（岩土工程专业论文）土压盾构掘进对土体影响的试验研究与数值模拟.pdf

摘要 本文在模拟试验、实际r 程监测和计算机数值仿真的基础上，详细研究了士 压平衡看构在上海软土地区的掘进时所引起的地层响应。首先分析了i 压甲衡盾 榴对莓黪扰动枧避；其次，联照弹瞧力学中的m i n d l i n 积分公式，编到了m a t l a b 计算程序，通过该程序详细计算了盾构周尉土体中的附加麻力的大小和分布；第 三，暹过 ：海藏l h 鼹一滨矧潞区闽蘧铁夔器梅施工凌溅，取褥了大鬣主体熬主蓬 力、位移、孔隙水压的实测数据，着重对其中的土压力和地层的沉降做了分析， 鼠实际数摇中研究了詹构箍迸的我动范围稻程度；第圈，通过直径为 8 米的貘 型滕构和拥灭的试验平台，通过窀内模拟试验，研究了上压力分布以及刀橇7 r 口 率对盾构i ：作参数的影响；第五，利用大硝通用有限元软件a n s y s 和岩土嘲星专 罚较传f l a c 3 d ，封压乎衡鹰均逐续掘进对赝引起艇士体喻应，包括土压力秘 沉降做了详细仿真计算；最后，在卜述工作的基础上，提出了1 种简单的描述盾 褥掘进匏数学模型， 盖詹黪藩方兹海筵量份为主要控露l 量，在l 乏基璐上璎究器穆 各种参数的相互关系。 关键词：盾橡地层响应附加庖力模拟试验仿真计算数学模型 a b s t r a c t b a s e do nt h ei m i t a t i o nt e s t m o n i t o r i n go fp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n de m u l a t i o n a l c a l c u l a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e st h er e s p o n s eo fs o i l i nd e t a i lw h i l ee a r t hp r e s s u r e b a t a n c e ( e p b ) s h i e l dm a c h i n ea d v a n c i n gi ns h a n g h a is o f ts o l lr e g i o n f i r s t t h e d i s t u r b i n gm e c h a n i s mo fe p bs h i e l dm a c h i n et os o i l i sa n a l y z e d t h e n m i n d l i n i n t e g r a lf o r m u l ao fe l a s t i cm e c h a n i c si sa p p l i e da n dm a t l a bp r o g r a m m ei sw r i t t e nt o c a l c u t a t et h ev a l h ca n dd i s t r i b u t i o no fa d d i t i o n a ls t r e s s t h i r d al a r g eq u a n t i t yo fd a t a i so b t a i n e di nt h em o n i t o r i n go fc o n s t r u c t i o no fs h a n g h a ic h e n gs h a nr o a dt ob i n z h o ur o a di n t e r z o n et u n n e l ，i n c l u d i n gt h ee a r t hp r e s s u r e s ，d i s p l a c e m e n t sa n dp o r e p r e s s u r e s ，a n dt h em a i na t t e n t i o ni sc e n t e r e do nt h ee a r t hp r e s s u r ea n ds e t t l e m e n tt o t r yt of i n do u tt h es c o p ea n dd e g r e eo fd i s t u r b i n gr e g i o nw h e ns h i e l dt u n n e l l i n g f o r t h b yc o n d u c t i n ga ni m i t a t i o nt e s tu s i n gt h es h i e l dm a c h i n em o d e lw i t hd i a m e t e ro f1 8 m e t e r sa n dr e l a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，c a l t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n