（固体力学专业论文）多层土及考虑刀盘开口面积的盾构开挖面稳定性分析.pdf

中文摘要 盾构法凭借自身优势成为目前最主要的隧道施工方法，具有对周围环境影响 小的特点。但是由于地质条件和施工工艺的影响，很难避免对周围地层的扰动， 可能引起隧道开挖面失稳破坏，因此隧道开挖面的稳定性研究就具有非常重要的 意义。 本文针对以上所述，主要研究内容如下： 1 阐述盾构法施工原理，介绍隧道开挖对周围土体的扰动机理，揭示了确定开 挖面极限支护力对于保持开挖面稳定的重要意义 2 针对研究问题的特点和要求确定计算程序，选择合适的土体本构模型，确定 研究开挖面稳定性的数值模拟方案。 3 盾构机刀盘由刀和开口两部分组成，建立砂土地层的数值计算模型，分析在 考虑开口作用下围岩变形规律，并结合稳定性理论确定开口极限最小支护力。 另外，分析研究隧道埋深、直径、刀上支护力大小、刀盘开口率对开挖面稳 定性的影响规律。 4 根据工程实例，建立多层土体数值计算模型，研究多层土体开挖面稳定性， 分析开挖面周围围岩变形、塑性区发展情况，并对地表沉降规律进行研究。 关键词：盾构施工开挖面稳定极限支护压力开口率 a b s t r a c t s h i e l dt u n n e l i n gh a sb e c o m et h em o s tp r i m a r ym e t h o di nu n d e r g r o u n de x c a v a t i o n w i t hi t sp r e d o m i n a n c e ，a n dh a st h em i n i m u me f f e c t0 ne n v i r o n m e n t b e c a u s eo ft h e e f f e c to fg e o l o g yc o n d i t i o n sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，i ti si n e v i t a b l et h a ts h i e l d t u n n e l i n gd o s e n td i s t u r bc i r c u m j a c e n ts o i lc o n d i t i o n sa n di ti sp o s s i b l et h a tt h et u n n e l f a c eb e c o m e si n s t a b l e ，s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt u n n e lf a c es t a b i l i t y t h ep a p e rd e v e l o p e st h ef o l l o w i n gw o r ka n dr e s e a r c ha c c o r d i n gt ot h er e l a t e d c i r e s ： 一 1 i n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p a lo fs h i e l dt u n n e l i n ga n de n v i r o n m e n t a le f f e c td u r i n g e x c a v a t i o n ，a n dt h e nb r i n gf o r e w a r dt h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h ef a c e s t a b i l i t yi ns h i e l dt u n n e l i n g 2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dn e e do ft h er e s e a r c h ，c h o o s ea p p r o p r i a t e c a l c u l a t ep r o g r a ma n dc o n s t i t u t i v em o d e l ，a n dt h e nd e s i g nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h er e s e a r c ho nf a c es t a b i l i t yi ns h i e l dt u n n e l i n g 3 c u t t e rh e a di sc o m p o s e do fc u t t e ra n do p e n i n g ，u p b u i l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o d e lo fs a n d ，a n a l y s et h er u l eo fs o i ld e f o r m a t i o no nc o n s i d e r i n go p e n i n g e f f e c t ，t h e np u tf o r w a r dt h em e a n so fo b t a i n i n gt h el i m i tp r e s s u r eo no p e n i