土壓平衡式盾構(gòu)施工三維有限元模擬方法研究

土壓平衡式盾構(gòu)施工三維有限元模擬方法研究

1土體抗側(cè)力的數(shù)值模擬隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的完善，結(jié)構(gòu)法廣泛應(yīng)用于地下鐵道的施工中。由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制，盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)影響仍是不可避免的。如何預(yù)測盾構(gòu)穿越所引起的地層位移，確保已有建(構(gòu))筑物正常使用和盾構(gòu)的順利掘進(jìn)，是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工中非常關(guān)鍵的問題。目前工程中用于預(yù)測隧道施工引起的土體變形的主要方法是建立在現(xiàn)場實(shí)測資料基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式法，提供的信息大都限于地表面處的位移，很難滿足實(shí)際需要，因而在應(yīng)用上具有很大的局限性。有限元法能更充分地反映土體性質(zhì)的影響，可以考慮地層損失及土與襯砌的相互作用。有限元法不僅能夠計(jì)算地面沉降，還可得到盾構(gòu)推進(jìn)過程中的沉降變化情況，不同深度處的沉降、側(cè)向位移，地層應(yīng)力變化以及對(duì)臨近建筑物的影響。有限元法在盾構(gòu)隧道施工分析中得到越來越廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)尤其是靠近盾構(gòu)所在位置及其前方土體的位移是一個(gè)三維問題，平面有限元分析無法模擬盾構(gòu)推進(jìn)的實(shí)際情況，無法模擬開挖面周圍土體的三維移動(dòng)，也無法反映在到達(dá)平面應(yīng)變狀態(tài)之前盾構(gòu)周圍土體所經(jīng)歷的應(yīng)力路徑，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力、位移有較大差異。盡管人們都認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，但是盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍土體的影響因素很多，已有的盾構(gòu)施工三維有限元模擬方法大都作了較多的簡化：文開發(fā)了一種三維彈塑性有限元技術(shù)對(duì)淺埋隧道無襯砌和完全襯砌2種極限情況下隧道周圍土體不排水情況下的應(yīng)力場和位移場進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果提出用間隙系數(shù)G來反映盾構(gòu)施工引起的地層損失；文在模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)在開挖面前方設(shè)置開挖單元，并考慮了盾構(gòu)自重、千斤頂推力、土壓倉壓力等因素，但沒有考慮盾構(gòu)刀盤超挖和盾尾脫空引起建筑空隙的閉合以及盾尾注漿的影響；文在對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)推進(jìn)的三維模擬時(shí)考慮了開挖面土壓力、盾尾空隙閉合、盾尾注漿等因素，但沒有考慮盾構(gòu)自重、千斤頂推力的影響；文用剛度遷移法模擬盾構(gòu)推進(jìn)，采用權(quán)剛度修正Goodman單元處理存在兩種材料的混合接觸剛度，提出了分3步模擬盾構(gòu)前行一個(gè)單元距離的模擬步驟。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，提出一種盾構(gòu)施工三維有限元模擬方法，綜合考慮盾構(gòu)推進(jìn)、開挖面前方及隧道壁面土體的剪切擾動(dòng)、盾構(gòu)刀盤超挖空隙和盾尾空隙的閉合、盾尾注漿等因素。