（岩土工程专业论文）盾构隧道施工引起地层沉降的数值模拟研究.pdf

论文题目：盾构隧道施工引起地层沉降的数值模拟研究 专业：岩土工程 硕士生：朱岱云( 签名) 指导教师：戴俊( 签名) 摘要 盾构隧道施工对周围地层产生扰动，从而引发地层位移，并主要表现为地层沉降。 这是盾构隧道设计与施工中非常关注的问题。 本文采用三维数值模拟软件f l a c 3 d 对盾构推进过程进行了模拟，并结合上海地铁 2 号线工程实测数据重点对开挖后3 0 天内的地层沉降尤其是地表沉降规律进行了分析 研究。主要研究内容包括：地表沉降与历时之间的关系、地层沉降随深度分布规律、隧 道横截面地层沉降分布与沉降槽扩展规律、隧道纵向沉降分布规律。本文模拟所得地表 沉降曲线与实测曲线较为吻合。 研究认为，盾构施工中，壁后注浆浆液经历凝胶一固结过程，期间其抗压强度及其 它力学性质在不断变化，必然对地层沉降产生影响。本文引入等代层的概念，以单液缓 凝型浆液抗压强度试验数据及经验取值为主要依据，设置多组浆液强度变化值，采用多 次数值模拟的方法，分析研究了浆液各时期强度( 主要是早期强度和后期强度) 对地层 沉降尤其是地表沉降的影响。 本文所得结论中最主要的两点为： ( 1 ) 盾构开挖后3 0 天内的地层沉降是随时间推移不均匀发展的，沉降速率由快至慢 不均匀衰减。 ( 2 ) 壁后注浆浆液早期强度对开挖后3 0 天内的最终地表沉降量影响较大，而长期强 度对其影响不明显。 本文所得结论对盾构隧道的设计与施工具有一定的参考价值。 关键词：盾构施工；地层沉降；数值模拟；壁后注浆 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg r o u n ds e t t l e m e n ti n d u c e db ys h i e l d t u n n e lc o n s t r u c t i o n s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a ie n g i n e e r i n g n a m e：z h u d a i y u n ( s i g n a t u 旧z 红立墨! ! 鹜 i n s t r u c t o r ：d a ij un(signature a b s t r a c t t h ed i s t u b a n c eo fs o i lo a u s e db ys h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o nr e s u l t si nt h e i l m o v e m e n t ，i n a i u i yt h eg m l ds e t t l e m e n t , w h i c hi so g l eo f t h ep r o b l e mh i # yc o n c e r n e di nt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r o c e s so f s h i e l dt u n n e l i n g s h i e l dt u n n e l i n gi ss i m u l a t e db yaf i n i t ed i f f e r e n c ec o d ef l a c ”t h e n , t h ec h a r a c t e r i s t i c o fg r o u n ds e t t l e m e n te s p e c i a l l ys u r f a c es e t t l e m e n ti n3 0d a y sf o l l o w i n gt h ee x c a v a t i o l la tt e s t s i t ei ss t u d i e do nt h eb a s i so f t h ec o m b i n a t i o no f t h em e a s u r e dd a t ao f s h a n g h a in o 2s u b w a y l i n ea n dt h er e s u l to fn u m e r i c a la n a l y s i s i tg e n e r a l l ya n a l y z e st h er e l a t i o nb c t w c c ns 眦 f a c e s e t t l e m e n ta n dt i m e , t h ec h a r a c t e r i s t i co fg r o u n ds e t t l e m e n tw i t hr e s p e c tt ot h ed e p 血加 c h a r a c t e r i s t i co f g r o u n ds e t t l e m e n to ni m c r u is e c t i o no f t h et u n n e la n dt h el a t e r a le x t