de f f e c to f o p e nr a t i o no fc u t t e rh e a dt ow o r k i n gp a r a m e t e r sa r es t u d i e d f i f t h ，l a r g es c a l eg e n e r a l f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa n ds p e c i a ls o f t w a r eo fg e o m e c h a n i c sf l a c 3 da r e u s e dt os t u d yt h ee f f b c t so fc o n t i n u o u st u n n e l l i n go fs h i e l dm a c 址n ct os o i la n d d e t a i l e dc a l c u l a t i o ni sc o n d u c t e dt og i v et h er e s u l t si n c l u d i n ge a r t hp r e s s u r ea n d s e t t l e m e n t s f i n a l l y , b a s e dt h er e s e a r c hw o r ka b o v e as i m p l em a t h e n m t i c a im o d e lo f c o n t r o l l i n gt h et u n n e l l i n gp r o c e s so fs h i e l dm a c h i n ei sp u tu pi nt h i sp a p e r , i nw h i c h t h em a i nc o n t r o l l i n gv a r i a b l ei st h eh u n c h i n gq u a n t i t yi nt h ef r o n to ft h es h i e l d m a c h i n e ，a n dc o r r e l a t i o no fw o r k i n gp a r a m e t e r sa r es t u d i e do nt h i sb a s e k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ；r e s p o n s eo fs f f a t u m ；a d d i t i o n a ls t r e s s ；i m i t a t i o nt e s t ； c a l c u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i i 1 1 前言 第一章绪论 随着我国国民经济的持续快速发展，我国的城市化进程加快，城市建设迅速 发展，城市规模增大，城r 丁人口剧增，目前我国许多城市不同程度上出现了用地 紧张、生存空间拥挤、交通堵塞，给城市生活带来了很大影响，也制约着经济和 社会的进步发展【l 】，所以充分丌发利用地下空叫成为现代城市可持续发展的必 要手段。发达同家已经把对城市地下空间的丌发和利用作为解决城巾j 人口、资源、 环境三大危机的草要措施和医治“城市综合症”、实旌城市可持续发展的重要途 径。世界各国开始采用立体化的快速的轨道交通来解决日益增长的城市交通问 题。自1 9 9 7 年以米，国际上已经多次召开以开发利用地下空间为主题的国际会 议，通过了多个利用地下空i h j 的文件、决议。城r j 丁地下空间的开发利用已经成为 世界性的发展趋势，向地下要上地，向地下要空间已经成为城市发展的必然。地 下空间开发和利用的实践表明，它是提高土地利用率、节省土地资源和减少城市 交通压力的有效途径。在这样的情况卜，世界各国纷纷开始建设快速轨道交通束 解决同益增长的城市交通问题，大城市逐步形成以地铁为主，多种轨道交通类型 并存的现代城f l j 轨道交通的新格局。城巾地铁具有运量人、污染小、速度快、噪 音小等优点，因此，从1 8 6 3 年伦敦建成世界上第一条地下铁道至今，f 1 前已经 自- 3 5 个国家的8 0 多个城市建成了大约5 0 0 0 多公里的地下铁道，许多幽际大都 市如纽约、巴黎、东京、伦敦、莫斯科已经建成了地下多层次、四通八达的地铁 交通网，其运量占整个城市公交的5 0 以上。 在目内，许多专家预测，2 1 世纪将是中国城市轨道交通建设的新纪元，城市 地铁的建设将大大促进城市的经济、社会发展1 2 】。北京地铁的舰划建设总里程要 达到6 0 0 公里，上海的地铁也要超过4 0 0 公里，成都、沈阳、青岛、杭州等城市 都在筹建地铁，预计“十工”期间，我国的地铁通车里程将达到1 0 0 0 公里。 在过去修建的一些城市地下工程中，大多数采用传统的明挖法，然而目前对 人口有百万以上的大城市来说，在繁忙的r i 丁区采用明挖法修建地 卜| 1 _ 程无论从经 济上还是对环境的影响上都小再是一种合适的旋工方法。