2土體受力狀態(tài)變化的有限元分析隧道盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機(jī)漸進(jìn)向前，周圍土體則是相對(duì)靜止的。有限元法難以做到完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)過程，必須作一定的簡化。通常將盾構(gòu)推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的過程來研究，假設(shè)盾構(gòu)一步一步跳躍式向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)的長度(縱向)恰好為一個(gè)襯砌單元寬度，用改變單元材料類型的方法(剛度遷移法)來反映盾構(gòu)的向前，而一次向前的過程中盾構(gòu)周圍土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化，將這種變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)荷載作用于結(jié)點(diǎn)，進(jìn)行有限元計(jì)算。這與在模擬基坑開挖時(shí)每一級(jí)開挖掉一層網(wǎng)格以及模擬土石壩、路堤填筑時(shí)每一級(jí)荷載增加一層網(wǎng)格的處理方法是相似的。本文所考慮的盾構(gòu)施工過程中引起土層移動(dòng)的主要因素有以下6個(gè)部分(如圖1(a)所示)：(1)單元應(yīng)力改變的開挖面結(jié)論土壓平衡式盾構(gòu)開挖面支護(hù)壓力難以和土體原位土壓力達(dá)到完全平衡，當(dāng)支護(hù)壓力小于原位土壓力時(shí)，開挖面前方土體向土壓艙位移；反之，前方土體遠(yuǎn)離土壓艙位移(圖1(b))。由于盾構(gòu)施工中開挖面存在支護(hù)力，因而不能像模擬基坑開挖那樣用上一步得到的單元應(yīng)力直接計(jì)算新開挖面處的開挖釋放荷載。常用的方法是每向前開挖一步將開挖面處的土體原位土壓力與土壓艙支護(hù)壓力的差值作用在開挖面結(jié)點(diǎn)上，實(shí)際上這種處理方法并不合理，因?yàn)樗沟瞄_挖面結(jié)點(diǎn)荷載沿縱向(沿推進(jìn)方向)的總和與每一步推進(jìn)的距離有關(guān)，即在模擬盾構(gòu)前進(jìn)相同距離的情況下，每一步推進(jìn)距離越小推進(jìn)步數(shù)越大，開挖面結(jié)點(diǎn)荷載沿縱向總和也隨之增加，這顯然與實(shí)際情況不符。本文建議根據(jù)開挖面處單元應(yīng)力改變量{?σ}計(jì)算相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)荷載，即這樣處理后，不論每一步推進(jìn)距離多少，盾構(gòu)前進(jìn)相同距離時(shí)開挖面結(jié)點(diǎn)荷載沿隧道縱向的總和保持不變。由于開挖面處土體受到盾構(gòu)刀盤的攪動(dòng)，開挖面上土體狀態(tài)可以近似認(rèn)為由原來的靜止土壓力狀態(tài)變?yōu)楦飨虻葔籂顟B(tài)(等于土壓艙壓力)，由此來計(jì)算單元應(yīng)力改變量。(2)硬脆材料的抗拉受力為了減小盾構(gòu)殼上的摩擦阻力以使盾構(gòu)能夠順利前行，通常盾構(gòu)的刀盤外徑要大于盾構(gòu)殼的外徑，從而在盾構(gòu)殼外圍產(chǎn)生一定厚度的間隙δ，盾構(gòu)機(jī)由于自重發(fā)生下沉到底部，在橫斷面上形成超挖間隙2δ，隨后周圍土體由于填充超挖間隙而產(chǎn)生指向盾構(gòu)內(nèi)部的徑向位移(圖1(c))。(3)盾構(gòu)推進(jìn)方向的作用力盾構(gòu)向前掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)殼與周圍土體之間發(fā)生錯(cuò)位，周圍土體對(duì)盾構(gòu)產(chǎn)生摩擦力，同時(shí)盾構(gòu)也對(duì)周圍土體施加指向盾構(gòu)推進(jìn)方向的摩擦力，周圍土體受到盾構(gòu)殼的剪切和擠壓作用向前方和遠(yuǎn)離盾構(gòu)的方向移動(dòng)(圖1(d))。