e n s i o no f s e t t l e m e n ta sw e l la sg r o u n ds e t t l e m e n to l ll o n g i t u d i n a ls e c t i o l lo f t h et u n n e l f u r t h e r m o r e , t h e e l l r v eo f s u r f a c es e t t l e m e ma sar e s u l to f s i m u l a t i n gi sc l o s et ot h em e a s u r e dc u l n e o nt h ec o n s t r u c t i o no f t h es h i e l dt u n n e l i n g , t h ep r o c e s sf r o mg e l a t i n a t i o nt oc o n s o l i d a t i o n f o rm a t e r i a lo fb a c k f i l lg r o u t i n gi n f l u e n c e st h eg r o u n ds e t t l e m e n t t h ec o n c e p to fe q u i v a l e n t c i r c u i a rz o n ei ss u p p o s e db yt h i st h e s i sa n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hv a l u e si nd e f f e r e mt i m e so f a p r o c e s so f s l u r r yc o n s o l i d a t i n ga r gs e ta sag r o u pa n d u s e di ns i m u l a t i o nw i t ht h eh e l po f t e s t d a t aa n de m p i r i c a lv a l u eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs i n g l ef l u i ds l u r r yi na d d i t i o n a lw i t h d e l a y e dc o a g u l a n t i n t h i sw a y , as e r i a lo f d a t ag r o u p sa r et o o ka c c o u n to f b yt h e & 哪t i m e so f s i m u l a t i o n st os t u d yt h ei n f l u e n c eb ys o i ls e t t l e m e n te s p e c i a l l yg r o u n ds e t t l m e n to fg r o u t i n g s l u r r ym a i n l yt h ee a r l y s t a g ec o m p r e s s i v es a e n g t ha n df i n a lo n e t h et w ok e yr e s u l t so f t h i st h e s i sa r e ： f i r s t , t h eg r o u n ds e t t l e m e n ti n3 0d a y sf o l l o w i n gt h eg “艘馏锄i sd i f f e r e n t i a li na c c o r d w i t ht h et i m e s e c o n d , t h ee a r l ys t a g ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h eb a c k f i l lg r o u t i n gs l u r r yi n f l u e n c e s t h ef i n a ls u r f a c es e t t l e m e n ti n3 0d a y sf o u w i n gt h ee x c a v a t i o ne f f e c t i v e l y o nt h eo t h e r h a n d ，t h ef i n a ls t a g ec o m p r e s s i v es u e n g t hi sn e g l i g i b l e t h er e s u l t so ft h i st h e s i sm a yh a v es o m er e f e r e n c ev a l u et od e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f s h i e l dt u n n e l i n g k e y w o r d s ：s h i e