（岩土工程专业论文）盾构始发稳定性分析及控制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 盾构法是修建隧道的一种施工方法，近年来已在北京、上海、广州、深圳 等城市的地铁施工中得到广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。但是 盾构法施工的关键技术盾构始发的稳定性分析，至今基本上是空白，仍然 没有成熟的计算分析方法，设计主要依靠经验进行。理论研究已远远落后工程 实践。 在前人对盾构始发稳定性分析研究基础上，根据目前研究现状和工程实际 需要，本文以广州地铁六号线天平架盾构始发井的没计和施工为背景，通过采 用有限差分软件只_ p 对施工过程进行三维有限元模拟的手段，对盾构始发 时围护结构及围岩的稳定性进行了较全面的分析和研究，得到了些有益成 果，主要研究内容如下： ( 1 )介绍了研究现状，对盾构始发井结构受力特点进行了分析。 ( 采用儿a c j d 模拟了盾构始发井的施工过程，分析研究了地层变形 和围护结构变形的特点。 ( 3 1采用f l 4 c d d 模拟了盾构机吊装的施工过程，进行了围岩及结构稳 定性分析。 ( 4 )采用用_ c d 。模拟了不同预注浆加固范围时的盾构始发，分析研究 了纵向与径向不同加固范围组合时始发段的应力场、塑性区破坏场及位移场。 以上研究成果对盾构始发的设计和施工有一定的指导意义。 关键词：盾构始发，稳定性，竖井，f l 4 c j o ，加固 北京交通大学硕士学位论文 摘要 a n a l v s i sa n dc 咖t r o lo fs t a b i l i t va b o u ts h i e l ds t a r t i n 2 a b s t r a c t s h i e l dt u 肌e l i n gj so n eo fe x c a v a t j o nm e t l l o d s ，i i lr c c e n ty e a r s ，i l h a sb e e nu s e d w i d e l yi nb e 司妯舀s h a i l g i l a i ，g u a 弘h o u ，s h e i l z h e n e t c ，a i l dh a s0 b t a i l l e d9 0 0 d e c o n o m i cp e r f b 衄a n c ea i l ds o c i a lp e r f o m l a n c c b u tu pt on o wk e yt e c l r l o l o g yo fs l l i d d t 咖e l i n f s h j e l ds t a n 协舀t l l e r ca r c om a 埘汜c a l c u l a t i o na 1 1 a l y s i sm e t h o d s a b o u “t s s t a b i l i t ys t i l d ya 1 1 dt h ed c s i 驴o f i tm a i l ld 印e n d so nc x p e r i e n c e ni sb e h i n de n g i 硎n g p r a d i c cf i l r t l l e rm a tt l i 硎e sr e s e a r c h 0 n m es o i ln a i l i l l ga i l dc o m p o l l l l ds o 丑n a i l i n gr e s e 盯c i lf o u n d a t i 伽，a c c o r d i i l gt o p r e s c n tr e s e a r c hc 0 砌t i o na 1 1 dt h ee n g i n e e r i n ge f f e c d v ed 锄a n d ，h lt h i sa r i i c l e ，b a s e d o nt h ee n 百n c e r i n gp r a c t i c eo ft i a 叩i i l 西i as h j e l ds t a n i i l gi n6l i n eo fg u a i l g z h o u m e t r o ，s h j