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)與周圍土體之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，因此需要在盾構(gòu)殼單元與外圍土單元之間設(shè)置接觸面單元，用接觸點(diǎn)對(duì)間的相對(duì)位移來模擬盾構(gòu)與土體間的錯(cuò)動(dòng)。空間接觸面采用Goodman三維接觸面單元。(4)建筑孔隙盾構(gòu)前行時(shí)由于不能做到完全同步注漿而在盾尾產(chǎn)生建筑空隙(圖1(e))，圖中t為盾構(gòu)殼的厚度，空隙所對(duì)應(yīng)的襯砌管片由于受到前后襯砌螺栓的固定作用不能下沉，因而形成圖示的盾尾建筑空隙。本文利用有限元模擬上面圖1(c)中的超挖間隙和圖1(e)中的建筑空隙時(shí)，首先將相應(yīng)位置的盾構(gòu)殼單元和襯砌單元用剛度極小的軟材料代替(活化減退)，給外圍土體施加如圖所示的已知徑向位移，當(dāng)土體接觸到盾構(gòu)殼或者襯砌外壁時(shí)再將盾構(gòu)殼和襯砌單元重新激活使它們與土體共同作用。(5)土壓力的影響盾構(gòu)通過的同時(shí)向盾尾建筑空隙壓注混凝土漿液，注漿壓力一般均大于隧道上覆土壓力，使隧道周圍的土體向遠(yuǎn)離隧道的方向移動(dòng)，抵消上部土體的部分沉降，當(dāng)注漿量較大時(shí)也可能會(huì)引起盾構(gòu)上方土層的隆起。有限元模擬時(shí)對(duì)于盾尾處盾構(gòu)殼外圍的土體單元施加遠(yuǎn)離隧道中心的結(jié)點(diǎn)荷載，其數(shù)值由注漿壓力計(jì)算得到。(6)屋頂變形盾構(gòu)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(jìn)而引發(fā)一定量的地層位移和地表沉降。3模擬應(yīng)力的計(jì)算三維有限元模擬盾構(gòu)施工的計(jì)算流程圖如圖2所示。具體的模擬步驟如下：第1步：計(jì)算地層初始應(yīng)力。第2步：盾構(gòu)機(jī)每向前推進(jìn)1環(huán)管片作如下變化：(1)單元材料的變化將開挖面向前推進(jìn)1環(huán)管片的距離，同時(shí)變換單元材料，單元材料變化情況如圖3所示，圖中虛線表示被挖掉的土單元。(2)單元控制部位(1)位于新開挖面前方的一層土單元應(yīng)力由靜止土壓力狀態(tài){k0σz,k0σz，σz}T變?yōu)楦飨虻葔籂顟B(tài){σs，σs，σs}T，其中k0為靜止土壓力系數(shù)，σs為土壓艙壓力。根據(jù)式(1)計(jì)算由應(yīng)力變化產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)荷載，并將其作用在單元結(jié)點(diǎn)上。(2)使開挖面上隧道外圍的一層土單元結(jié)點(diǎn)上發(fā)生如圖1(c)所示的位移，盾尾襯砌外圍土單元結(jié)點(diǎn)發(fā)生如圖1(e)所示的位移。當(dāng)土體接觸到盾構(gòu)殼或者襯砌外壁時(shí)，再將盾構(gòu)殼和襯砌單元激活，使它們與土體共同作用。(3)在漿液單元外圍結(jié)點(diǎn)上加遠(yuǎn)離盾構(gòu)中心方向的注漿壓力。(4)在盾構(gòu)殼后部單元結(jié)點(diǎn)上加指向盾構(gòu)推進(jìn)方向的結(jié)點(diǎn)力，同時(shí)在其后部的管片單元結(jié)點(diǎn)上加反向的結(jié)點(diǎn)力，前后結(jié)點(diǎn)力的總和相等，且等于千斤頂推力的總和。(5)在盾尾后1環(huán)管片結(jié)點(diǎn)上加豎直向上的結(jié)點(diǎn)力，總和等于1環(huán)管片內(nèi)部挖去土體的重量，模擬開挖土體引起的豎向卸荷。重復(fù)第2步直到計(jì)算結(jié)束。4地土層地基土層和工地土地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)某盾構(gòu)隧道采用土壓平衡式盾構(gòu)。盾構(gòu)機(jī)長8.0m，盾構(gòu)外徑6.34m，盾構(gòu)殼厚7cm，盾構(gòu)刀盤外徑比盾構(gòu)殼外徑大1cm；管片寬1m，厚35cm。