l dc o n s t r u c t i o ns o i ls e t t l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a c k f i l lg r o u t i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o n 西要拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：爿聋氢云日期：l 占，侈- 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师虢懿幽 办州年6 月f 1 6 日 l 绪论 l 绪论 随着我国经济的高速发展，城市规模不断扩大，居住人口持续增长，结果使城市市 区内可供使用的地面面积越来越少，带来交通阻塞、环境污染、空间拥挤等“城市综合 症”，严重阻碍了城市经济的发展和人民生活质量的提高。要解决城市建设与土地资源 不足的矛盾，以促进城市的可持续发展和环境保护，开发和利用地下空间自然就成为扩 大城市容量的有效途径。因此修建城市地铁、地下供水管道、合流污水管道、地下电缆 通道等地下市政工程正日益受到国家的重视。 地铁作为一种高效便捷，且节省能源的交通运输手段，已经成为世界各国解决城市 交通拥挤问题的首选方案。地铁建设在我国发展十分迅速，目前，我国北京，上海，南 京，广州等大城市的地铁建设已经颇具规模，如北京地铁5 号线已经正式投入运行，而 且还在建设新的线路。全国还有2 0 多个城市正在申请修建地铁。 1 1 盾构法隧道简介 修建地铁隧道以盾构法最为先进，世界上许多城市的地铁都是采用盾构法施工建设 的。盾构法自1 8 5 2 年由法国工程师m a b r t m e l 研制发明以来，经历了从手掘式盾构、 挤压式盾构、气压式盾构到土压平衡盾构、泥水加压盾构的发展历程，而后两种盾构方 法的出现标志着盾构法施工技术进入了一个崭新的阶段。土压平衡和泥水式盾构均可以 在的大范围的工程地质和水文条件下使用，机械化程度高且施工速度快。除在岩石和半 岩石土壤的地质条件下钻爆法和盾构法竞争较为激烈外，在软岩、不稳定岩层及土层中 盾构法施工更加经济有效。8 0 年代日本长度为5 3 8 5 k m 的青函隧道、9 0 年代长度为 3 9 3 k m 的英吉利海峡隧道均用盾构法建成，创造了建造铁路隧道的世界之最f ”。 土压平衡盾构的前端是一个全断面切削刀盘，切削刀盘的后面有一个贮存切削土体 的密封仓，在密封仓中心线下部装置有长筒型螺旋输送机，输送机一头设有出入口。所 谓土压平衡就是指切削下来的土体和泥水充满密封仓，可具有适当压力与开挖面土压平 衡，以减少对地层的扰动，减小地表沉降。该方法较泥水式盾构经济，主要适用于粘性 土和有一定粘性的粉砂土。 泥水加压式盾构是在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封仓内，注入适量的泥浆 来支撑开挖面，切削土体与泥水混合后，用排泥泵和管道输送至地面处理。一般情况下， 泥水式盾构对地层的扰动最小，但费用最高。 1 2 研究背景 在城市地铁建设中，隧道要从现有的建筑物下通过。在通过城市中心区时，街道狭 西安科技大学硕士学位论文 窄，交通繁忙，道路两旁高楼林立，地下管线繁多，有时还要通过文物保护建筑。隧道 通过的地区往往工程地质情况复杂，表现为覆土层次多，土质不均匀且差异大，地下水 位埋深较浅等。如南京地铁l 号线工程，隧道要穿过秦淮河、金川河、古城墙、在建的 玄武湖公路隧道、龙蟠路公路隧道、以及多幢古旧建筑物，穿越秦淮河时上面覆土仅有 0 7 m ，与在建的玄武湖隧道底板净距也仅为l m 。隧道沿线属古河道漫滩地貌，工程地 质条件复杂，软弱土层较厚。隧道穿过的主要土层有：可塑一软流塑的粉质粘土、土、 细砂、粉砂夹细砂。其中淤泥质粘土具有高压缩性，极易产生土体流动，开挖面极不稳 定；粉细砂，粉砂夹细砂含水量丰富，透水性强，极易产生涌水、涌砂，有一段1 5 0 m 长的隧道处于严重的液化区。隧道沿线地下水位埋深最浅仅o 9 m 【2 j 。 由于隧道施工涉及到许多复杂的环境土工问题，其对周围环境的影响正受到越来越 多的关注，是一个值得研究的重要课题。 土压平衡盾构适用于粘性土层，上海地铁1 号线的区间隧道就是采用法国f c b 公 司土压平衡盾构修建的。实践表明此类盾构十分适合软土地区施工，对周围环境影响较 小。 虽然盾构技术有了很大发展，但在施工过程中仍会对周围环境产生许多负面影响。 其中很重要的是扰动地层，导致隧道周围地层变形及引起地表沉降，这种现象在软土地 层中尤为显著。当地层运动超过一定限度时，会危及周围建筑物、构筑物、道路、管线 和文物等的安全和正常使用，进而引发环境土工问题。隧道的施工在土体内部形成边界， 土体中原有的应力场发生变化，导致地层产生位移，这种地层位移不仅取决于土体的物 理力学性质，同时取决于隧道的埋深、盾构的直径与盾构施工方法及施工过程。盾构法 隧道的施工过程包括工作面开挖、盾尾衬砌环的拼装和盾尾空隙的注浆充填几个步骤。 工作面开挖和衬砌的拼装交替进行，直至整条隧道完成。衬砌环与实际开挖的土体界面 间留有环形空隙，该空隙称为盾尾空隙。