e l ds t a 腼gw a se s t a b l i s h e dw i t he 1 1 i t ed i f f c r e n c ep r o c c d u r ee u c a d ，t h e s t a b j i i t yo fs h i e l ds t a r t i ga b o u ts u f r o u n ds t r u c t u r ea n dw a l li d c ki ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yb ym e t h o d so fa c a d e m i cr e s e a r c h ，s o m eb e n e f i c i a lr e s u l t so ft h e s h i e l ds t a n i n gm e c h a 嫩s ma i l db e h a v j o r sa r eg o t t e n ，m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa s f o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c ha c t u a l j t yi si n t r o d u c e da n ds t m c t u r et r a i to fs h i e l ds t a r t i n gi s a n a l y z e d ( 2 )a p p l y 右n i t ed i f f e r e n c cp r o c e d u r e 删口t o s i m u l a t et h ew h o l e c o n s t n l c t i o np r o c e s so fs h i e l ds t a r t i l l gs i l o ，t m i to f 酉o u n dd e f o n n a t i o n sa n d e n c l o s es t n l c t u r ed e f o r m a t i o n sa r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ( 3 )a p p l yf i n i t ed 伯 e r e n c ep r o c e d u r e 删t os j m u l a t 。i n s e a l l a t i o n c o n s t r u c t i o np r o c e s so fs t l i e l ds t a n i i l g ，t h es t a b i l i t yo fw a l lr o c ka n ds t m c t u r ea r e a n a l y z e d ( 4 ) a p p l y f i n i t ed i e e r e n c ep r o c e d u r ej 以c t os i m u l a t es h i e l ds t a n i n g i nd 朝王e r e n tr e i n f o r c j n gr a n g e ，s t r e s sf i e l d ，d e s t r o y e df i e l d ，d i s p l a c e m e n t6 e l do f s t a r t i n gs e g m e n t a r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e di i ld i f e e r e n tr e i n f b r c i n gr a n g e 1 h a tr e s e a r c hh a sb e i n gp r o v e dt h a ti tp r o v i d e dt h es c i e n t i f i ct h e o r ye v i d e n c e s a n dh a ss o m es i g n i f j c a n tm e a n i n g sf b rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs h i e l ds t a r t j n g k e yw o r d s ：s h i e l ds t a r t i n g ，s t a b i l i t y ，s i l o ，f 科c p d ，r e i n f b r c i n g 1 i 北京交通大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 我国社会主义建设事业的不断发展，促进了城市经济的不断发展，促进了 城市化的进程，经济越发展，城市人口增长越快。