n g a c c o r d i n gt os t a b i l i t ym e c h a n i s m s t u d yt h ee f f e c to f t u n n e lo v e r b u r d e n , d i a m e t e r , f o r c eo nc u t t e ra n do p e n i n gr a t i ot of a c es t a b i l i t y 4 a c c o r d i n g t o e n g i n e e r i n gp r o j e c t ，u p b u i l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo f m u l t i l a y e rs o i l ，s t u d y t h ef a c e s t a b i l i t y o fm u l t i - l a y e rs o i l ，a n a l y s es o i l d e f o r m a t i o na n dp l a s t i cz o n ea r o u n dt h ef a c e ，a n dd i s c u s st h el a wo ft h ee a r t h s s u r f a c es e t t l e m e n t k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l i n g ，f a c es t a b i l i t y , l i m i ts u p p o r tp r e s s u r e ，o p e n i n g r a t i o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谢骢眸 签字日期： 。9 年月s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瓣匏髯 导师签名： 签字日期：w 听年月芏日 拖阌 签字日期：7 年月f 日 第章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着城市化进程的加快，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，各种地面 资源的利用越来越趋于饱和，除了最大限度地利用地表的空间资源外，开发利用 地下空间资源就变得特别重要，地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻 等优点，逐步受到青睐。目前，大城市逐渐形成了以地下铁道为主体，多种轨道 交通类型并存的城市交通格局。从1 8 2 5 年伦敦建成第一条地下铁道至今，世界 上已有多个国家修建了地下铁道，不少城市如伦敦、巴黎、东京、香港等都已经 形成四通八达的地铁线网。地铁作为一种解决城市交通拥堵，减轻城市交通压 力的有效方法已经被我国的许多城市所采纳。目前我国已有1 0 个城市的地下轨 道交通项目投入运营，总里程4 4 0 多公里，年客运量达1 6 5 亿人次。从目前情 况看，城市地下轨道交通已经体现出了比常规公交更高的运输效率，在缓解交通 拥堵、节约土地资源、引导城市的空间布局和土地开发等方面具有巨大作用。“总 体规模较小”依然是我国城市轨道交通的一大缺憾。目前全国城市轨道交通运营 线路总计4 4 0 多公里，仅相当于英国伦敦一个城市的规模。因此，经有关预测和 分析，本世纪将开创中国城市轨道交通的新纪元，地铁工程将进入越来越多的城 市，对地铁隧道施工技术的研究和改进也变得越来越紧迫。 盾构法作为暗挖法施工的一种全机械化方法，是一门新兴的隧道施工技术。 随着盾构施工技术的不断完善，盾构隧道开挖成为城市地下施工的主要手段，它 避免了开槽明挖的一些缺点，具有以下优点： ( 1 ) 大部分施工作业竣工均在地下进行，对环境影响小； ( 2 ) 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理； ( 3 ) 穿越河道时不影响航运； ( 4 ) 建造隧道在穿越水域、沼泽等特定的条件下，盾构法也具有较高的经济 优越性。 我国在盾构法施工技术方面还存在很多问题，如施工技术不成熟、相关理论 研究落后等。盾构推进过程中容易引起地基变位，产生地基变位的原因众多，发 生的机理各不相同，目前对这方面的研究多侧重于壁后注浆控制。实际上在推进 过程中，开挖面支护力不断波动，也会引起地基变位。支护压力过小导致开挖面 第一章绪论 前方土体大量进入压力舱，引起地基过大沉降，甚至地表坍塌；支护压力过大， 可能产生地表隆起。同时，盾构压力舱内施加支护压力的渣土( 或泥水) 质量受到 地层影响使支护压力不断波动，进一步恶化了不良开挖控制的影响。近年来，由 于开挖面失稳引起施工事故的问题在地质条件复杂的上海、广州等地区的盾构隧 道施工中时有发生，因此研究盾构隧道开挖面稳定性的相关问题具有重要的现实 意义。 1 2 盾构施工技术原理及发展历史 1 2 1 盾构施工技术发展历史 盾构施工法是使用盾构机在地下掘进，在防止开挖面土砂崩塌的同时在机内 安全地进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。