前后右側(cè)既有隧道襯砌位移隨開挖變化上的規(guī)律