隧道四周的土体会向盾尾空隙移动，同时盾构 通过后周围受扰动的土体要产生固结，这些将导致隧道附近的地层产生移动。为了防止 地层产生过大的位移，通过管片上预留的注浆孔向盾尾空隙内压注浆体以减小地层位移 发生的程度。因此，用盾构法在土层中修建隧道时，隧道四周向盾尾空隙位移的大小和 注浆充填的程度、隧道周围土层受扰动的范围和程度对地层位移有着重要影响，它们在 衬砌周围形成一个复杂的过渡圈层，成为地层位移的主要激发因素 3 1 。 t a d a s h ii - i a s h i m o t 0 1 4 将盾构施工中诱发地层变形的要素分为个4 个阶段( 如图1 1 ) ( 1 ) 先行沉降。指自隧道开挖面距地面观测点还有相当距离( 数十米) 的时候开始， 直到开挖面到达观测点之前所产生的沉降，是盾构掘进因地下水水位降低而产生的。因 此，这种沉降可以说是由于地基有效上覆土层厚度增加而产生的压缩、固结沉降。 ( 2 ) 开挖面前的沉降或隆起。指自开挖面距观测点附近( 约几米) 时起到自开挖面位于 观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象，多由于开挖面的坍塌、盾构机的推力过大 2 t 绪论 等所引起的开挖面土压力失衡所致。这是一种由于土体的应力释放或盾构开挖面的方向 土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用而产生的地基塑性变形。 隆起 地表沉降模式 7 i 7 菸降 、 壁后注浆 、 、 t |管片 | t沉降曲线 一一 开挖面压力平衡盾构通过 壁后注浆浆液硬化 图i i 盾构施工引起的地层变形机理 ( 3 ) 盾尾沉降。该沉降可以分为两个部分：一部分指从开挖面到达观测点的正下方 之后直到盾构机尾部通过观测点为止这一期间所产生的沉降，主要是对土的扰动所致； 另一部分指盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的沉降。是盾尾空隙的土体应 力释放所引起的弹塑性变形。盾尾沉降是本文研究的主要沉降区域。 ( 4 ) 后续沉降。指固结和蠕变残余变形沉降，主要是地基扰动所致。 盾构隧道施工引起地表沉降的程度大小是评价盾构隧道施工技术水平的重要指标 之一。目前修建地铁的城市多处于东部沿海地区，盾构施工地层软弱，地下构造物密 度大，常需靠近建筑物施工，这些情况使地表沉降引起的危害进一步加大。因此必须深 入研究盾构法施工引起地表沉降的规律，尽可能准确的预测地表沉降量，以求在设计和 施工中采取能够减少地表沉降的措施，选择最佳施工技术，确保施工地区建筑物与地下 管线的安全。 1 3 本文研究领域国内外的研究动态及发展趋势 盾构隧道施工引起地表沉降的预测与控制研究是地下工程学科的重要应用和研究 方向。3 0 多年来，在现场实测和理论分析基础上，众多学者对盾构掘进引起的孔隙水压 力、土压力及其它力学性质的变化作了深入研究，并提出了许多计算地表沉降的数学模 型。随着计算机技术的发展，数值模拟分析方法在盾构施工引起地表沉降的研究中得到 3 西安科技大学硕士学位论文 了越来越广泛的应用。 1 3 1 土体力学性质变化的研究 r o w e 和l 髓【5 】通过实测和理论分析发现应力路径会对土体弹性模量产生根本性影 响。针对这一理论，易宏伟、孙均1 6 1 分析了盾构施工过程中相对于盾构不同位置处土体 经历的应力路径，对盾构隧道周围扰动土体分为4 个区，如图2 1 所示。建议将土体比 贯入阻力和孔隙水压力变化作为评价土体扰动范围与程度的指标，数值计算中参数选择 应考虑到应力路径的影响。 ( a ) ( b ) 图1 2 盾构施工扰动分区 刘建航，候学渊1 7 憾结了盾构隧道施工引起的孔隙水压的变化。盾构隧道周围土体 受到盾构施工扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区( 正或负) 。一般当盾构 在推入某处地层后，盾构周围的超孔隙水压力如图1 3 所示分布。当盾构离开该处地层 后由于土体表面的应力释放，隧道周围的孔隙水压力下降，如图1 4 所示。在超孔隙 水压下降过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面沉降。此外，由于盾构掘进中的挤 压作用和盾尾后的压浆作用等施工因素，使周围地层形成正的超孔隙水压区，其超空隙 水压力在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在此过程中地层发生排水固结变形， 引起地面沉降。 u 厂妒l 。 l 。 u _ 厂。、。 l 夕 。 r 图1 3 盾构掘进超孔隙水的分布图1 4 盾构推过超孔熙冰的分布 4 1 绪论 h i r o y n k im a g a t a 等【驯通过s h i n o z a k i 污水干线的现场测试与分析得出盾构推进而产 生的沉降是在三维方向上扩展的；地层扰动范围的扩展及扰动范围内弹性模量的减少与 盾构机的推进相一致。作者采用扰动范围的角度为4 5 。+ 矿2 ，扰动区域土层强度与弹 性模量从原来数值下降2 0 7 0 来预测最后阶段的沉降。 