1 9 5 2 年我国城市化程度为 7 4 ，1 9 7 9 年发展到1 3 2 ，1 9 9 1 年，城市化发展到1 9 2 ，到2 0 0 0 年城市 化程度为3 0 。目前我国超过1 0 0 万人口的大城市已发展到3 4 个，5 0 1 0 0 万人口的大城市也有4 3 个，城市基础设施的建设远远落后于城市化的发展程 度，特别是城市交通日益紧张，“行路难、乘车难”的矛盾已严重干扰市民工 作、学习和生活，给居民出行带来极大的不便，长此下去，将阻碍城市经济的 发展。地下铁道和轻轨交通作为能够大量、快速、安全地运送乘客的一种新型 的公共交通方式是城市公共交通发展的大势所趋。 1 1盾构始发稳定性研究的重要性 盾构工法属地下水平掘进工法，所以在盾构机始发前必须先用开挖法挖出 一个地下空间，以备盾构机组装、始发作业对场地的需求。通常，这些地下空 问( 作业基地) 是由地表竖直伸延到地下的筒形构造物构成的。该竖直筒形构 造物通常称为竖井。竖井在盾构工法中有如下两个功能。第一个功能是作为施 工作业基地使用，即盾构机的搬入或搬出、组装或解体、始发或到达；管片等 隧道构筑原材料、施工设备等物资的运入运出。掘削下来的土沙的运出等作业， 均在竖井空间内完成。第二个功能是隧道构筑施工结束后，可把竖井空间作为 通风井、排水井，收藏地铁车站设备的空间等永久性地下构造物使用。竖井是 盾构隧道工法中必不可少的关键的施工环节，其构筑通常采用开挖法。但隧道 竖井的开挖与一般方法的差异较大。竖井的开挖深度相当于隧道的深度，一般 情况下属深层丌挖，丌挖时间较长，作业较为集中。竖井的设计原则应在满足 各项技术指标的前提下，尽量考虑对盾构隧道施t = 方便、有利的原则。近年来 伴随城市地下铁道、上下水道、电力电缆、通信电缆、气体管道、地下雨水蓄 1 北京交通大学硕士学位论文第一苹绪论 水池、地下油罐等多种地下设施发展的需求，使竖井在技术上向着大深度、大 规模、多样化、高精度、高可靠性的方向发展。此外，由于绝大多数的隧道的 路线是沿着道路下方布设的，所以就竖井的施工而言，通常是在地表交通拥挤、 地下埋设物密集的不利条件下进行的。这对竖井施工来说是一个苛刻的条件， 因此竖井的施工不仅要保证竖井的大深度、大规模、多样化、高精度、高可靠 性等技术要求，同时还要满足客观要求。如：施工中不能过多的封道中断交通， 即场地受限：施工中排放的污水或地下水不能污染公用水源，不能危害周围的 动植物；施工中开挖土层或抽取地下水时，不能给周围地层带来大的沉降，影 响周围构造物的安全，不能对周围井水的水位有影响，更不允许使井水干涸： 施工产生的噪声、振动不能超过规范标准。如图1 卜l 所示即为盾构始发井【l j 。 图1 卜1 地铁盾构始发井 经过五十几年工程实践和技术研究，盾构法施工隧道的许多技术难题，如 隧道衬砌管片设计，管片接缝的防水，轴线的偏差和地表沉降的控制等都得到 不同程度的解决，积累了丰富的实践经验。但是盾构进出工作井的施： 技术仍 然是困扰隧道施：_ _ 的难题。盾构在工作井中安装、拆卸、调试，起吊转向。盾 构机后座管片也要在 _ 作井内拼装。不论是松散的砂土，还是饱和含水软粘土， 自身缺少自立性和防水性。一旦有临空而时，土体产牛大量的坍塌、涌水。因 2 北京交通人学硕上学位论文 第一蕈绪论 此对封门外土体进行加固处理是不可缺少的。通过注浆、深层粉喷桩或水泥搅 拌桩，井点降水疏干土体、冻结法等，使洞周土体具有自立性、防水性和一定 的强度。但加固后土体也不能太硬，否则造成盾构机大刀盘切土的困难，引发 机器故障。以往盾构工程中，始发、到达部位的地层加固，以注浆工法为主， 但近年来随着盾构隧道埋深和断面的增大，迫切需要高强度的加固。此外，由 于拆除连续墙等地下墙很费时间，故要求地层加固能长时间稳定。