千斤頂總推力14000kN。地基土層自上而下依次為：雜填土(0～3.0m)、粘質(zhì)粉土(3.0～9.0m)、淤泥質(zhì)粘土(9.0～14.0m)、粉質(zhì)粘土(14.0～28.0m)、砂質(zhì)粘土(28.0～38.0m)、粉砂(38.0m以下)。隧道中心線埋深20m(位于粉質(zhì)粘土層中)。有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示，分析區(qū)域豎向深50m，寬60m，沿隧道縱向長150m。共5040個(gè)單元，6105個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中土體采用鄧肯–張E-υ模型，盾構(gòu)殼和管片采用線彈性材料，各層土的基本物理力學(xué)指標(biāo)及鄧肯–張E-υ模型參數(shù)見表1,2。5程序的改進(jìn)與完善按照上述模擬方法對(duì)河海大學(xué)巖土工程研究所開發(fā)的TDAD(threedimensionalanalysisforrock-filldam)三維非線性有限元程序進(jìn)行了修改，修改后的程序能夠綜合反映盾構(gòu)的推進(jìn)、盾尾的空隙與壓漿等因素的影響。對(duì)上述模型進(jìn)行了計(jì)算，盾構(gòu)共推進(jìn)了22步。得到以下的計(jì)算結(jié)果：5.1道下土體下降隧道基本達(dá)到平面變形狀態(tài)時(shí)，橫斷面及沿隧道軸線的縱斷面的土體位移失量圖如圖5,6所示。從圖中可以看出：(1)橫斷面上隧道左右土體發(fā)生趨近隧道的水平位移；隧道上方土體由于填充建筑空隙而下沉；隧道開挖，土體自重減小引起土體豎向的卸荷，隧道下部土體發(fā)生一定量的上浮。(2)縱斷面上隧道周圍土體發(fā)生沿隧道推進(jìn)方向的水平位移，開挖面后方隧道周圍土體向隧道處移動(dòng)；開挖面前方，土體向前方和周圍擠出。這是因?yàn)?，雖然開挖面卸荷會(huì)使開挖面前方一定區(qū)域土體向開挖面處移動(dòng)，但盾構(gòu)推進(jìn)過程中對(duì)周圍土體的摩擦和擠壓作用導(dǎo)致在盾構(gòu)到達(dá)之前土體已經(jīng)有了向前的位移，使得最終開挖面處土體的水平位移仍是向前的，隧道中心線上、下土體分別向上、下移動(dòng)。5.2地面沉降分布曲線計(jì)算得到的橫斷面沉降、水平位移分布曲線如圖7所示。最大沉降為1.67cm，發(fā)生在隧道軸線正上方地表面處；地表面最大水平位移為0.42cm(正值表示位移方向指向隧道中心線正上方地表位置)。地面沉降在橫斷面上的分布呈近似正態(tài)分布曲線，沉降槽寬度約等于隧道埋深的0.57倍(11.4m)，發(fā)生地表最大水平位移與地面沉降分布曲線反彎點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。隧道縱斷面計(jì)算與實(shí)測地面沉降分布曲線比較情況如圖8所示，從圖中可以看出有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)非常接近，有限元計(jì)算中考慮了盾構(gòu)前方土體受到盾構(gòu)推進(jìn)的擠壓作用，計(jì)算得到的前方地表處出現(xiàn)微小的隆起，計(jì)算得到的盾構(gòu)開挖面處地表面土體的沉降占地面最大沉降的20%左右，大部分地面沉降是由盾構(gòu)后部的建筑空隙引起的。地面點(diǎn)的沉降隨離盾構(gòu)開挖面距離的增加逐漸趨于穩(wěn)定，在盾構(gòu)開挖面后方30m左右的位置，地基達(dá)到平面變形狀態(tài)。5.3土體沉降槽寬度隨深度的變化橫斷面上不同深度處土體沉降分布曲線如圖9所示，從圖中可以看出隧道中心上方的土體沉降隨著深度的增加而增加，而沉降槽寬度逐漸減小，向隧道軸線位置處集中。6數(shù)值模擬結(jié)果分析(1)盾構(gòu)法隧道施工過程中周圍土體變形受到開挖面前方土體的擾動(dòng)、建筑空隙的閉合、盾尾注漿等多種因素的影響，運(yùn)用三維有限元模擬盾構(gòu)施工時(shí)必須全面考慮各種因素的影響才能得到合理的結(jié)果。(2)本文提出了各種影響因素的模擬方法和綜合考慮各種因素影