目f ； 建造地下隧道以盾 构法最为先进，世界上多数国家和地区的城市地下隧道足用盾构法建成的。盾构 法施工的机械化程度高，施工速度快，可以在大范围的工程地质和水文条件下适 用。但是，国内外的工程实践表明，在软土地层中开挖隧道，不论采用何种方法 都会产生不同程度的地表沉降和地层变形，即使采用先进的盾构技术，要完全消 除这种沉降和变形也是不可能的，特别是在松软饱和的淤泥质粘土中，这种现象 更为明显。对于盾构掘进引起的地层沉降已经有众多的研究成果1 3 1 “，但是对于 盾构推进引起的地层应力状态的监测、分析和研究相对较少，尤其是用来完整分 析地层应力分布的量测资料卜分匮乏f 1 3 - 1 8 ，而地层中土体应力状态的变化是引 起地层沉降和变形的主要原因，因此，城市地铁隧道工作面开挖的地层戍力分布 规律的系统研究，对地铁隧道的结构设计、施工等具有重要意义。本文利用上海 地铁隧道现场测试资料，主要对城市地铁隧道开挖的地层应力分布规律进行研 究，同时也对上海软土地区的盾构施工造成的地层沉降做实测数据的理论分析和 数值模拟分析。 1 2 盾构掘进引起的地层响应 盾构推进引起的响应主要包括应力场的改变和位移场的产生，本文的主要工 作是对应力场的研究。应力主要是土压力，对于衬砌上的土压力研究较多。从已 有文献来看，可以把主要研究方法分为简化计算方法、考虑衬砌与地层相互作用 的方法、现场测量和模型试验等方法。在简化方法中，一般把作用在衬砌l ：的十- 压力分为蛏值的地层士压力、水平的地层土压力、垂直地基反力以及由于村砌的 变形而引起的被动土体抗力四个部分1 9 ，捌。对于第一部分的竖值土压力，主要计 算方法有：土柱理论、太沙基理论、普氏理论等。第二部分的水平土压力，一般 通过朗肯主动土压力理论或库仑主动土压力理论计算，这两个理论等式以极限平 衡为基础的。第三部分的垂直地基反力通常认为等于垂直地层士压力和衬砌自晕 之和。第四种t 体抗力一般利用文克尔假定的局部变形理论，即地层中某点的弹 性抗力只与该点的变形有关，与其它各点的变形无关。在考虑衬砌与地层相互作 用的方法中，同济大学等研究单位利用土体与衬砌的变形协调条件得到了圆肜隧 道对称条件下衬砌上的土压力弹性解和粘弹性解【2 l - 州。现场测量土压力的方法 能考虑各种因素的影响，受到各国学者的重视。文献【2 副认为土压力的大小、分 布与衬砌的安装历史、时间以及盾构掘进速度有关。文献1 2 6 】用离心模型实验研 究了沟埋式管道在两侧钢板桩拔出后，管道周围的土压力分布及衬砌刚度对土压 力的影响。 以上所述关于盾构隧道的士压力的研究中，一般没有考虑盾构本身的形式及 施工参数对上压力的影响。 1 3 本文的主要工作 前已叙及，对于盾构掘进弓l 起的地层沉降已经有众多的研究成果，但是对于 盾构推进引起的地层应力状态的监测、分析和研究相对较少，尤其是用米完整分 析地层应力分布的量测资料更为少见。为此，本文进行了下列工作： l 、结合上海隧道公司承担的国家重大科研课题8 6 3 计划项目，建市了盾构模拟 试验平台，通过室内模拟试验，研究了士压力分布以及刀盘开口率对盾构工作参 数的影响； 2 、详细分析了土压平衡盾构对上体的扰动机理； 3 、利用弹性力学中的m i n d l i n 积分公式，编制了m a t l 曲计算程序，通过该程序 详细计算了盾构周围土体中的附加应力的大小和分布； 4 、通过上海成山路一滨州路区间地铁的盾构施工监测，取得大量土体的土压力、 位移、孔隙水压的实测数据，着重对其中的土压力和地层的沉降做了分析，从实 际数据中研究了盾构掘进的扰动范围和程度； 5 、利用大型通用有限元软件a n s y s 和岩土丁程专用软件f l a c 3 d ，对土j 土平衡盾 构连续掘进时所引起的上体响应，包括土压力和沉降做了详细仿真计算； 6 、在卜- 述工作的基础上，提出了一种简单的控制盾构掘进的数学模型，以盾构 前方的隆起量作为主要控制量，在此基础上研究盾构各种参数的相瓦天系。 第二章盾构推进引起的土体扰动机理分析 2 1 概述 在地层中建造隧道，改变了原地层的边界，必然会引起或多或少的地层位移 和地表沉陷，它将影响到邻近建筑物及地下管线的安全，影响周围的环境。因此， 合理地预测由隧道施工引起的地层变形已引起隧道设计人员的高度重视，并成为 隧道可行性研究的重要内容，国内外都进行了较为深入的研究，提出了一些分析 方法 2 7 - 2 0 】。经验法是考虑地层沉降的方法之一，根据施工中的观察结果，提出 一些较为简便的计算公式，如p e c k 法。p e c k 认为，施工中引起的地面沉降是在 不排水情况下发生的，所以沉降槽的体积应等于地层损失的体积，据此提出了盾 构隧道旌工阶段的地面沉降的估算公式： s = s 。e x p ( - x ：2 i 2 ) ( 2 1 ) s 。