盾构施工法是由稳 定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。 盾构施工法由英国的布鲁诺( b r u n e l ) 于1 8 1 8 年从一种食船虫在船身上打洞 一事受到启发而研究提出的。并于1 8 4 3 年在伦敦泰晤士河下用手掘式矩形盾构 完成了全长4 5 8 米的第一条盾构法隧道。1 8 3 0 年l o r dc o c h r a n c e 发明了施加压 缩空气的“压气法”以解决盾构穿越饱和地层时涌水的问题。1 0 年后，g r e a t h e a d 首创了在盾尾衬砌外部盾尾空隙中注浆以控制地基变形的壁后注浆方法，进一步 推动了盾构法在城市隧道建设中的应用。1 8 6 5 年巴尔劳首次采用圆形断面盾构 机，之后这种断面成为盾构隧道的基本断面。2 0 世纪六七十年代，继法国研制 了泥水加压盾构机后，日本研究开发了土压平衡式盾构机，这种闭胸式头部、刀 盘机械开挖的技术结合管片衬砌，壁后注浆及防水技术成为近3 0 年盾构技术的 主流。 我国上世纪5 0 年代初首次在东北阜新煤矿采用盾构法修建了直径2 6 m 的输 水道，1 9 6 6 年在上海采用网格式挤压盾构修建了直径达l o m 的打浦路越江隧道， 8 0 年代初期上海开始使用土压平衡式盾构进行地铁隧道的修建，8 0 年代末期我 国开始使用泥水加压式盾构，并在1 9 9 4 年成功地进行了上海延安东路南线越江 隧道工程。近年来，随着国内城市轨道交通系统的不断建设与完善，地下铁道的 隧道成型施工中盾构施工技术得到越来越广泛的应用，如广州地铁2 号线海珠广 场站至市二宫站采用了泥水盾构改造的复合式盾构施工，南京地铁一号线盾构工 作井至三山街站南端头井区间采用日本三菱公司生产的6 3 4 0 m m 土压平衡铰接 式盾构机施工。随着城市轨道交通系统的发展，越来越多的盾构施工隧道将会在 国内出现。 第一罩绪论 1 2 2 盾构施工技术原理 盾构法施工的过程如图2 1 所示：首先在隧道某段的一端建造竖井( 盾构出 发蜂井和接收竖井) 或基坑( 出发基坑和接收摹坑) ，以供盾构安装就位；盾构 从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另竖井或基坑的 设计孔洞推进；盾构推进中受到的地层阻力通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼 装的隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构机是这种施上方法的最 主要的独特施工机具，它是一个既能支承地层压力而叉能在地层中推进的圆形或 矩形或马蹄形等特殊形状的钢茼结构，在钢筒结构的前面设置各种类型的立撑和 开挖土体的装置在俐筒中段周嘲的内而安装顶进所需的千斤项，钢筒尾部是具 有一定卒问的壳体，在盾尾内可咀拼装一垒二环隧道衬砌环。盾构每推进一环距 离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧箍唇尾后面的开挖坑道周边与村 砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地而下沉，井在盾构推进 过程中不断从开挖面排出适量的土方；盾构掘进到选预定终点的竖井或基坑时， 盾构进入该竖井或基坑，掘进结束。随后检修盾构或解体盾构运出。 一瞬锑 盾构机按开挖面与作业室之间隔墙构造u j 分为全开敞式、半开敞式及密封式 三种。具体划分如下；全开敞式是指没有隔墙，能直接看到全部掘削面的掘削状 况，开挖面呈敞露状态的盾构机，根据开挖形式，又分戚手掘式、半机械式和机 械式三种。这种盾构适用于开挖面臼稳定性好的围岩。当开挖面不能自稳时，需 要结合使用压气施工法等辅助施1 二法以防止开挖面坍塌。半开敞式是指能直接 看到部分掘削面的掘削状况，部分开挖面呈敞露状态的盾构机也指挤压式盾构 机，这种盾构机的特点是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排士口。密封式盾 第章绪论 构机是指掘削面和内舱之间没有隔墙，不能直接看到掘削面的掘削状况，只能靠 一些传感器间接掌握掘削情况，密封式盾构机又分成泥水式盾构机和土压式盾构 机。 泥水式盾构机是在机械式盾构机的前部设置隔墙，装备刀盘面板、输送泥浆 的送排泥管和推进盾构机的盾构千斤顶。在地面上还配有分离排出泥浆的泥浆处 理设备。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水室内，在开挖面用泥浆形成不透水的泥 膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗开挖面的开挖土压力和水压力。开挖的土砂 以泥浆形式输送到地面，通过处理设备离析为土粒和泥水，分离后的泥水进行质 量调整，再输送到开挖面。由于不能用目视直接检查开挖面围岩状态，所以采用 一系列掘进管理系统进行集中管理。一般泥浆处理设备设在地面，比其它施工方 法需要更大的用地面积。泥水式盾构机适用的地质范围很大，从软弱砂质土层到 砂砾都可以使用，但难以确保竖井用地，近年来选用逐渐减少。 土压式盾构机是在机械式盾构机的前部设置隔墙，使土室内和排土用的螺旋 机内充满开挖土碴，依靠盾构机千斤顶的推力给土室内的开挖土砂加压，使土压 作用于开挖面以使其稳定。