盾構(gòu)隧道施工中土靈敏度分析

專(zhuān)業(yè)知識(shí)分享版使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程摘要以西安地鐵二號(hào)線某區(qū)間隧道工程為依托,根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值仿真模擬軟件以隧道掘進(jìn)面洞頂沉降為衡量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)隧道變形受土體各參數(shù)影響的靈敏度進(jìn)行模擬分析,找出主要影響參數(shù),使施工中對(duì)隧道周?chē)馏w的變形控制更有針對(duì)性。研究表明,土體的彈性模量為主要影響參數(shù),其次為內(nèi)摩擦角和黏聚力,各參數(shù)的變化對(duì)隧道周?chē)馏w變形的影響是由強(qiáng)至弱的。各參數(shù)變化對(duì)隧道變形影響趨勢(shì)基本一致,且土體參數(shù)越好,參數(shù)變化對(duì)隧道變形的影響越不敏感,所以改善提高圍巖參數(shù)可以有效地增加隧道的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞盾構(gòu)FLAC3D靈敏度分析施工優(yōu)化0引言目前,我國(guó)各大城市的地鐵交通發(fā)展越來(lái)越快,盾構(gòu)法施工因其具有安全、快速、高度機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,北京、天津、廣州等地區(qū)均成功完成盾構(gòu)地鐵隧道。我國(guó)的南水北調(diào)工程中也成功運(yùn)用盾構(gòu)法修建了穿越黃河河底的引水隧道。河海大學(xué)的胡如軍等人對(duì)盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度進(jìn)行了分析,并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了指導(dǎo)[1]。而在施工方面,合理分析盾構(gòu)施工中周?chē)馏w的情況,通過(guò)研究其各主要參數(shù)的靈敏度,從而有針對(duì)性地對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù),對(duì)提高隧道施工的效率和安全均具有十分重要的意義。西安地鐵二號(hào)線是西安地鐵系統(tǒng)中的第一條線路,也是西安交通規(guī)劃中重要的一環(huán),其施工過(guò)程中的安全和質(zhì)量受到了廣泛的重視。西安是世界聞名的古都,地下文物豐富且線路中涉及多處文物古跡,地下黃土地質(zhì)較為復(fù)雜,所以對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖中周?chē)馏w的靈敏度分析研究非常迫切?？紤]到仿真數(shù)值模擬分析成本較低,且可以較好地模擬實(shí)際工程情況[2-4]。故本文以FLAC3D仿真模擬軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究,分析了土體各主要參數(shù)靈敏度,對(duì)施工中改善土體提出有針對(duì)性的措施具有重要意義。1工程概況西安市地鐵二號(hào)線(鐵路北客站-韋曲段)工程屬于陜西省西安市城市軌道交通系統(tǒng),為西安市重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目,線路北起西安鐵路北客站(草灘),南至長(zhǎng)安區(qū),正線全長(zhǎng)26.456km。其中某區(qū)間擬采用盾構(gòu)法施工。此區(qū)間地勢(shì)較平坦,不存在斷層構(gòu)造,地貌上屬黃土梁洼區(qū)的黃土梁。本區(qū)間場(chǎng)地內(nèi)地層為:地表一般分布有厚薄不均全新統(tǒng)人工填土(Q4ml),其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積(Qeol3)新黃土(局部為飽和軟黃土)及殘積(Q3el)古土壤,再下為中更新統(tǒng)風(fēng)積(Ql2eo)老黃土和沖積(Q2al)粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂及粗砂等。主要地層特征和參數(shù)見(jiàn)下文2.2。2FLAC3D仿真數(shù)值模擬2.1模型建立根據(jù)既有的研究,模型網(wǎng)格范圍取隧道直徑D的3~5倍[5]。根據(jù)工程情況和所研究的問(wèn)題,模型網(wǎng)格選取半邊結(jié)構(gòu),僅研究單隧道周?chē)耐馏w變形。模型中X方向?yàn)閷挾确较?Y方向?yàn)樗淼篱_(kāi)挖前進(jìn)方向,Z方向?yàn)樨Q直深度方向。模型的邊界條件為:左邊的對(duì)稱(chēng)面和右邊界均施加X(jué)方向水平約束;隧道軸線方向,前后邊界都施加Y方向的位移約束;模型下邊界施加Z方向的豎向約束。本文中D=10m,埋深C取20m,模型X方向取50m,Y方向取100m,Z方向從隧道上方取至地面,隧道下方取35m,共65m。按照平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬中,用三維的六面體單元來(lái)模擬土體,用shell單元來(lái)模擬襯砌管片,土體本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫模型。根據(jù)研究重點(diǎn),隧道周邊網(wǎng)格較密,隨著與隧道中心距離增大,網(wǎng)格尺寸加大。