= 圪i 2 万 ( 2 - 2 ) 式中：s ( x ) 一距离隧道中心线x 处地表沉降( m ) s m a x 一隧道中心线处最大地面沉降( m ) x 一距隧道中心线的距离( m ) i 一沉降槽半宽度( m ) 旷一盾构隧道单位长度地层损失( m 3 m ) iix 图2 - 1 地面沉降的横向分布 p e c k 公式有两个参数( 地层损失) 和i ( 沉降槽半宽度) ，这两个参数确定后横 断面沉降便可咀直接得到。合理确定这两个参数对于正确预测地面沉降的量值和 分布情况起着至关重要的作用。地层损失通常表示为： t = 砜2 ( 2 3 ) 式中：”为地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分 比，n 为盾构机的外径( m ) 的取值与地质条件和施工条件密切相关，现有文献资料中对于粘性土中的土 压平衡盾构隧道的取值范围一般在o 5 2 o 之间，此法预测的精度并不好。 1 9 8 2 年，r e i l l y 也假定沉降槽的曲线形式为正态分布曲线，并按粘性土和砂性土 地层分别统计出i 与z 之间的相关关系，并认为i 值与隧道直径几乎无关，运用 时，只要知道z ，即可求出i ，进步求出最大沉降量。半谷于1 9 7 7 年根据隧道 开挖面及隧道上的覆盖层条件给出了最大的地面沉降范围。1 9 8 2 年，藤用研究 了不同形式的盾构对地层变位的影响，根据围岩的种类、盾构形式及辅助工法的 不同，分类预测了最大沉降量，并用表格给出预测值。但各类地层的最大和最小 沉降曲线有时相差很大。经验法只是大致地给出地表沉陷的计算方法，它无法考 虑地层的详细条件，更无法考虑施工条件及施工中采取的一些辅助措施。因此， 一般情况下计算结果与实测结果均相差很大，因此其应用受到一定的限制。很多 情况下，由经验公式或有限元计算得到的地面最大沉降与实测数据比较接近，但 沉降分布曲线与实测数据有较大差异，主要原因有： 1 、由于隧道在道路下面掘进，道路两旁已有建筑及其基础的刚度对地面沉降的 分布影响很大，而计算时把地基当作天然地基处理，并没有考虑已有建筑的影响， 导致计算得到横断面地面沉降分布与实测数据相差较大。 2 、计算与实测纵向地面沉降分布的差异主要是由于在有限元计算中考虑的引起 地面沉降各因素的比例不合理，盾构前部引起的地面沉降所占比例过大。弹性、 弹塑性和粘弹性理论解析方法随着对地层变形研究的深入，许多学者将相关学科 的研究成果引入到隧道的软土地层变形研究中，考虑地基土层的变形特点，将地 基土作为弹性、弹塑性和粘弹性体考虑。陶履彬等1 3 0 1 用轴对称的平面应变弹性 理论分析了圆形隧道的应力场和位移场，口本的久武胜保研究了圆形隧道的非线 性弹塑性的理论解，将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映了土体的非弹性性质， 并考虑了地层位移与时间的相关性。由于受计算条件的限制，只能对较简单的边 界条件和初始条件求出解答，所以这些方法几乎无一例外地将地层假定为均匀 的、轴对称的平面应变问题，使其应用受到极大的限制，更无法考虑施工条件对 地层位移的影响。人们通过大量的工程实践逐步认识到，地层移动不仅与土性有 关，而且与施工方法、衬砌形式等有关，解析法只能考虑较为简单的定解条件， 而数值计算方法的发展，使得复杂定解条件的处理成为可能，在分析隧道开挖引 起的地层位移时，可咀对施工过程进行程度不同的模拟。在这方面，有限元以其 特有的灵活性得到了广泛的应用。 相对于其它方法而言，盾构法建隧道无疑是最快捷的。随着盾构技术的不断 发展，出现了适用于不同地质情况的盾构施工方法，最常用的两种工法为土压平 衡和泥水平衡工法【3 ”。无论采用那种盾构工法我们都希望尽可能减少盾构推进 施工所引起的地层沉降，但是，要完全避免沉降是不太可能的，至少是极其困难 的【2 ”。从另一个角度来说，虽然盾构施工引起的地面沉降是不可避免的，但是 我们可以把这种沉降控制在最小范围和最小程度内，要实现这个目标，就必须充 分了解盾构施工的对土体的扰动机理，从而为采取合有效的控制措旌奠定基础。 2 2 土压平衡盾构的施工沉降的因素及一般规律 2 2 1 施工原理 盾构法的施工是一个连续的过程，主要包括以下儿个重复的步骤： 1 、由前面的旋转切削刀盘开挖前方上体，同时千斤顶推动盾构向前推进， 通过盾构的推进力给切削土体加压，使其作用于整个开挖面来维持开挖面的稳 定； 2 、出螺旋出土向后排土，通过调节排土速率来调整土压仓中的土压以维持 开挖面土压平衡； 3 、千斤顶推动盾构前行同时将灌浆材料注入盾尾空隙防止隧道周围土体的 挤入； 4 、盾构向前推进一个管片长度后，收缩千斤顶拼装管片，待管片拼装完毕 后将千斤顶支撑在新拼装管片上准备下一步的推进。 6 2 2 2 地面沉降一般分布规律 通过前人的实测资料可知，盾构推进引起地面沉降的分布规律为：横断面方 向盾构隧道正上方土体的隆沉值最大，向左右逐渐减小，呈近似正态分布；盾构 所在位畏及后方土体f 沉，盾构开挖面前方体可能下沉也町能隆起。但是实际 工程千差万别，不同的地质条件、施工方法其地层沉降曲线是不同的，这正是此 类问题需要做深入研究的原因。 