大冢将夫、腾田【9 】研究泥水加压盾构中地层的动态变化，得出盾构通过时和通过后 引起的下沉占总沉降量的8 0 9 5 ，初始下沉和工作面下沉很小，说明盾构对掘进面前 方土体扰动较少，盾构侧面土向外侧挤压，受挤压扩张的范围与地层最终沉降范围大致 相同，盾构通过后土层压缩模量降低。 l s a m a r a s e k e r a & z e i s e 珊恤“l o l 采用无量纲归一化方法对正常固结和超固结粘土 隧道的孔隙水压进行了研究，分析了对孔隙水压有影响的系数。如隧道埋深与直径之比 ( h d ) 、静止土压力系数、强度、模量，以及有效刚度比( 支护效果与孔隙压之比) ， 研究中采用二维非线形有限元来解孔隙水压，应用非耦合固结理论分析孔隙水压的消 散。 1 3 2 计算地表沉降的经验公式和解析公式 在工程实践中，土体变形常用基于现场观测的经验公式描述，主要原因是因为经验 公式预测的沉降曲线形状与通常观测到的沉降曲线相似，并且该曲线可用几个参数定 义，应用比较方便；通过观测，参数也较好确定。但是这些方法有很大的局限性：首先， 该方法带有地域性；第二，对水平方向的位移和地层中的位移无法准确描述，而且并不 能确定隧道结构受力情况。 ( 1 ) 横向沉降槽公式 1 9 6 9 年，p e c k 1 1 1 在当时大量隧道开挖所引起的地表沉降实测资料的基础上，系统 地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表沉降的方法。p e e k 认为：在不排水的情 况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。他假定地层损失在 整个隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为正态分布曲线， 提出了著名的p e c k 公式： r 2 s ( x ) = e x p ( 一习 ( 1 1 ) 二l n，f 6 2 丽 ( 1 2 ) 式中，s ( 距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值( m ) ； 巧一施工引起的隧道单位长度地层损失( m ) ； s 。一隧道中心线处地表最大沉降量； f 地表沉降槽曲线拐点到开挖体轴线的距离。 5 西安科技大学硕士学位论文 上述公式中，需要确定矿和f 两个参数。这些参数与隧道开挖深度、断面尺寸、地 层条件和施工条件密切相关，许多学者对这些参数进行了研究，给出了经验取值。 候学渊掣刀在大量现场观测数据的基础上，考虑到土体扰动后固结沉降的变化规律， 对计算横向沉降的p e c k 公式进行了修正： = 百v l + h k - ：t e x _ 爿 ( 1 3 ) 式中，o r t ，r ：丝些j ， e k ： 只。一隧道施工完成后时间的地表沉降； p 一隧道顶部孔隙水压力的平均值( m p a ) ； t 一固结时间； x 一隧道顶部土体渗透系数( m s ) ； 日一超孔隙水压龙头； e 一隧道顶部土体的平均压缩模量( m p a ) 。 ( 2 ) 纵向沉降槽公式 盾构隧道施工引起的纵向沉降分为纵向地表沉降和纵向地层沉降，其变化规律分别 用下列经验公式确定： 既o = s v 二 ( 1 4 ) s i , 。= 鼠 ( 1 5 ) 式中，瓯o ，s 。一纵向地表沉降和纵向地层沉降： 气，：一隧道中心深度和地层深度( m ) 。 刘建航、候学渊【1 2 1 在总结上海延安东路隧道施工引起地表沉降基础上，提出预测地 表纵向沉降公式： 辨击阿学) 一吨铡+ 去 吐学) 一孚 6 ， 式中，k 。盾构开挖面引起的地层损失，盾构欠挖便引起负的地层损失( m 3 ) ； k ，一盾构通过开挖面以后，以盾尾空隙压浆不足及盾构改变掘进方向为主的 所有施工因素引起的地层损失( 总是正值) ( 一) 。 ( 3 ) n l o g a n a t h a n 方法 6 l 绪论 铲4 k 4 r 五+ ：k 2e x r 【- 器+ 爿 乃 2 4 五z - ii 丽f + 1 广i u - 墨盈+ = 产吃端) m 。， 警唧 _ 蒜+ 等 = - r ，2 x 一热+ 霉3 - 4 v - 4 z 端 n 警叫一 器+ 锎 u 一 该公式在硬粘土中的预测值很好，但高估了软粘土中的沉降：预测的沉降槽的宽度 比观测值宽；对各向同性的粘土的地层位移和水平位移的预测与观测值很吻合。 7 西安科技大学硕士擘住论文 1 3 3 数值计算方法 数值方法有很多种，包括有限单元法、有限差分法和边界元法等。数值法灵活方便， 模型修改容易；可以方便地考虑开挖体几何形状变化、土体参数变化和开挖过程。但是 这种方法也有缺点，比如计算结果的准确性依赖于本构关系和参数的选择；需要对很多 情况进行近似处理。 岩土介质材料是不均质、各向异性和非线性的，且通常都处于二维或三维的复杂应 力状态。当处理地下结构时，需要考虑地下结构和岩土介质材料之间的相互作用，如果 更进一步的考虑开挖过程时，问题更复杂，而对于复杂问题几乎没有解析解。因此，作 为强有力的工具数值计算方法，如有限差分法、有限元法等，在岩土工程分析中得到了 广泛的应用。 