在內(nèi)部分層施加土體的自重荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬。使用空單元來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道的開(kāi)挖。具體模型如圖1所示。本文研究重點(diǎn)為隧道周?chē)馏w各主要參數(shù)靈敏度對(duì)隧道土體變形和沉降的影響規(guī)律,故模擬中采取了一些措施來(lái)排除施工中其他因素的影響:隧道一次性掘進(jìn)40m,排除施工中多步開(kāi)挖引起的隧道周?chē)馏w累計(jì)變形;隧道開(kāi)挖后立即施加管片支護(hù)控制周?chē)馏w發(fā)生變形;不考慮盾構(gòu)機(jī)盾尾空隙的存在,排除隧道在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后的后續(xù)下沉;為了使效果更加明顯,模擬時(shí)掘進(jìn)面施加一半的支護(hù)力;以隧道掘進(jìn)面洞頂沉降為隧道變形的衡量標(biāo)準(zhǔn),考察土體各參數(shù)變化的影響。2.2計(jì)算參數(shù)的選取根據(jù)西安地鐵二號(hào)線某區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告中的土體物理力學(xué)參數(shù),對(duì)土體進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化,對(duì)性質(zhì)類(lèi)似的土層進(jìn)行合并處理,分為5層土體,并取出其相應(yīng)的各層土體的計(jì)算參數(shù)和支護(hù)管片的參數(shù),如表1和表2所示。3模擬結(jié)果分析3.1黏聚力的影響為了研究黏聚力的變化對(duì)土體的影響,計(jì)算時(shí)保持其他條件不變,黏聚力大小分別取為2,4,6,8,10kPa,得出對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)面洞頂沉降隨黏聚力變化的曲線,如圖2所示。由圖2可以看出,隨著黏聚力的增大,曲線斜率逐漸減小,由此可知,當(dāng)土體黏聚力較小時(shí),黏聚力的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降有一定影響,而當(dāng)黏聚力較大時(shí),黏聚力的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降影響不大;再者,從整體來(lái)看,黏聚力的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降的影響有限,當(dāng)黏聚力由2增加至10時(shí),洞頂沉降僅有7.7mm的差別。3.2內(nèi)摩擦角的影響在研究?jī)?nèi)摩擦角對(duì)土體的影響時(shí),其他條件按照土體本來(lái)的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算,得出內(nèi)摩擦角分別為15°,20°,25°,30°,35°時(shí)的掘進(jìn)面洞頂沉降隨內(nèi)摩擦角變化的曲線,如圖3所示。由圖3可以看出,隨著內(nèi)摩擦角的增大,曲線斜率逐漸減小,由此可知,當(dāng)土體內(nèi)摩擦角較小時(shí),內(nèi)摩擦角的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降影響較大,而當(dāng)黏聚力較大時(shí),黏聚力的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降影響不大;再者,從不同內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)的洞頂沉降來(lái)看,內(nèi)摩擦角變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降的影響比黏聚力變化對(duì)其的影響大,當(dāng)內(nèi)摩擦角由15°增加至35°時(shí),最小值24.45mm,最大值48.22mm,掘進(jìn)面洞頂沉降增加了23.77mm。3.3彈性模量的影響在研究彈性模量對(duì)土體的影響時(shí),保持土體其他參數(shù)不變,得出彈性模量分別取2,4,6,8,10MPa時(shí)的掘進(jìn)面洞頂沉降隨土體彈性模量變化的曲線,如圖4所示。由圖4可以看出,隨著彈性模量的增大,曲線斜率同樣逐漸減小,由此可知,當(dāng)土體彈性模量較小時(shí),彈性模量的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降影響較大,而當(dāng)彈性模量較大時(shí),彈性模量的變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降影響不大;再者,從不同的彈性模量對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)面洞頂沉降來(lái)看,彈性模量變化對(duì)掘進(jìn)面洞頂沉降的影響比黏聚力和內(nèi)摩擦角變化對(duì)其的影響更大,當(dāng)彈性模量由2MPa增加至4MPa時(shí),最小值54.59mm,最大值198mm,掘進(jìn)面洞頂沉降增加了143.41mm。4結(jié)論(1)3條曲線的走勢(shì)大致相同,說(shuō)明了隧道周?chē)馏w參數(shù)值的大小對(duì)隧道的影響是一致的,且土體參數(shù)越好,隧道掘進(jìn)面洞頂沉降受土體參數(shù)變化的擾動(dòng)也越小,靈敏度越低。(2)3條曲線的數(shù)值相差較大,