实际上，隧道推进过程中的周围土体的移动规律及地面沉降规律受许多因素 影响，如隧道直径、埋深、周围土的性质、开挖面土压力等，是相当复杂的。目 前，就引起地层变形的基本原因，一般认为是隧道施工中的地层损失及隧道周围 土体受扰动产生的再固结。受扰动土体的固结是地层变形的另一主要原因，盾构 在地层中推进及土体向盾构空隙挤入，必然使周围的土层受到扰动，在隧道周围 形成超孑l 隙水压力区，随着开挖面的推进，土体表面应力释放，孔隙水压力下降， 引起固结变形。但是引起地层变形的大小的具体因素有很多，如土层和地下水条 件、隧道直径、埋深及旌工方法和质量、土压力、注浆量和注浆压力。还有土的 流变性而对盾构施工后土层和隧道应力、变形的长期影响。这些因素对地层沉降 规律的具体的定量的影响是很难估计的，只能通过数值方法求得。 2 2 3 盾构推进时引起周围土体位移和地面沉降的主要因素 根据对一些实际工程的观测资料以及盾构推进过程的分析可知，在盾构推进 过程中，引起土体位移和地面沉降的主要因素有3 2 】： 1 、开挖面土体的三维移动：由于开挖面处刀盘切削土体，引起土体松动和坍塌， 导致周围土体应力状态发生改变，开挖面土体应力由原来的静止土压力变为土压 舱压力。当土压舱压力小于静止土压力时开挖面前方土体向土压舱方向移动，引 起地面的沉降；反之，当土压舱压力大于静止土压力时开挖面前方土体向远离土 压舱的方向移动，从而引起地面隆起。 2 、盾构壳与上体之问的摩擦：千斤顶推动盾构壳向前移动，使得盾构壳与外围 士体产生相对位移，从而对周围士体产生摩擦力，由于粘土之间存在粘结力，盾 构周围土体也会发生纵向往前的水平位移，盾构开挖面前方土体受到挤压而向前 方和四周移动，导致，l ：挖面前方地表面土体向上隆起，同时由于粘性土的剪缩性， 也会引起地面沉降。 3 、盾构超挖：施工期间盾构超挖使得盾构机向前推进过程中在盾构壳周围产生 空隙，从而使盾构壳周围十体向空隙处移动，导致地面沉降。 4 、土体挤入盾尾空隙：千斤项推动盾构向前推进，在盾尾处产生建筑空隙，由 于盾尾脱空与压浆存在时间差，使得盾尾周围的土体应力释放，向空隙处移动来 填充空隙，引起地面沉降。 5 、土体次固结：盾构隧道周围土体施工扰动后，软粘土进一步产生随时l 日j 增长 而发生的蠕变，持续次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中， 次同结沉降往往要持续几年以上。 6 、孔隙水的流动：由于刀盘对土体的切削扰动，盾构工作面上孔隙水可能向盾 构土舱内流动，这样必然会引起土体某种程度上的固结，从而引起地表的位移。 7 、地表硬壳：现场测试和理论计算表明，正常情况下盾构推进时地表与深层土 体的沉降基本是一致的。深层土体的沉降较大，对于施工方法、方式较为敏感。 有些情况下地表土体与深层土体的的强度参数相差很大，如在城市中地表往往存 在坚硬的混凝土地坪、路面等，这种情况下地表土要比深层土体具有大得多的变 形模量和剐度，表层土抵抗变形的能力远大予深层士，从丽导致地面沉降量远远 小于深层扰动土体的沉降量。此时可能出现地表硬壳和下面的土层脱离、土体中 的孔隙增大，成为隐患。 8 、地基模量的影响：这种影响可以通过有限元得到比较精确的数值结果。对地 基土层压缩模量取不同的情况进行有限元计算，计算得到最大地面沉降与土层压 缩模量的关系曲线如图2 - 2 所示。从图2 - 2 中可以看出随着土层模量的增加，地 面沉降逐渐减小，当土层模量较小时地表沉降和水平位移随模量的变化明显，土 层模量较大时地表沉降和水平位移随模量的变化不大。 9 、覆土厚度和盾构外径：对覆土厚度分别取不同覆土厚度和不同盾构外径进行 有限元计算，整理有限元计算结果得到：不同盾构外径情况下最大地面沉降与覆 土厚度关系曲线如图2 3 所示，可以看出不同盾构外径情况下地面沉降都随覆土 厚度的增加而减小，且基本呈线性关系。不同覆士厚度情况下最大地面沉降与盾 构外径关系曲线如图2 - 4 所示，可以看出不同覆土厚度情况下地面沉降都随盾构 外径的增加而增加，也基本呈线性关系。点绘2 0 种情况下地表最大沉降和覆土 厚度与盾构外径之比i i d 的关系如图2 5 所示。地面最大沉降随h d 的增加而 减小。 e s ( m p a ) 图2 2 地面最大沉降与土层压缩模量的关系 蚕薹陵兰- - - m - - 誉d = 1 2 m 薹薹彭豢 46 8 l o 1 21 41 6 d ( m ) 图2 4 地面最大沉降与盾构外径的关系 9 一5 ，0 喜 一 l4 0 3 0 20 1o 0o 圈2 5 地面最大沉降与h d 的关系 、 拐o 8 4 、渝? o 8 2 、 0 8 l 一 8 0 1 5 01 0 0 一5 0o5 0l o o1 5 0 a p “v a ) 图2 - 6 地面最大沉降与的p 关系 1 0 、开挖面压力变化量：分别取开挖面压力变化量( 土压仓压力与开挖面土体静 止土压力之差) ap 进行有限元计算。上述压力变化量中：正值代表土压仓压力 大于开挖面土体静止土压力，负值则代表土压仓压力小于开挖面土体静止土压 力。