因此，为了 使地层达到高强度，能长时间稳定，且能与挡土墙紧密粘按，采用涂层搅拌混 合法和冻结法的实例逐渐增多【2 。5 1 。在上海地铁一号线7 台盾构机出洞过程和 前5 0 米均遇到各种不同的障碍。如2 # 盾构上海体育馆车站西端头井出洞时， 因地基加固不良，引起土体塌方滑落。7 # 盾构依靠井点降水疏干地层，加固土 体，效果不十分理想，洞口附近地面土体发生较大的位移。上海市合流污水治 理工程，由于钢封门及地基处理不当，加之机器本身安装调试方面问题，两只 盾构三进三退，既影响了工期，又造成人力物力的浪费。上海市区建造的某电 缆隧道，因土体加固未达到应有强度，即将进入洞门的盾构机突然下沉1 米， 给工程建设带来了很大困难。因此，盾构的始发与到达即进出洞技术涉及到工 作井封门和封门外土体的加固，是一个很棘手的难题，即使是盾构机械先进、 地下工程相当发达的日本和德国，盾构进出洞亦无绝对把握处理好【8 。1 。 1 2 国内外盾构始发的研究现状 近年来，盾构始发稳定性分析及控制直是岩土工程界十分关注的热点， 这关系到两个最基本的问题，一个是盾构始发竖井基坑，另外一个是端头加固。 1 2 1 基坑工程国内外研究现状 最早提出基坑围护分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在2 0 廿纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法；5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法；6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软 粘十深基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预估的准确 1 韭室窒望查兰堡兰垡笙塞笙二茎堕丝 性，并从7 0 年代起产生了指导开挖的法规。6 0 年代末邓肯等人将有限元法用于 深基坑开挖分析，开创了数值模拟基坑开挖的先河1 9 j 。 从8 0 年代起，我国逐渐步入了深基坑设计施工领域，进入9 0 年代以来，基 坑及其围护问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一，有人称之为“基坑 热”。目前我国基坑及其围护状况总的来说具有以下特点：深：基坑越挖越深。 过去地下建卜2 层地下室还不算普遍，现在大城市特别是沿海地区，地下3 4 层己很常见，5 6 层也不乏其者。基坑深度多在1 0 1 6 m 之间，广州地铁六号线 天平架盾构始发竖井基坑深达1 6 m ，本文在工程实例中将就这一工程进行计算 分析。差：工程地质条件越来越差。这一点在某些沿海经济开发区更为突出， 某些经济开发区位于填海、湖、淤泥、泥塘或沼泽地，工程地质条件十分复杂。 密：基坑四周已建或在建高大建筑密集，各种地下管线密集或沿靠重要市政 公路。多：基坑围护方法多。如：钢板桩、钢混凝土板桩、地下连续墙、旋喷 桩、钻孔灌注桩、水泥土深层搅拌桩、土层锚杆、各种桩、板、墙、管、撑同 锚杆联合支护法及诸如沉井管特种支护结构等。低：基坑工程的成功率低。 此问题目前在建筑工程界显得异常突出。调查表明，深基坑挡土支护体系失效 或部分失效而导致安全问题和环境问题的工程占总工程量的1 0 一1 5 ，高地下 水位软土地区可达2 0 ，个别地区失效率更高。其直接结果造成巨大经济损失， 尤其在沿海地区，基础工程费用己达到或超过整个建筑工程费用的1 3 ，不仅 加大了工程投资，也给国家和居民增加了额外的经济负担，同时出现工程事故， 影响居民安定生活，造成市政交通堵塞，危及四周安全 1 0 _ 1 4 】。 基坑围护结构多种多样，应根据基坑形状、几何尺寸、支护所受的荷载、 地质条件、工程功能、建筑物的基础及上部结构要求及经济和环境病害要求具 休而定。表1 2 1 列出我国目前在基坑中常用的挡土支护结构的特性及适用条 件。出上表可知，地下连续墙加锚杆或内支撑围护结构具有很强的适应性，事 实上，在地下水位较高、条件比较复杂的地区以及一些重大工程中，地下连续 墙法已经成为种基本的基坑围护方法，本论文研究的的工程背景广州地铁六 4 北京交通大学顾士学位论文第一章绪论 号线天平架盾构始发竖井基坑采用地下连续墙这种围护方式【1 5 _ 2 “。 