螺旋输送机可分为有轴螺纹式、无轴带式和有轴螺纹 与无轴带式组合三种，可根据地质条件选用。一般选用有轴螺纹式，无轴带式用 于砾石层开挖，由于中心无轴，所以对挖除大砾石非常有利，有轴中螺纹式保持 压力的效果好，而无轴带式因其中心开口较大，保持压力效果不佳，故常在排土 口设置滑动闸门等止水装置。 土压式盾构机根据土室内土的状态，可分为土压式和泥土加压式盾构机。土 压式盾构机是将刀盘开挖的土砂充满土室，由盾构千斤项的推进力加压，使土压 作用于整个开挖面，以稳定开挖面，同时由螺旋输送机进行排土。这种盾构机是 在挤压式盾构机上安装刀盘进行开挖，同时使开挖的土砂流动，以便排土。这种 盾构机适用于仅仅可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软粘土。泥土加压式 盾构机装备有注入添加材料促进开挖土砂塑性流动的机构，和强力搅拌添加材料 及开挖土砂的搅拌机构，通过盾构千斤顶的推进力对土室内搅拌后的土砂( 泥土) 加压，并使该泥土压力作用于整个开挖面，使开挖面获得稳定，同时用螺旋输送 机排土。这种盾构机适用的土质范围较广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、 砂、砂砾、卵石等土层，以及这些土的互层。由于泥土加压式盾构机适用的范围 广，竖井用地也较少，所以最近采用的最多。 1 3 盾构隧道开挖面稳定性研究综述 在盾构法隧道施工中，开挖面支护压力的合理选择是一个难题。近年来， 4 第一索绪论 开挖面失稳施工事故这一问题在地层条件复杂的上海、广州、深圳地铁盾构隧 道施工中时有发生，因此研究盾构隧道开挖面稳定性相关问题具有现实的意义。 盾构隧道施工开挖面稳定相关研究主要包括开挖面控制时支护压力大小的确 定、极限支护压力大小的确定、开挖面破坏模式及机理研究、开挖面支护压力 控制与施工对周围环境影响的理论研究等。目前，开挖面稳定性理论研究主要 侧重于开挖面极限支护压力的确定。国内外学者在分析开挖面失稳破坏模式的 基础上提出了许多计算模型。 1 3 1 塑性极限分析理论 针对浅埋隧道工作面的稳定性，国外专家和学者进行了一系列的研究。塑性 极限分析n 7 1 通过在计算中假定开挖面前方滑动块的形状，利用上、下边界定理计 算开挖面极限最大及最小支护压力。对于不排水条件下的工作面稳定性问题， b r o m s 和b e n e r m a r k n 8 1 ( 1 9 6 7 ) 首次提出了工作面稳定性系数的经典概念。工作面稳 定系数可用式( 1 - 1 ) 表示： n = 如s y h o ：、| s 。 ( 1 - 1 ) 式中：为开挖面稳定系数；以为地面超载；y 为粘土的容重；h 为隧道轴 心到地表的距离；正为隧道开挖面支护压力；s ，为隧道轴心处土体的不排水抗 剪强度。 通过对现场多个基坑及隧道工程的实测统计分析及简单的室内模拟实验可 以发现：当n 6 时开挖面失稳；当4 n 6 时开挖面地层为塑性变形；当2 n 4 时开 挖面地层为弹塑性变形；当i n 2 时，开挖面地层为弹性变形；当n i 时开挖面地 层几乎不发生变形。p e c k ( 1 9 6 9 ，1 9 7 2 ) 也给出了类似的结论。 d a v i s 等乜u ( 1 9 8 0 ) 基于b r o m s - b e n n e r m a r k 提出的稳定系数结合上限塑性极限 分析对开挖面的稳定性给出了稳定性极限分析及开挖面坍塌与隆起的破坏机理， 考虑t r e s c a 材料中的无支护横、纵向平面应变稳定问题，用圆柱体及球形体代表 滑动区域得到了2 个下限解，如式( 1 - 2 ) ，式( 1 - 3 ) ： n = 4 1 n ( 2 c d + 1 ) = 2 + 2 i n ( c d + i ) 式中：n 为开挖面稳定系数；c 为隧道埋深；d 为隧道直径。 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 第一章绪论 l e c a - d o r m i e u x ( 1 9 9 0 ) 提出用一个或两个土体圆锥形块体圆弧滑动的上限 解法分析m o h r - c o u l o m b 材料中盾构隧道开挖面的稳定性其研究假设开挖面有3 种破坏机制，分别如图卜4 ( a ) 、( b ) 及( c ) ，其中2 个土体锥形块的滑动破坏情 况。掇据上下限理论得出盾构隧道开挖面最大最小支护力分别为式( 卜4 ) 式 ( 1 5 ) ： 。t 叫= n ：日。+ n i 归+ 心：一q c c o t e ( 1 一舢 q = 孵吼+ 吖y d + ( 吖一1 ) c 州 ( 卜5 ) 其中：，为土体容重；吼为地表超载；d 为隧道直径；c ，为土体粘聚力及 内摩擦角；听是支护力：孵。，i ，n 7 为稳定系数。 该计算结果与c h a m b o n 离心试验测得开挖面破坏时的支护压力有较好的一致 性。之后有不少学者通过假定不同的靖动面形势，并基于塑性极限理论进行开挖 面稳定的研究，a b d u lh a r o l ds o u b r a l 。”( 2 0 0 0 ) 假定盾构隧道开挖面的破坏模式 由两个刚性截圆锥及一个剪切带组成，提出了两种改进的破坏模式来考虑开挖面 的坍塌与隆起，其计算结果与c h a m b o n 的离心试验结果较为接近。 ( a ) 塌落破坏i( b 】坩落破坏1 1盘出破“、m 圈1 - 4 l e c a + d o n n i e u x 提出的开挖面的破坏形式 1 3 2 楔型体理论 基于j a n s e e n 的筒仓理论( s l l o t h e o r y ) ( 1 8 9 5 ) ，h o r m ( 1 9 6 1 ) 晟早提出了三维 楔型体模型的概念( 如图卜5 所示) ，它由一个位于开挖面前方的楔型体和开挖面 上方的棱柱体两部分组成。在此基础上，j a n c s e c z & s t e i n e r ( 1 9 9 4 ) 假设地层均 匀，楔型体上部士柱考虑土体的松动土压力，采用该模型来分析盾构隧道开挖面 的极限支护压力。盾构施工中，压力舱内泥水( 或塑流状渣土) 作用于开挖面土体 时，支承介质会渗入到开挖面定深度，一方面影响支护力的大小及分布，另一 方面导致开挖面地层的超孔隙水压力白勺产生，m o n n e tjk c h a f f o i s9 ( 1 9 8 9 ) 对砂 砾地层条件下支护介质渗入、孔隙水压力变化及有效支护压力减小三者相互作用 对开挖面稳定性影响，并结合楔型体受力模型做了详细分析，此研究取得了较为 多j 第一章绪论 合理的结果。a n a g n o s t o ug ( 1 9 9 4 ) 利用同样的计算模型，把理想状态下的泥膜看 成是不透水的“密封”，研究地层的抗剪强度、地层渗透系数、泥水黏度泥水重 度、泥水压力、隧道的几何尺寸及开挖面稳定性安全系数的相互关系，并重点分 析了泥水渗入地层的时间效应。另外，通过实验发现，在颗粒级配良好的沙土中， 提高泥水压力能有效提高开挖面稳定安全系数；而在粒径较大的土层如粗砂、沙 砾层中，仅提高泥水压力对于提高开挖面稳定的安全系数作用微乎其微，在这种 情况下，提高膨润土含量从而提高溺水的剪切强度可以产生优质泥膜，有效确保 开挖面的稳定。 图1 - 5 三维楔型体计算模型 v e r m e e r 等乜钔通过假定开挖面前方土体滑动区域为半圆型、四分之一圆型或 三维球状破坏面，通过分析作用于滑动面上的剪应力，利用极限平衡分析研究开 挖面的最小支护压力；近年来，a b d u l - h a m i ds o u b r a l 眩酊提出两种改进的破坏模 式分别考虑隧道开挖面的坍塌与隆起，其破坏模式通过两个刚性截圆锥和一个剪 切带组成，其与l e c a d o r m i e u x 离心模型试验得到的开挖面的破坏形式较为一 致。 1 3 3 模型试验研究 理论分析得出的极限支护力的合理与否需要经过现场实际工程的检验，然而 现场工程中开挖面的失稳应尽量避免，鉴于此，模型试验在盾构隧道开挖面稳定 性研究中得到了广泛的应用。模型试验研究盾构隧道施工开挖面失稳破坏与变形 方面都具有很大的优势和说服力，但由于试验模拟实际掘进过程的困难、试验数 据收集困难、模型尺寸因素，及其试验设备和试验经费的限制，使得这种方法的 研究难以普及和深入，目前国内在这方面的研究还相当匮乏。 c h a m b o n & c o r t e 口列( 1 9 9 4 ) 通过离心模型试验模拟均质砂土层中开挖面支护 压力( 两种施加模式) 逐渐减小，研究不同埋深情况下开挖面的破坏形式：开 7 第一章绪论 挖面破坏形状为开挖面前方可以看成楔型体，破坏区域上方基本表现为筒仓状， 随着埋深的增大，破坏丽反应不到地表面：极限最小支护压力的大小与埋深 关系不大( c d = os 4 ) 如图卜7 所示。l l is a t a k 等1 e c a t k i n s o n p o t s h 。的试 验也得到同样的破坏形式。 纂萝b ( a ) 开挖面的破坏示意图( c i x 20 )( b ) 砂土不可埋深比下破坏示意图 图1 7 砂土地层开挖面的破坏形式 m a i r 等( 1 9 9 7 ) 1 在对文献评述的基础上，给出了粘土和砂土隧道工作面破坏 机理更为一般的概念解释图( 图1 8 ) 。m a i r 等认为粘土和砂土的工作面破坏机理 研究有显著的区别。在粘土中，工作面失稳的扩展规律是：自隧道仰拱向上部和 两侧变得明显较隧道直径宽；而在砂土中，与这种情况相反的足其扩展差不多是 沿垂直拱部方向从隧道一直到地表，呈狭窄的“烟囱型”。k o m i y a 等( 2 0 0 0 ) ”1 通 过一个隧道上推的物理模型试验，局部验证了l a i r 等( 1 9 9 7 ) 的观点。但不同的是 对砂性土，矩形隧道与m a i r 等( 1 9 9 7 ) 所述的失稳相似；但对圆形隧道，试验结果 为自拱部呈4 5 角向外扩展且两侧的垂直压力增加。 7 厂 弋丁一 土一 j - - - - - - - j 一7 【， f 二二丁 。厂 ( yb f ( a ) 粘土( b ) 砂土 图卜8 粘土和砂土隧道工作面失稳破坏机理( m a i r 等( 1 9 9 7 ) 第一章绪论 模型试验中，部分学者早期通过简单的室内小尺寸模型研究隧道开挖面破坏 的稳定性问题汹3 9 1 。试验中为了克服尺寸效应，研究了砂土及粘土中普遍施加地 表面超载实现开挖面土体能够出现破坏状态。离心模型试验中关键技术为开挖模 拟与支护4 0 划、注浆过程h 州司及精确的检测仪器的布置m 1 ，离心试验研究隧道开 挖稳定有以下两种方式，一种是简单的模拟隧道支护力的大小，采用平面应变假 定，隧道采用一次开挖成型，支护压力逐渐减小研究隧道破坏情况，以隧道横断 面平面应变假定为基础；另外一种能够较为合理的模拟盾构开挖过程，即隧道有 支护，开挖面通过设定无支护距离p = 0 模拟盾构隧道施工情况，能够反应隧道 开挖面作用实际的三维效应，其试验结果对开挖面稳定研究具有实际的应用价 值。 