整理计算结果，得到最大地面沉降与开挖面压力变化量的关系曲线如图2 - 6 所示，从图中可以看出地面最大沉降随着ap 的增大而减小，呈近似线性关系， 但变化量很小。 l l 、盾尾注浆填充率：注浆压力一般均大于隧道上覆土压力，使隧道周围的土体 向远离隧道的方向移动，从而抵消上部士体的部分沉降，当压浆压力较大时也可 能会引起盾构上方土层的隆起。拼装交替进行，直至整条隧道完成；拼装好的衬 砌脱出盾尾后，由于盾构壁厚原来占据的空间为衬砌拼装操作所留的建筑空隙和 盾构推进时部分土体粘附于盾构外壳上，在衬砌环背面与实际开挖土体界面间留 有环形空隙，这种空隙称为盾尾建筑空隙。隧道壁面的土体会向盾尾空隙移动， 同时隧道通过后，周围受扰动土体要产生固结，这将导致隧道附近的地层产生移 i o 动，为了防止地层产生过大的位移，要及时通过管片预留的注浆孔向盾尾空隙内 压注浆体，以减少地层位移。当注浆量较小时，可以抵消上部土体的部分沉降， 当注浆量很大时也可能会引起地面的隆起。 通过以上分析我们可以得到这样的结论，盾构掘进引起地层沉降的影响因素 很多，因此，无论我们是逶过模型试验或者是通过数值分析或者是实际j ：程龄测 来研究地层的沉降和土体应力状态的变化，我们不可能对其中的所有因素都详细 考虑，而只能根据实际情况，重点考虑其中的鼋点因素如盾构推力，士体参数等 因素，这也是本文下一步工作的指导方针。 2 3 一活构施工对土体的扰动机理 2 3 1 引言 盾构法旌工过程中，盾构机对土体造成很多的扰动。所谓土的的扰动主要是 指土体在外荷载的作用下土体的应力状态发生变化，在应力状态发生变化的同 时，伴随着土体的体积、孔隙水压力、含水量等的变化，另外还可能存在士体的 微观结构或组构的变化。在盾构或着是顶管施工过程中，扰动主要包括设备对土 体的挤匪和松动、加载与卸载、孔隙水压力盼上升和下降引起的土体性质变异、 地表的隆起与下沉等f 2 9 j 。特别是在软土地区，盾构对土的扰动会引起其力学参 数的变化，并造成长辫的固结和次固结沉降口”。因此，有必要对盾构施工的扰 动区域及其扰动土体的变形特性进行研究，为解决盾构施工引起的环境岩土问题 提供一条有效豹途径。关于盾构和类似的顶管法旖工对地层的扰动是相似的，只 不过盾构施工中混凝土管片拼装后在原地不动，而顶管则混凝土环管并与掘进机 一起向前移动【3 3 3 扒。 2 3 2 扰动土体的分区和应力状态定性变化 盾构法施工引起地层移动的主要原因是土体原来的自然平衡状态受到破坏， 从而导致其应力状态发生变化，土体可能经过了挤压、剪切、扭啦等复杂应力路 径。由于盾构机主要靠千斤顶的推力向前推进，故只有推力足够大，能克服各种 阻力，盾构才能前进，前进的同时，阻力又反作用于土体，使土体中产生附加应 力，引起土体的变形甚至破坏。这些阻力包括盾构机外壳与土体之间的摩撩力，、 盾构刀盘的f 面阻力以及盾构后部设备与管片之间的摩擦力等。一般来说，半并 顶的顶力大于上述阻力之和，土体受到挤压。我们把土体应力变化的区域称为扰 动区，根据盾构周围土体受到的扰动特点，可以划分为以f t l 个区域( 见图2 7 ) ： 地面 卸荷扰动区r 盾构机： 剪切扰动区s 地面 固 结 譬 剪切扰动区s卸荷扰动区r ， u 挤压 扰动 区p 1 _ _ 剪切扰动区s 卸荷扰动区r 挤压 扰动 区p 2 挤压 扰动 区p 3 挤压 扰动 区p 3 图2 7 盾构对土体扰动分区示意图 挤压扰动区p l ，p 2 ，p 3 ；剪切扰动区s ；卸荷扰动区r ：固结扰动区c 。从 图2 7 可以看出盾构对土体扰动的大体划分，在挤压扰动区p 1 ，土体受到来自 盾构刀盘的强烈挤压，并且还受到刀盘旋转产生的剪切力作用，故该区应力状态 极为复杂，根据本文的研究，这个区域的土压力比土仓土压力要大，详细情况见 本文第四章的内容。在挤压扰动区p 2 ，土体主要受到挤压作用，水平应力的变 化火于垂直应力变化。在挤压扰动区p 3 ，水平和垂直应力变化都比较明显。在 剪切扰动区s ，土体主要受到盾构外壳与土之间的摩擦作用，主要受剪力，该区 土体会产生较大的水平位移。在卸荷扰动区r ，由于其下部的土体被挖走，建筑 孔隙消失，故其应力水平会下降。在固结扰动区c ，由于土体已经远离盾构工作 面，盾构对其产生的影响明显减弱，故该区的土体主要表现为孔隙水压力的减小， 从而产生固结沉降。 2 4 盾构推进引起的理论扰动范围 盾构施工对土体的扰动较大，引起盾构周围土体的变形与地面的沉降。关于 受到扰动土体的范围，由于土体受到扰动的因素很多，如盾构推力、注浆压力、 施工工艺、盾构形式、盾构机参数、土体性质等，故很难精确估计。有文献认为： 隧道的掘进过程可以看作是柱孑l 扩张的过程1 3 6 ，如图2 8 所示。假设隧道的半径 为r ，根据圆孔扩张理论，其周围的土体可以分为两个变形区，即塑性变形区 d 。弹性变形区d 。，其中塑性形区d p 的大小取决于圆孔的扩张压力p 和圆孔半径 r 。