表1 2 1 我国目前常用基坑支护形式及适用条件表 围护结适用条件优缺点比较 构类型施工及场地条件土质条件开挖深度 优点：有一定的挡水能力， 地下水位较高，临近 软土、淤泥 1 0 米 施工迅速，能重复使用： 钢板桩基坑边无重要建筑 及淤泥质土缺点：打桩挤土，在砂砾层 物或地下管线 及密砂中施工困难 深层搅 优点：桩体连续性好，既可 拌水泥 基坑周围不具备放 软土、淤泥 1 2 米挡土又可形成i t 水帷幕； 土桩挡 坡条件，但具备挡墙 质土 墙 的施工宽度缺点：坑项水平位移较大 内支撑 排桩( 灌临近基坑边有深基 优点：适应能力强，易于实 注桩或础建筑物，或临近地不限 2 5 米 施现场监测；缺点：挖土工 人工挖下水需要保护 作面不开阔，支撑内力的 孔桩) 计算值常与实测值不相符 锚杆排 桩( 灌注基坑周围施工宽度锚杆的锚固 优点：用锚杆代替内支撑 可扩大作业空间，便于机 桩或人狭小，基坑用地红线段需要有较 3 0 米械化施工：缺点：基坑用地 工挖孔以外允许占用地下好的土层， 桩) 挡土空间其余不限 红线以外不允许占_ h i 时， 结构 需采用拆卸式锚杆 地下连 基坑周围施工宽度优点：对周围环境影响小， 续墙“ 狭小，地下水位较适麻性强，抗弯刚度大， 锚杆或+ 高，临近基坑边有建不限 6 0 米整体性能好；缺点：t 期 筑物或地下管线需长，造价高，废液及废弃 内支撑) 要保护土体处理困难 逆作法优点：以地下室的粱板作 或半逆 同上不限 2 0 米 支撑，变形小，节约临时 作法支 支护造价：缺点：挖r 十施上 护结构比较困难，施工组织复杂 目前，国内外对竖井基坑一些问题的研究主要包括如下几个方面： 1 极限状态及安全度 关于极限状态问题，专家们意见不一。有的专家提出，将极限状态划分为 承载能力及f 常使用两种极限状态。并规定承载能力极限状态为支护结构( 包 括支撑系统) 的强度破坏、基坑土体的稳定性破坏、基坑产生不得超过的变形； 正常使用极限状态为对基坑施工使用过程中的特殊要求，如基坑暴露时问、。i j ! 室銮望查堂堕主兰竺兰苎墨二至堕丝 候变化影响，场地使用对基坑的特殊要求。而有的专家认为，承载能力极限状 态包括在岩土体或支护结构中形成某种破坏机制；由于岩土体的过量变形 而导致邻近结构物的严重破坏。正常使用极限状态，如坑壁或坑底非破坏性渗 漏，影响正常施工：局部的不影响安全的失稳；坑壁过大位移产生明显的地裂 缝，地面沉陷：邻近建筑物或公用设施产生影响功能的变形( 包括外观) ，但不 产生破坏。对于安全度问题，专家们普遍认为，目前岩土工程可靠度研究尚处 于继续探索阶段。由于岩土参数、计算公式、复杂的地质、水文和环境条件以 及经验积累的不足安全系数很难定，不同土质条件，不同的参数取值，不同的 计算方法，安全系数可能不同；抗滑移、抗隆起、抗管涌的安全度的考虑也可 能不同。对此有待于进一步研究。 2 计算结果不可靠性的原因 由于土力学发展水平所限，土的有些性质尚难以用定量的方法表达，在研 究运用中对土的性质作了许多过分简化的假定，因而计算结果未必可靠。不可 靠的原因是多方而的。首先是计算参数的不确定，不仅离散性大，而且其数值 与测试方法关系很大；其次是土力学的理论尚不完善，如软土的流变性质、非 饱和土强度、某些饱和粉土的流动性、老粘性土的失水崩解、地下水的渗流破 坏等等，有的问题至今对它的认识还不够，有的问题很难计算。现在普遍应用 的库仑理论、朗肯理论，包含着与基坑工程实际很不一致的假定，用同样的公 式同样的参数计算，有的地区很保守，有的地区还担心不安全。 3 监测 竖井基坑工程是土体与围护结构体系共同作用的一个动态变化的复杂系 统，单靠数学力学方法难以对系统的变化性状作出足够准确的预测，在施工过 程中往往会出现一些难以预料的变化，利用监测信息的反馈分析，就能较好地 预测系统的变化趋势，当出现险情预兆时，可作出预报，以便及时采取措施。 而当安全储备过大时，可及时修改设计，削减围护措施，通过反分析，可修改 计算模型，调整计算参数。目前刈基坑工程的监测项目，可分为围护结构体、 j ! 塞窒望叁兰堡主堂生丝苎兰二雯堡丝 土体、地下水、环境保护四个方面。围护结构体系的监测分为围护墙体墙体侧 向位移、墙体内力、支撑的轴力、支撑平面变位、立柱的偏心应力、沉降或隆 起；土体的监测分为地表沉降，不同深度处的侧向变位、墙体土压力、裂隙或 滑动破坏面的变位、坑底隆起；地下水的监测分为基坑内外地下水水位的变化、 土中孔隙水压力的变化、管涌；环境保护监测分为建筑物的沉降及倾斜、地下 管线的变位。 