国内的徐东等h 刀( 1 9 9 9 ) 利用离心模型试验针对上海粘土的成拱能力作了研 究。研究认为：对于无支护情况，开挖双孔隧道，隧道底部以上8 m 厚的土层不能 形成稳定的天然拱，成拱厚度至少需要1 2 m 。 长江科学院的程展林等m 3 ( 2 0 0 1 ) 以南水北调中线穿黄工程隧道方案为研究 对象，建立模拟盾构开挖面稳定试验系统，通过模型试验对砂土中泥水盾构法隧 道施工开挖面稳定性进行研究。对泥浆盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机 理，开挖面前缘土体的应力变化规律，泥浆压力作用机理及泥膜的形态进行了研 究，提出了中粗砂地基中维持盾构施工开挖面稳定的最小泥浆压力即临界泥浆压 力公式： 岛= ( o 6 0 7 ) t 9 2 ( 4 5 0 一缈2 ) ( o v 一“) + “ ( 1 6 ) 其中：矿为地基土有效内摩擦角；“为孔隙水压力；正，为上覆土体竖向应力； e t = 0 6 - - - 0 7 反映砂土地基的拱效应。该模型试验结果考虑了拱效应和孔隙水压 对开挖面稳定的影响，与国内外最常用的泥水压力按开挖面地层的水土压力再加 上2 0 k p a 的波动来确定方法相比，更为全面且符合实际情况。 朱合华等【4 9 】( 2 0 0 7 ) 以上海轨道交通m 8 线某区间隧道的软土地层为参照原 型，进行了软土地层中土压平衡盾构法施工的模型试验研究。得出了随埋深比 ( h d ) 的增大，土舱的压力值也越高。 1 3 4 数值模拟研究 随着计算机技术的发展，采用有限元、边界元或有限差分技术反映实际盾构 开挖三维效应的三维有限元仿真技术得到大量的应用。 i n - m ol e e 等口州3 用数值模拟分析了考虑隧道施工中开挖面地下水流入产生 9 第一章绪论 的渗流力影响，假定渗流力水平向分量影响开挖面的稳定，确定隧道开挖面极限 支护压力。 法国的c h a f o i s 等对里昂地铁砂砾地层中泥水式盾构掘进中开挖面支护压力 影响应用三维有限元数值计算进行了简单模拟，对不同支护压力下，开挖面前方 土体的变形情况进行了简单计算，其计算过程简单，开始段的空间效应没有考虑 处理，对计算结果影响较大。 王敏强等口7 1 ( 2 0 0 2 ) 采用三维非线性有限元模拟盾构推进的过程，提出了计算 模型，可以应用到研究开挖面稳定性的研究中。 s a g a s e t ac 7 s 分析了由于地层损失导致的地表沉降。朱忠隆等m 刚通过修正 方法来计算地面隆起，施成华瞪玎考虑了隧道开挖和盾构挤压，仍采用“负土体损 失来反映地面隆起的大小，同时假定挤土范围为盾构直径的1 5 倍。 张冬梅旧3 ( 1 9 9 9 ) 在计算时将盾构的推进面作为荷载作用面，将正面附加推 力近似为圆形均布荷载。 张云等哺3 1 ( 2 0 0 2 ) 利用等代层表示复杂的注浆层，分析盾构法隧道引起的地 表变形分析，得到了有效而又合理的结果。 于宁泓1 ( 2 0 0 4 ) 在计算中得出了盾构隧道轴线地面纵向变形曲线可以分为： 开挖面前方隆起区、急剧沉降区、沉降稳定区和沉降反弹区四部分。 姜忻良等阻朝( 2 0 0 5 ) 以天津地铁一号线工程为背景，利用有限元程序a b a q u s 的单元生死技术模拟盾构前进过程，并对工程盾构开挖过程进行了仿真模拟。 t r c k o v aj i r i n aa n dp r o c h a z k ap e t r ( 2 0 0 3 ) 娜1 不考虑渗流的情况下用实验 和数值模拟了均匀介质开挖面的稳定性。 k o n i s h ia n ds h i n j i ( 2 0 0 4 ) m 用刚塑性有限元法模拟了不考虑渗流作用下开 挖面的稳定性 秦建设( 2 0 0 5 ) ，黄正荣( 2 0 0 6 ) 等呻棚3 用有限差分数值方法模拟计算了盾构 隧道开挖面的极限支护压力，并与离心试验作了比较。 杨洪杰等阻( 2 0 0 6 ) 建立了模拟盾构掘进的有限差分模型，研究盾构周围土压 力及刀盘开口率的变化对土舱内外土压力的影响，也给开挖面稳定性的数值模拟 分析提供了思路。 杨会军( 2 0 0 7 ) 啪1 ，李地元( 2 0 0 7 ) 曲铂用数值模拟了渗流作用下隧道围岩的影响， 没有考虑渗流对开挖面的影响。 1 4 本课题研究的目的和意义 盾构法施工已成为隧道施工中最主要的施工方法，隧道开挖面稳定性控制是 l o 第一章绪论 盾构法施工控制中的一项关键技术，对其进行研究具有重要的意义。国外关于这 方面的研究已经取得了不少成果，但是国内尚处于初步阶段。针对这一现状，本 文利用数值计算方法，着重从开挖面支护力入手，研究支护力变化对隧道围岩变 形规律及地表沉降规律的影响，从而得出开挖面极限支护力和开挖面失稳破坏模 式。 1 5 本文所做的工作 针对课题的研究目的，本文进行了如下工作： 1 对隧道盾构开挖面稳定性研究的发展状况进行综述，阐述盾构隧道施工中保 持开挖面稳定的重要性；介绍土压平衡式盾构机的施工原理。 2 根据本文研究的目的，选择合适的计算程序，并介绍该计算程序的理论背景， 选择合理的材料本构模型，设计数值模拟的具体方案。 3 建立砂土地层的数值计算模型，分析在考虑开口作用下围岩变形规律，并结 合稳定性理论确定开口极限最小支护力。