国外方面，g o c t t l e 1 4 等使用d - p 、m c 和修正的d p 模型( 帽盖模型) 对隧道的 开挖过程分别进行了模拟。计算模型选择了维也纳的一段隧道，直径为6 7 5 m ，埋深大 约2 0 m ，尺寸为4 0 m x 4 0 m ，简化为轴对称和平面应变问题。通过计算发现，地表沉降 和隧道断面处土体的变形当选择线弹性模型时最小，修正的d - p 准则时最大，m c 模型 时介于中间；支护轴力和弯矩的最大值都出现在拱顶，但是弯矩值对土体模型不敏感， 轴力的模型之间差别较大，土体为m - c 模型时，轴力和弯矩值都居于中间。 r o w e 和l e e 5 】采用了一种平面弹塑性分析方法来模拟隧道施工和土体衬砌的相互 作用的方法。他们用间隙参数( g a pp a r a m e t e r ) 来反映施工影响，即把空隙作为施工中 产生的地层额外损失的预留量，从而用有限元法对地层移动规律进行研究，其研究重点 主要放在隧道与土体的相互作用上。间隙参数的概念后来陆续被许多专家、学者相继采 用。 韩国的c h u n g s i ky 砷【1 5 l 运用d i a n a 软件分析不同边界条件下隧道面的三维变形特 性，它假定隧道面的应力释放是地面移动的唯一原因，着重研究了不同长度、刚度钢筋 对隧道面的影响，得出了采用纵向管可以显著的降低隧道的变形，、从而改进地面的稳定 性的结论。但它在模拟过程中只用了单步来完成开挖过程，不能很好的模拟盾构的掘进， 同时没有考虑孔隙水和蠕变的影响。 f i n n o ，& j 和c l o u g h , gw 【1 6 1 经现场测试提出，虽然土压平衡式盾构开挖隧道的 土体反应是三维空间和历时变化的，但是为减少计算工作量，可采用纵、横向二个方向 的二维平面有限元模拟土压平衡式盾构开挖隧道的过程及地表移动。 开罗大学的o y e z z e l d i n e ! 荆用邓肯一张本构模型，对开罗地铁项目进行了弹性模 拟，它用压力施加于衬砌周围模拟千斤顶的推力，用均布压力施加于衬砌四周作为注浆 压力和空隙的模拟，较理想的模拟了盾构掘进过程。 奥地利的g l s w o b a d a 和埃及的a a b u k r i s h a ”铡用f i n a l 三维分析软件，模拟了盾 s 1 绪论 构掘进，注浆和衬砌过程。他们用壳单元模拟盾构和衬砌，用i p q c 单元模拟注浆，分 析了超孔隙水压的变化和泥浆及注浆压力对超孔隙水压的影响，得出了泥浆比注浆压力 对超孔隙水压的影响更大，超孔隙水压对注浆压力的渗透性敏感，渗透系数是超孔隙水 压的控制因素的结论。 国内方面，李桂花【1 9 1 用弹性有限元法模拟施工间隙参数，并总结如下预估地层沉降 经验公式： 鼬) = 丽丽0 6 2 7 d kp - x 2 3 0 ( 65 h ) ( 丽2l ( 1 1 。) 月( 0 9 5 一曲i 。 式中：d 一隧道直径( m ) ； 好一中心埋深( m ) ； k 一施工间隙参数 这是我国学者在盾构隧道施工变形数值分析的较早成果f m 。 朱合华、丁文其等 2 9 1 运用平面应变弹塑性模型模拟，采用d - p 屈服准则和相关联的 流动法则。接触面采用无厚度g o o d m a n 单元，对于衬砌管片，采用直( 曲) 梁单元，对 管片的接头采用点与点接触为特征的一维接头单元。它们就均布注浆和非均布注浆迸行 了分析，得出了非均布注浆压力作用下，采用上述有限元模型与实际观测的结果比较符 合的结论。 张志强1 2 l l 运用a n s y s 软件对深圳地铁天虹一岗厦盾构区间隧道与立交桥桩基相互 邻接的施工力学行为从整体上进行数值模拟研究，它考虑了盾构施工过程，分成4 个施 工步模拟完成开挖，分析了盾构机掘进过程中对相邻桩基的影响，但对土体本构模型只 是简单的采用了线弹性模型，没有考虑土的非线性和塑性变形影响。 季亚平圈采用平面有限元对盾构施工过程中的地层位移和土压力进行研究时，运用 “生死”单元技术来模拟盾构开挖、盾尾注浆和衬砌管片支护过程。在对注浆材料不同 硬化阶段受力性质进行室内试验的基础上，采用变刚度体模拟浆液的固化过程。分析了 注浆体厚度、土质条件、衬砌刚度、隧道相对埋深对地层位移和衬砌压力分布的影响。 刘洪洲、孙均【2 3 谰三维弹塑性有限元分析了上海地铁交叠盾构隧道施工变形问题， 根据上海地铁二号线的实测资料对受已建隧道施工扰动范围内土体各参数进行了不同 程度的折减，考虑了注浆初期长度和盾尾空隙来综合反映盾构推进所引起的地层损失。 1 3 4 注浆工艺研究 赤木1 2 4 用有限元解析的方法，对注浆量、注浆时间与地层损失、地表最终沉降量之 间的关系进行了研究。结果表明：如果注浆量过大，虽然能有效地充填盾尾空隙，但会 增加对地层的扰动程度，后期的固结沉降量与地表最终沉降量将会增加。 蜘r i 筒】对盾尾间隙的注浆时间研究后认为；回填时问越是迟缓，盾尾间隙引起的地 9 西安科技大学硕士学位论文 层损失和地层变形越大，掌握合理的注浆时问对于控制盾尾间隙引起的地层损失和地表 沉降，具有非常重要的意义和作用；另一方面在拱顶粘土地层中进行二次注浆，可以将 地层的损失量减少1 0 3 0 。 