沉降計算和分析

沉降計算和分析地面沉降橫向分布計算地表沉降橫向分布曲線的形狀可用Peck[3]公式合理地表達,這一概念已被人們所接受,上海地區(qū)的許多盾構(gòu)施工實例也充分證明了它的實際使用效果[4-5]。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的,沉降槽的體積等于地層損失的體積。地層損失在隧道長度上是均勻分布的,隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為一正態(tài)分布曲線:式中:S(x)為距離隧道中心線處的地表沉降(m);Smax為隧道中心線處最大地面沉降(m);x為距隧道中心線的距離(m);i為沉降槽寬度系數(shù)(m);VS為盾構(gòu)隧道單位長度地層損失(m3/m)。Peck公式中的VS(地層損失)與盾構(gòu)種類、操作方法、地層條件、地面環(huán)境、施工管理等因素有關(guān),目前尚難給出確定的解析式。根據(jù)統(tǒng)計,在采用適當技術(shù)和良好操作的正常施工條件下,地層損失VS可表示為:VS=VlπR2

(3)式中:Vl為地層體積損失率,即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比;R為盾構(gòu)機外徑(m)。沉降槽寬度系數(shù)i決定了盾構(gòu)施工對周圍土體的影響范圍,一般而言,沉降槽半寬為2.5i。研究表明,i取決于接近地表的地層的強度、隧道埋深和隧道半徑,其計算式如下:式中:Z為地面至隧道中心的深度;Ф為土的內(nèi)摩擦角。杭州地鐵1號線隧道外徑為6.2m,土內(nèi)摩擦角取為23.2°,隧道頂部覆土厚度有18.8m,運用Peck公式計算可得沉降槽半寬W/2=33.0m,計算結(jié)果見表1,地面沉降橫向分布見圖1。2.地面沉降縱向分布計算劉建航[6]院士在Peck法的基礎(chǔ)上,提出了負地層損失概念,并將地層損失分成開挖面和盾尾后的地層損失兩部分,得出了地面沉降量的縱向分布預(yù)測公式:式中:S(y)為距原點距離y的地面沉降量,負值為隆起量,正值為沉降量(m);Vl1為盾構(gòu)開挖面引起的地層損失,欠挖時為負值(m3/m);Vl2為盾構(gòu)開挖后,以盾尾空隙壓漿不足及盾構(gòu)改變推進方向為主的所有施工因素引起的地層損失(m3/m);

y為沉降點至坐標原點的距離(m);yi為盾構(gòu)推進點處盾構(gòu)開挖面至坐標原點的距離,yf為盾構(gòu)開挖面至坐標原點距離(m):yi′=yi-L;yf′=yf–L

L為盾構(gòu)長度(m);Φ(y)為正態(tài)分布函數(shù)的積分形式。

縱向沉降槽寬度系數(shù)iy和橫向沉降槽寬度系數(shù)ix可通過修正系數(shù)K聯(lián)系起來:iy=Kix

(6)隨著盾構(gòu)隧道的推進,魚鱗石塘地表沉降發(fā)展過程如圖2所示。由圖2可知,盾尾空隙沉降和長期延續(xù)沉降占總沉降的比例為50%～80%。3有限元分析法預(yù)測地層沉降隨著有限元法和計算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬法在預(yù)測分析盾構(gòu)隧道引起的地層變形中被廣泛應(yīng)用。錢江通道過江隧道采用雙管單層雙向六車道盾構(gòu)方案,傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法無法很好地完成地層變形評估,而有限單元法不僅可以模擬雙線隧道,而且可以考慮地層結(jié)構(gòu),適應(yīng)復(fù)雜邊界條件,提供更為豐富全面的計算成果,更適合地層變形分析。本文采用荷蘭DelftTechnicalUniversity研制的有限元分析軟件PLAXIS模擬隧道施工導(dǎo)致的地面沉降,PLAXIS是一個專門用于巖土工程變形和穩(wěn)定性分析的有限元計算程序。3.1有限元模型的構(gòu)建該模型考慮的隧道直徑為6.2m,隧道中心埋設(shè)高程為-11.92m,盾構(gòu)隧道頂部覆土厚度為18.7m,兩隧道間距6.0m,影響區(qū)域土體100m×40m。地基土層包括6個不同土層,由上而下分別是堤身填土,厚4.0m;黏質(zhì)粉土,厚3.5m;黏質(zhì)粉土,厚5.4m;粉砂,厚2.1m;黏質(zhì)粉土,厚8.3m;淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,厚8.5m;更深部分則被看作完全堅硬,以合適的邊界條件加以模擬。土孔隙水壓力分布是靜態(tài)水壓,水位高程(參考地質(zhì)勘察報告)取為6.5m。數(shù)學模型如圖3所示。土層采用MOHR-COULOMB模型,隧道襯砌采用線彈性,厚度為0.35m。數(shù)模分析中考慮的荷載有結(jié)構(gòu)自重、水土壓力,模型采用15節(jié)點單元為基本單元類型,共有582個單元,4901個節(jié)dian。計算參數(shù)見表2。3.2數(shù)模計算分析3.2.1第1條隧道開挖后的地表沉降數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖4,圖5。圖4表明單條隧道開挖后,造成了地表下陷,土層沉降對稱分布,最大沉降出現(xiàn)在施工隧道中心軸線處,隧道上方的地層沉降隨深度增加而增加,在接近隧道襯砌頂端位置達到最大,在隧道下方土體出現(xiàn)向上的位移,在隧道襯砌底端達到最大。由圖5可知地表最大沉降為12.00mm。3.2.2二條隧道都開挖后