根据假定的关于隧道掘进的力学模型，土体的破坏服从m o h r - c o u l o m b 破坏 准则，根据塑性区与弹性区分界处的应力条件，可以得到内压力p 与塑性区外半 径以及隧道半径r 的关系为： 弹性区d e 图2 - 8 圆孔扩张示意图 弹性区d e r f p + c 。c t a n ， 百一l i 磊百i 1 面 其中：r 一隧道半径 ( 2 4 ) r n 一塑性区外半径 p 一扩张应力 c ，十。一土的残余凝聚力和残余内摩擦角 c 。十。一士的峰值凝聚力和峰值内摩擦角 利用上述公式可以计算出盾构推进引起的塑性区域的范围，但是上述计算模型过 于简单，没有考虑实际施工中的众多复杂因素，因此其结果与实际情况相差较大。 2 6 小结 本章论述了盾构法隧道地表沉降的一般因素和一般规律，分析了多种因素对 盾构隧道的定性影响，并分析了盾构对体扰动的机理，以及盾构对周围不同区域 土体的扰动范围和程度，指出了在盾构推进作用下不同扰动区域的应力定性变化 情况。通过以上分析我们可以得到这样的结论，盾构掘进引起地层沉降的影响 因素很多，我们不可能对其中的所有因素都详细考虑，而只能根据实际情况，重 点考虑其中的重点因素如盾构推力，土体参数等因素。 第三章土噩平衡盾构推进引起土体响应的 弹性力学解析计算 3 。1 盾构推进鳇计算模型及其基本假定 弹注力学孛麓b o u s s i n e s q 解求群了单令黧中芬载佟瘸子警无蔽空溺镑薅裘雨 的条件下的应力分布和位移分布，m i n d l i n 解对b o u s s i n e s q 解做了避“步推广， 它给 b 了释躅于半无限体内部某点韵集中荷载所引越韵应力分布和位移分布。土 压乎糖盾构掇进作用于i 作蕊上的正露搀力所引起的一e 体反应，可以近似简化为 与盾构等面积的圆形荷载作用于地下盾构埋深处所引起的土体反应。在本文中， 把詹拣工终瑟上微分离教他，刘每个镞元上戆分毒力爵鞋近似援为俸照予半无隈 体内部的一个集中力，此集中力在半无限体内产生的附加应力可以通过 b o u s s i n e s q 公式褥刭，掰有徽元上夔分毒力在学无鬻俸肉产童麓辩鞠瘦力可以矮 m i n d l i n 公式计算得到。 3 2 盾构推进周围土体的附加应力积分公式 3 2 1 计算模型 圈3 - 1 为个轴线埋深为h 、刀擞直径为d 的盾构工作示意图，假定其沿着 轴线前进的方向为z 向，工作面存x y 平面上。图3 - 2 为刀擞上荷载微分示意图， 即把刀盘上的分布耱载离散饯，每个微元上懿分布赫羧都可以看佟是半无暇俸内 部作用的一个集中力，把这个集中力在整个黼板式刀盘上进行积分，就可以求出 疆穆刀盘静委錾接力在垂稳瓣方尘钵内露产，圭翡鬻鸯羹应力善n 位移分鸯漕凝。 r 7 一一。 _ rrl ， j 4 磷 盾构机一1 3 2 2 积分公式 l 图3 - 1 盾构顶进示意图 面板刀盘 图3 2 盾构刀盘上的微圆 轴线 积分公式采用的坐标系如图3 - 2 所示。在顶进工作面上即圆形刀盘上任意取 微元r d r d o ，利用m i n d l i n 3 7 , 38 】积分公式可以计算出盾构工作面前方任意点( x ，y z 1 处的附加应力和位移。值得注意的是，盾构刀盘工作面上分布力随着深度的增 加而线性增加，文献3 9 1 没有考虑这种变化，只是简单地把荷载作平均分布来处 。 理，实际上是不准确的，本文在积分公式中考虑了这种荷载的变化。在图3 2 所 示的极坐标系中，原点的埋深是h ，刀盘的直径为d ，则刀盘上任意一点的荷载 为： p = pn ko y r s i n 0 其中：p 。为原点处即刀盘中心处的荷载，可根据下式计算 p o = k o y h 由上式，刀盘上任意点的荷载可表达为 p = k o y ( h r s i n 0 ) 把上述荷载条件带入m i n d l i n 积分公式，可以求出在刀盘正面推力作用下，盾构 前方任意一点( x ，y ，z ) 处的附加应力和位移。 盯 p 。2f1 2 u ( 1 2 u ) ( 3 4 u ) 8 ( 1 一u 1 。m n 3 n(n；一=yj；丛hsin0)i一兰二!二n。!；：j；生y!h；掣sin0i + 皇垡掣n 【( n + r s i n 。) 一 + r 2 2 ( n + + + r - )l 57 ( 1 - 2 u ) ( y + h + r s i n 。) 十5 ( x - r r c o s 0 ) ：y r d r d 0 卟一蒜( 可2 u - 1 + 学等一警产一 n(n!；!y二hq - s i ns一!n：；n!1yj糕h rs i nl + ! ! ! ! 掣n ( n + r - s i n e ) 一 十+r 0 ) 2 i2 ( + 0 ) l 。” 。 ( 3 - 2 u ) ( y + h + r , s i n o ) + 丁5 2 2 y 】) r d r d 0 ( 3 2 ) 。= f l f 一赫 ! 二二学+ ! ! 二! ! 二! 二；掣 姒坐生旦! 丛兰些! ! ：塑骘 塑二幽二型 l r d r d e n n ( n + v + h + r s i n 叭。 