4 土压力 近几年，关于土压力计算问题一直是竖井基坑支护设计问题讨论的热点， 许多学者对此进行了研究。有的专家认为水应看作是一种作用，它包括静水压 力、渗流梯度的影响及含水量改变对土性的影响三方面的效应；也有专家认为 地下水对土的作用是孔隙水压力而非静水压力( 对粘性土、粉土) ；还有专家认 为水的作用不仅在于产生静水压力，更重要的是降低了土体的c 值、中值。另 一个影响土压力计算结果的因素是土的强度指标的测定方法，对同一个参数， 不同的试验仪器( 三轴或直剪) 与试验方法会得到不同的结果，数值相差很大。 目前参数取值一般是根据常规的三轴试验，从基坑降水与否考虑，当基坑降水 时，采用固结排水( c d ) 或固结不排水剪( c u ) ；当基坑不降水时，采用不固结不 排水剪( u u ) ；从应力路径考虑，对粘性土，不论降水与否，宜用c u 试验，对淤 泥质土宜采用u u 试验，对粘质粉土、粉质粘土、粉土宜采用c u 或c d 试验。其实， 对于基坑工程问题，常规的三轴试验方法是不满足基坑开挖时所处的卸荷受力 状态，应采用特殊的三轴试验方法。但是，目前能够提供这样试验的单位不多， 对两种试验方法测定的强度指标差异有多大的研究还不够。 5 稳定及位移分析 竖井基坑的稳定分析包括四个方面的验算控制：( 1 ) 插入深度( 踢脚) 验算。 目前一般采用静力平衡法确定。( 2 ) 坑底涌土验算。用极限荷载假设滑动面方 法验算，包括桩尖水平面上的滑动面验算及以基坑底为圆心，插入深度为半径、 计入切桩力矩的滑动面验算；( 3 ) 管涌和坑底承压水作用的验算。( 4 ) 用圆弧滑 7 j ! 室銮望查兰堡土兰生堡苎兰二至丝笙 动法对基坑整体稳定性的验算。位移控制可分为两种情况，第一种情况邻近无 需保护的工程和公共设施，一般不控制位移。但为了保证稳定，仍需有一个容 许的临界值，以便通过监测控制。临界值的大小决定于土质条件和围护结构的 类型。第二种情况是邻近有必须保护的工程和公共设施，则根据其位置、深度、 重要性、基础和结构形式，对地基变形的敏感性划分等级【2 3 之7 1 。 1 2 2 盾构始发端头加固国内外研究现状 盾构始发端头加固的研究主要包括加固的方法与加固的范围，加固方法 目前已经有很多，也比较成熟，加固范围目前尚没有理论解，主要是凭工程经 验保守类比，研究相对不成熟。 目前国内外盾构始发地层的加固方法主要有s m w 工法、高压旋喷桩、 深层搅拌桩、降水法、分层注浆法、冻结法等。 s m w 工法于1 9 7 6 年由日本竹中土木株式会社与成幸工业株式会社开发 并用于工程。s m w 工法自2 0 世纪8 0 年代末，就引起我国工程技术人员的关 注，并作了一些研究；深层搅拌桩加固方法早在2 0 世纪7 0 年代日本首创用在 钢铁厂港口码头岸壁、高速公路等工程。我国白1 9 7 7 年开始试验研制和试用， 后于1 9 8 0 年由冶金部主持通过部级技术鉴定，推广应用于地基加固工程。冻 结法加固土体最早用于煤矿矿井的建设，5 0 年代开始有许多成功地运用于地 铁和隧道的工程实例【2 8 。3 0 l 。 盾构始发端头加固范围的确定，一则是沿隧道纵向的范围确定，二则是盾 构径向的周围加固范围的确定。土质情况对加固范围影响很大，同本目前就砂 性土与粘性土做出了定的研究分析。 1 砂性土体加固 忽略砂性土体的结合力，采用水土分算方法计算土压和水压如图1 2 1 所 示。f 表示加固土体的厚度，加固土体视为厚度为f 周边自由的厚板。由弹性 力学理论得： 盯= 肛r2 n 2 ( 1 - 1 ) r 北京交通大学硕士学位论文第一苹绪论 式中，口一为最大主应力，卢为截面的惯性矩，取卢= 1 2 ；e 为土压与 水压之和，一巨+ e 。，= d 2 ；d 为加固土体的开挖直径；置为安全系数 r ；( 1 2 d2 盯一) 足 ( 1 2 ) 从公式( 1 2 ) 计算的土体加固厚t ，根据经验，加固厚度为盾构机长加上 1 米，两者比较，取其中较大值。盾构在掘进过程中，周围土体受到挤压切削 扰动，产生如图1 2 2 的松动区，半径为r ；盾构机中心覆土厚度为h ，盾构 机外半径为口，则( ，( r 范围为塑性松动区，必须进行土体加固。