另外，分析研究隧道埋深、直径、 刀上支护力大小、刀盘开口率对开挖面稳定性的影响规律。 4 根据工程实例，建立多层土体数值计算模型，研究多层土体开挖面稳定性， 分析开挖面周围围岩变形、塑性区发展情况，并对地表沉降规律进行研究。 第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法 第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法 目前在岩土力学中常用的数值计算方法有差分方法、有限元法、边界元法等 几种，特别是后两种方法，随着计算机的发展其应用尤为广泛。但是，这几种方 法都是以连续介质为出发点，而且往往囿于小变形的假定。它们虽然也可以用来 解决由几种介质所组成的非均质的问题，并且对于个别的断层或弱面，也可以用 设置节理单元的办法来解决，但是用以解决富含节理和大变形的岩土力学问题， 往往所得的结果与实际的物理图景相差甚远。于是离散单元法和拉格朗日法就应 运而生。 离散单元法是c u n d a l l 于上世纪7 0 年代初所提出的。该法将为弱面所切割 的岩体视为复杂的块体的集合体，允许各个块体可以平移或转动，甚至相互分离。 三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它可以模 拟岩土或其他材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日法将计算区域划分为若干 个四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关 系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变 形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合于大变形问题。三维 快速拉格朗日法采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混 合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤 其在材料的弹塑性分析，大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的有点。 本文计算中，使用基于离散单元法和拉格朗日法的“三维连续介质快速拉格朗日 分析 记为f l a c 3 d ( 3 df a s tl a g r a n g i a na n a l y s i sf o rc o n t i n u u m ) 。该法将流 体力学中跟踪流体运动的拉格朗日方法应用于解决岩体力学问题获得成功。本章 将对该程序的计算原理做相关介绍。 2 1 数值计算程序原理及其特点 2 1 1 数值计算程序原理 f l a c 3 d 采用快速拉格朗日法，基于显式差分来获得模型的全部运动方程( 包 括内变量) 的时间步长解。程序将计算模型划分为若干个不同形状的三维单元， 单元之间用节点相互连接。对某一个节点施加荷载之后，该节点的运动方程可以 写成时间步长的有限差分形式。对某一个微小的时间内，作用于该点的荷载只对 1 2 第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法 周围的若干节点( 相邻节点) 有影响。根据单元节点的速度变化和时间，程序可以 求出单元之间的相对位移，进而可以求出单元应变；根据单元材料的本构方程可 以求出单元应力。 其多边形( 如图2 - 4 ) 有限差分方程为： 等= 三窆p 衅( 2 - 1 ) a x ia 一k = i ”8 式中：孢为多边形的边数； f 行为函数f 在n 条边上的平均值； 厶瑶为第n 条边的长度向量分量； g 为变换张量，对于二维的情况，影= 三习 2 1 2f l a c 3 d 的特点 图2 4 有限多边形 虽然f l a c 3 d 的计算公式源于有限差分方法，但其数值计算与有限元方法的计 算结果( 对于常应变四面体) 相同，而且它与现在的数值方法相比有着明显的优 点，其特点包括： ( 1 ) “混合离散化 技术的使用，更能精确和有效地模拟计算材料的塑性破 坏和塑性流动，在力学上比常规有限元采用的积分法更为合理。 ( 2 ) 全部使用动力运动方程，即使在模拟静态问题时也如此，因此，可以较 好的模拟系统的力学不平衡到平衡的全过程，实现动态模拟过程。 ( 3 ) 求解中采用“显式”差分方法大大节约了计算时间，特别对求解任意的 非线性应力一应变问题尤为重要。同时它不需要存储较大的刚度矩阵，这就意味 着计算机一般的内存就可以计算大量的单元，而且大变形计算所花费的时间和小 变形基本样。因此，它与一般的差分分析方法相比即节约了计算机的内存空间， 又减少了运算时间，大大地提高了解决问题的速度。 ( 4 ) 物体由多面体单元所表示，可以通过调整三维网格的方法以适应研究体 第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法 的真实形状，与有限元软件a n s y s 可以建立接口，从a n s y s 中建立模型，然后转入 f l a c 3 d ，这样大大弥补了其建模困难的缺点。每个单元力学行为是对应力一应变 法则和边界力、约束条件的响应。