同济大学候学渊、徐方京m j 研究了盾尾间隙引起的地层损失和地层移动的机理，并 对注浆压力、注浆量、填充率、压浆点的最优布置等进行了理论分析，同时针对上海软 土地区的土性特点，提出了估算地表沉陷的实用方法和相应的计算模式。 1 3 5 存在的问题 ( 1 ) 目前，盾构施工对岩土环境影响的研究，大多数集中于地表变形的经验预估与 数值模拟方面，而对于引起土体变形的扰动以及扰动土体的性质缺乏深入研究。采取实 验室中对土样进行研究的方法，其缺陷在于难以区分土体性质的改变是施工扰动造成 的，还是取样过程中扰动造成的。 ( 2 ) 盾构施工中各参数( 如隧道埋深、盾构总推力等) 对土体扰动产生影响，如何 选择合理的盾构旋工参数，使土体扰动最小，从而有效地控制地表变形，减小对邻近建 筑物的影响，仍然是设计与施工中面临的一个问题。 ( 3 ) 盾构施工引起土体变形是具有三维性的，因此对土体位移采用三维模型进行研 究比较合理，但是计算量大、时间长，特别是对软土地层，数值模拟研究的优点减少。 ( 4 ) 盾构施工引起地层沉降是与时间密不可分的，现在对地表变形的预测方法往往 是针对施工期地层形变的，而对于地层长期沉降特别是由于超空隙水压力的消散引起的 固结沉降和超固结沉降的研究则显得不足。 ( 5 ) 盾构施工引发地层位移的复杂性在于其影响因素的复杂性，文献中对单一因素 对地层位移的影响研究较多，而对于多个因素同时作用的共同影响研究较少。 1 4 本文研究工作的方法与内容 作为一种快速发展的方法，数值模拟在对盾构隧道施工引起的地表沉降研究中得到 了广泛采用。许多学者应用各种数值方法对盾构施工扰动地层引起的土体力学性质的变 化和影响地表沉降的众多因素进行了模拟分析，对工程实践提出了很多有价值的参考和 建议。 目前，在利用数值模拟方法预测盾构施工引起的地表沉降的工作中，对于注浆浆液 物理力学性质的变化对地层位移、土压力分布的影响研究是较为不足的。以往，同济大 学朱合华口7 1 将注浆体作为接触单元；河海大学张云网、季亚平瞄1 分别引入等代层、变 刚体的概念对注浆体进行了模拟，他们的工作为后人提供了很好的思路。 本文利用有限差分数值模拟软件f l a c 3 d 对盾构推进过程进行了模拟，并利用 f l a c 3 d 软件结构开放、灵活，同时提供强大的自编程语言的特点，用等代层这一概念 1 0 1 绪论 模拟注浆体，研究了注浆浆液不同时期强度取值对于地表沉降的影响规律。 本文研究内容为： ( 1 ) 以上海软土地层中盾构施工推进过程为例进行了模拟，并结合实测数据，研究 了盾构施工在推进过程中不同时间段内对地层沉降的影响以及不同深度、不同位置处地 层的位移规律。 ( 2 ) 引入等代层的概念模拟注浆浆液和盾尾空隙周围土体在注浆后各时期的强度变 化，并研究其不同时期强度取值对地层沉降( 主要是地表沉降) 的影响规律。 通过研究，得到以下成果： ( 1 ) 开挖后3 0 天内地表沉降同历时之间的关系、地层沉降随深度分布规律、隧道横 截面地层沉降分布与沉降槽扩展规律、隧道纵向沉降分布规律； ( 2 ) 注浆浆液早期强度对地层沉降的影响规律、注浆浆液长期强度对地表沉降的影 响规律、注浆浆液时间一强度变化曲线对地表沉降的影响规律。 西安科技大学硕士擘住论文 2 f l a c 基本原理与摩尔一库仑本构模型 2 1f l a c 的基本原理 f l a c 是快速拉格郎日差分分析( f a s tl a g r a a g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 的简写。 f l a c 是力学计算的数值方法之一，该名词渊源于流体动力学，它研究每个流体质点随 时间变化的情况，即着眼于某一个流体质点在不同时刻的运动轨迹、速度及压力等。快 速拉格郎日差分分析将计算域划分为若干单元，单元网格可以随着材料的变形而变形， 即所谓的拉格朗日算法，这种算法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优点。 f l a c 程序的基本原理和算法与离散元相似，但它却象有限元那样适用于多种材料 模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解；在求解过程中，f l a c 采用了离散元的 动态松驰法，不需要求解大型联立方程组( 刚度矩阵) 。同时，同以往的差分分析方法 相比，f l a c 不但可以对连续介质进行大变形分析，而且能模拟岩体沿某一软弱面产生 的滑动变形，f l a c 还能在同一计算模型中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。此外，该方法还可考虑锚杆、挡土墙等支护结 构与围岩的相互作用。f l a c 采用差分方法，每一步的计算结果与时间相对应。程序采 用人机交互式的批命令形式执行，在计算过程中可以根据施工过程对计算模型和参数取 值等进行实时地调整，达到对施工过程进行实时地仿真的目的【捌。 2 1 1 有限差分法简介 有限差分法可能是利用给定的边界条件解微分方程组的最古老的方法。在有限差分 法中，空间离散点的控制方程组中每一个导数直接由含场变量( 如应力和位移) 的代数 表达式替换，这些变量没有在单元内部定义。