r 1 1 、 以上三式中： m ：【( a + r ) 2 砌b r n ： ( c + r ) 2 _ 2 r d ( o ) b = x c o s 0 + y s i n 0 一hs i n 0 d ( 0 、= x - c o s 0 一y - s i n 0 一h 。s i n 0 g ：上 2 ( 1 + u ) 3 3 附加应力积分公式的数值计算及程序编制 利用j 二述积分公式计算盾构推进引起的地层中的应力和位移需要进行二次 积分，并且积分函数的形式非常复杂，不可能写出积分函数的原函数。为了计算 我们需要的积分值，必须采用数值计算方法，这里我们采用了g a u s s - l e g e n d r e 积分计算方法。这种方法与s i m p s o n 方法、梯形法等积分方法的主要不同之处在 于能计算不等问距积分点的已知函数积分，并且具有很高的精度。本文利用 m a t l a b 编制了有关计算程序，下面我们具体说明g a u s s l e g e n d r e 积分计算方法 的实现过程。 在g a u s s l e g e n d r e 积分计算方法中，主要思想是利用特定的权系数乘以一些 选定点上的函数值之和来表示积分值。对于( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 式表达的地层 应力与位移的计算公式可以用一个通式表达为： r 2r 4 n = f 陋， ) d q 鸱 ( 3 4 ) 对上式进行积分区域的变换： f 2 一r 1r 2 + r 1 5 2 丁”丁 e ：f 4 - f 3 0 + f 3 + f 4 。 2 2 这样，( 3 - 4 ) 式的积分可以转化为 n = f 肌。) 一d d o ( 3 - 5 ) 利用上式进行积分更加方便，故我们利用( 3 5 ) 式进行( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 式表达的应力、位移的积分计算。我们首先分析一维的g a u s s l e g e n d r e 积分计算 然后推广n - 维问题中。对了：一维问题 8 对积分变量作如下变换 f 2 一r lr 2 + r l c = r 十一 。 22 则( 3 - 6 ) 式的积分可以转化维以下形式的积分 ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 再根据g a u s s - l e g e n d r e 积分公式，在积分区f n l 一1 ，+ 1 上取n 个积分点即插值点 即 q ：- j f ( r ) 曲：窆h f ( r 1 ) 其中h 为g a u s s l e g e n d r e 积分中的加权系数，具体取值见表3 1 。 表3 - 1g a u s s - l e g e n d r e 积分中的加权系数与插值点 以一维的g a u s s l e g e n d r e 积分法为基础， 是：首先令积分变量0 保持为个常数， 面论述的一维积分，可以得到： q ：_ j f ( r e ) d r ：窆( 啪) ：( p c o ) ( 3 9 ) 可以推导出二维的积分公式，具体过程 沿着r 方向进行积分，即相当于我们前 ( 3 1 0 ) 然后沿着0 方向进行积分，可以得到： q = js f ( r ，o ) d r d o - ) _ d e = h ，( p ( 。) ( 3 - 1 1 ) 综上所述，二维的g a u s s l e g e n d r e 积分公式可以表达为： 啦”me ) d r 她孙h i f ( r , , 0 i ) 。2 在上述积分公式中，积分插值点的取值可用表，为计算方便，本文的计算在两个 积分方向上采用数目相同的积分点。 3 4 附加应力的计算结果 根据上述思路，本文利用数学分析软件m a t l a b 编制了计算弹性体内盾构推进 所引起的附加应力和位移的计算程序s h i e l d e f f e c t 。利用该程序计算了x = 0 2 ，6 米以及z = 0 ，3 ，6 ，1 0 米处7 个平面内的盾构推进方向的附加应力等直线，如 图所示。 ：- 7 i o 一 一 r l 一一- - 图3 - 3x = 0 平面的位置和计算点的分伟 2 0 一一一一一一。一一1 t 7 j 伍：= 烹篇：中二 o l r 图3 - 4x = 2 米平面的位置和计算点的分布 图3 5x = 6 米平面的位置和计算点的分伟 图3 - 6 为作用于半无限体内部某点的集中荷载所引起的应力分布m i n d l i n 解 的计算结果。通过图所示的力学计算模型，经过数值积分计算，得到图3 - 6 的水 平附加应力等直线分布图，同时绘制了响应平面上的实测附加应力的分布图。图 3 - 6 为x = 0 平面上的计算附加应力，x = 0 平面的位置和计算点的分布如图3 - 3 所 示，该平而为一个竖值面，盾构轴线在该平面内。在该平面范