材料能产生屈服和流动，而且网格也能变形， 并随着材料移动。 ( 5 ) 强大的后处理功能。能根据需要输出特定阶段的应力应变成果，提取各 工程部位的应力、应变的量值，同时还可以运用追踪功能( h i s t o r y ) 获取所需要 的变量值的历史变化曲线图。可以与其它后处理软件建立接口，显示位移、应力、 应变以及能量的等值线图。 2 2f l a c 3 d 数值计算过程 从上面的分析可知，用f l a c 3 d 实现具体的计算时，大致的步骤可归结为： 离散分析对象一施加初始条件、边界条件和定义材料参数一迭代计算一迭代计算 结束输出计算数据。各步骤具体实现方法如下： 采用混合离散技术，将分析区域离散为可由四面体单元组合而成的五面 体或六面体； 初始条件：在模拟土体的初始条件时，体力作为初始应力条件来旋加， 本研究中在模拟隧道开挖时，不考虑超载，初始应力场就是在土体自重的条件下 计算得到的位移场； 边界条件为：本研究中，边界条件为位移边界条件，是通过节点速度的形式 施加的； 迭代计算：在迭代前，求出节点质量、节点力及阻尼力；利用动量平衡 方程差分求解节点速度及位移；迭代完成，利用已知节点速度求解单元的应变速 率，利用本构方程求解单元应力，根据求解的应力，继续进行迭代计算； 迭代计算的结束：通过检测不平衡力比率e 的值，若不平衡比率小 于一定值时，则认为系统趋于平衡状态，迭代结束。 显式差分求解中，所有的力、位移及速度都储存在节点上，所有的标量及张 量，如应力及材料属性都存储在单元的中心位置，首先通过运动方程由应力及外 力可以求出节点的速度及位移，由空间导数从而得出单元应变率，借助于材料的 应力应变关系，由单元应变率可以获得单元新的应力。 另外，该程序计算不仅可以得到失稳破坏后的状态，还可以实现开挖面失稳 破坏渐进过程的监控。这种功能是由动态松弛显式差分求解技术来实现的，显式 差分的重要优势是不需要每个循环同时求解线性代数方程组，从而较容易通过分 析迭代求解计算过程中应力及应变的变化情况而了解其发展规律及趋势。在表 1 4 第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法 2 - 1 中叙述了显式算法与隐式算法的不同，显现出采用显式算法的优势。由于能 够考虑塑性流的发生，所以能模拟岩土体材料在沿某一弱面产生的滑动变形，针 对不同的材料特性，使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料的动态行 为，较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的 力学行为，分析渐进破坏和失稳。 表2 1显式算法与隐式算法的比较【7 2 】 显式方法隐式方法 时步小于稳定性的临界值时步可以非常大，没有稳定条件控制 每一时步只须少量的计算每一时步需要大量的计算 进行动力解时无需明显的数值阻尼数值阻尼与时步有关 无需反复迭代来实现非线性本构关系需反复迭代来实现非线性本构关系 只要满足时步标准，非线性定律总可以以有总需要验证以上步骤的具有：稳定性、对路 效的物理方式实现 径敏感问题遵循正确的路径 需要存储刚度矩阵，需克服相关的带宽问题， 不形成矩阵，无带宽限制，占用的内存少 需要的内存较大 由于不形成刚度矩阵，对大位移、大应变问 对大位移、大应变问题进行大量的计算 题同样适合，无需额外的计算 2 3 本构模型的选择 2 3 1 土体本构模型的选择 f l a c 中包含了1 0 种弹塑性材料本构模型，选择符合自己要求的材料本构模 型多数值模拟非常重要。数值模拟的精确度很大程度上依赖于所选的应力应变 关系和强度准则能否代表开挖处的土体力学行为，特别是反映在开挖中典型的应 力路径下土体的本构关系。现在有大量的模型来描述土体应力一应变关系和破环 形式。但是，对于精确复杂的模型，最大的缺点是很多参数需要确定，其中有些 目前尚无法由试验确定。因此，相对简单且实用的摩尔库伦模型和德鲁克普拉 格模型应用最多，其中摩尔库伦模型的最大特点是它既能发硬岩土材料的抗压 强度不同的s d 效应与对静水压力的敏感性，而且简单实用，材料参数c 和矽可 以通过不同的常规试验仪器和方法测定。摩尔库伦准则作为一种传统的反应固 体材料的弹塑性力学材料性质的本构模型而得到广泛应用，一些室内试验结果表 明，该破坏准则于实际试验结果非常接近，其反应的岩土材料的剪切破坏特性也 与材料的实际破坏情况较为符合。 第二章数值模拟计算程序的原理和实现方法 2 3 2 弹塑性理论 广义应力与应变增量的虎克定律为：弹塑性理论认为物体在弹塑性变形阶段 的应变勺可包括两部分：弹性应变s ；和塑性应变，应变增量的表达式为 d s u = d s ；+ d ； ( 2 - 2 ) 弹性应变增量d 可以用广义胡克定律计算，其表达式为 蟛= 集岛+ 鲁 ( 2 _ 3 ) 式中： i ，为应力张量第一不变量；& 为应力偏张量； k 、g 为体积变形模 量和剪切模量。 塑性应变增量d 占，可以根据流动准则确定，对服从相关联流动规则的材料， 有： 蟛= 以兰 ( 2 4 ) c o q 式中： 厂为屈服函数；以为比例因子；为应力张量。 把( 2 - 3 ) ，( 2 - 4 ) 代入( 2 2 ) 得 峥集磊+ 鲁讹岳 式中： 以= 0当f o 或f = 0 ，并且 0 d a = 0当f = 0 ，并且d f = 0 另外，需要确定掀。由于有下式成立： 矽：旦j ：o (