相比而言，有限元方法有一个重要的前提： 应力和位移场变量应由参数控制的特征函数，以指定的模式在每一个单元内部变化。因 此，有限元方法经常将单元矩阵合并为一个大的总刚度矩阵，然而，有限差分法却不这 样作，而是有效地在每一步重新生成有限差分方程。 f l a c 采用快速拉格朗日元法，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问，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。随着时间的推移， 1 2 2f l a c 基本原理与摩尔一库仑本构模型 这一过程将扩展到整个计算范围，直到边界。这样呈现可以追踪模型从渐进破坏直至整 个破坏的全过程。 图2 1 表明了f l a c 所包含的一般计算过程。这个过程首先调用运动方程从应力和 外力导出了新的速度和位移，据速度导出应变速率，再由应变速率导出新的应力。对应 于循环圈的每一个时步，值得注意的是，图中的每一个方框都根据已知值更新了网格变 量，而这些已知值在方框内部操作时是保持恒定的。 新的速率 和位移 新的应力 或力 图2 1f l a c 基本显式计算循环 2 1 2f l a c 的基本数值公式 快速拉格朗日分析采用混合离散方法，将区域离散为常应变六面体单元的集合体， 又将每个六面体看作以六面体角点为角点的常应变四面体的集合体，应力、应变、节点 不平衡力等变量均在四面体上进行计算，六面体的单元应力应变取值为其内四面体的体 积加权平均，这种方法既避免了常应变六面体单元常会遇到的位移剪切死锁现象，又使 得四面体单元的唯一模式可以充分适应一些本构的要求，如四面体，节点编号为l 至4 ， 第f l 面表示与节点n 相对应，设其内一点的速率分量为m ，由高斯公式得： 西安科技大学硕士学住论文 n ，咖= j ”拧，毋 ( 2 1 ) ， 式2 1 中，v 为四面体的体积，s 为四面体的外表面积，行，为外表面的单位法向向 量分量。对于常应变单元，k 为线形分布矢量，在每个面上疗，为常量，由式2 1 可得： v = 一丢壹v ：刀o 1 一万备”：刀 ( 2 2 ) 式2 2 中上标，表示节点，的变量，( ，) 表示面珀q 变量。 ( 1 ) 运动方程 快速拉格朗日分析以节点为计算对象，在时域内求解，节点运动方程可表示如下： 型：掣 (23)0t埘1 、7 式2 3 中e 。( f ) 为在f 时刻，节点在i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出。 脚。为，节点的集中质量。对于静态问题，采用虚拟质量以保证数值稳定，而对于动 态问题则采用实际的集中质量。 将上式左端用中心差分来近似，则可得： f ( ，+ a t 2 ) ：o 一f 2 ) + 至掣，口4 ) ( 2 ) 应变、应力及节点不平衡力 快速拉格朗日分析由速率来求某一时步的单元应变增量，即 a e p = n ，+ ，) f ( 2 5 ) 有了应变增量，即可由本构方程求出应力增量，进而得到总应力。 ( 3 ) 阻尼力 对于静态问题，在式2 3 的不平衡力中加入了非粘性阻尼，以使系统的振动逐渐衰 减至平衡状态( 即不平衡力接近零) ，此时式2 3 变为： 要：丛掣 ( 2 6 ) 魂 m i 阻尼为： z 。( f ) = 一口l e 2 ( f ) p i g , , 0 4 ) ( 2 7 ) 式2 7 中a 为阻尼系数，其默认值为0 8 ，而 i + l ， o ) s i g n ( y ) = - 1 ，( y o )( 2 8 ) l o ，( y = o ) 1 4 2f l a c 基本原理与摩尔一库仑本构模型 2 1 - 3f l a c 3 d 的特点和应用范围 尽管f l a c 3 0 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”( m i x e dd i s e r e t i z a t i o n ) 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归约积分法更为合理。 ( 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，他可以较好的 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计算和小变形基本一样。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，大大的 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真实的 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( i nl a r g e s t r a i nm o d e ) ， 并随材料移动。 ( 5 ) 强大的后处理功能。能根据需要输出设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