根据摩尔包 络线的破坏条件图1 2 2 ，又从塑性松动区的应力平衡，建立联立方程 一盯，- 2 c( 1 - 3 ) 卜 a o ， a r ；啼8 一o t 、i rj 代入边界条件，r = r ，q = 盯。，r = 口，盯，= o ，解得 l i l r + r r 。2 c = 王，2 c + l n n( 1 4 ) 式中y ，为土的平均重度。 由公式( 1 - 4 ) 可以求出r ，则洞周上部改良土体厚日，为 日l = 置( r 一口) ( 1 5 ) 一 弋 崖亨 、 毛羔 ， 。| 、“ 图1 2 1砂性土计算模型 洞两侧改良土体的宽度b ，按朗肯土压力理论，土体破坏角4 5 。+ 2 j ! 塞窒望查堂堡圭兰垡堡塞 笙二童堕建 又根据塑性松动区的观点，两侧改良土体厚口应为4 5 。+ 庐2 的破坏线与塑性 圈交点，如图1 2 - 3 所示。则 卢一d r c o s 口( 口+ 日) 一( 4 5 。一妒2 ) 曰= ( + 日1 ) c o s 芦一口( 1 - 6 ) 盾构进出洞体底部不存在土体坍陷问题，主要取决于防水性能，一般取 h ，苫1 m 。根据理论分析和工程实际经验，最小土体改良厚、宽、高等尺寸参 考表1 2 2 选取，其中，h 。、日：、d 、口符号含意参照图1 2 3 。 一可强r 硬矿一 、巷 夕 d 7彳矿 f 盘、型 o0 图1 2 2 破坏区示意图 ( a ) i 艮l l 叫 ( b ) 图1 2 3 示意图 2 粘性土体的化学加固 含有大量水的粘土，有一定的粘聚力c 。与砂质土破坏形式不同，粘土 主要是整体滑移失去土体稳定，如图1 2 4 所示。图中h 为盾构隧道巾心上部 土体埋深，d 为加固土体丌挖内径，c 为注浆引起内聚力增加，假定七体滑 移以o 点为圆心的圆弧线，上部覆土引起的下滑力矩为： l n 旦1j一一 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 一。 占 墨 w c 0 l f ， ， 口 ， 掌 ， 一 一 一 t 一 图1 2 4 粘性土滑移示意图 m d l = y t 日d x d 2 ( 1 - 7 ) 滑移圆弧线内土体下滑力矩为： m d 2 = y t d ! f 3 改良以前土体抵抗力矩为： 肘皇c 石d 2 2 ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) 土体改良之后增加的抵抗力矩为： 埘一= c 口d 2 ( 1 1 0 ) 土体平衡条件为 k ( m d l + 肼d 2 ) = m ，+ m ， ( 1 1 1 ) 令m d 。+ m d ：= m d ，解上式可得 口= k ( v d m ，) ( c d 2 ) ( 1 1 2 ) 日= a r c s i n ( f d ) ，f = d s i n 日 作为盾构技术最发达的日本，通过土质和结构力学计算，给出了盾构始发 的加固范用，如表1 2 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 2 加固范围 dd 1 o1 0 d 3 o3 o d 5 o5 o d e “+ 2 g 勺) 出 ( 3 _ 1 8 ) 式中，d ；广_ - k r o n e c k e r 记号； 卜一时间步； g ，k 分别是剪切模量和体积模量。 在一个时步内，单元的有限转动对单元应力张量有一定的影响。对于固定 参照系，此转动使应力分量有如下变化： 盯口：= 盯口+ ( 睡仃灯一盯m 目) 4 f ( 3 1 9 ) 式中 铲昙 粤一警 ( 3 2 0 ) 2 j 毒一犁 孓2 0 ) 在大变形计算过程中，先通过式( 3 1 9 ) 进行应力校f ，然后利用式( 3 1 8 ) ( 或本构定律式( 3 1 7 ) ) 计算当前时步的应力。 计算出单元应力后，可以确定作用到每个结点上的等价力。在每个结点处， 对所有围绕该结点四边形棱锥体的结点力求和r ，得到作用于该结点的纯粹 结点力矢量。该矢量包括所有施加的载荷作用以及重力引起的体力e 乜) e 8 = 占。( 3 2 1 ) 式中，是聚在结点处的重力质量，定义为联结该结点的所有三角形棱 锥体质量和的三分之一。如果某区域不存在( 如空单元) ，则忽略对f l 的作 用；如果物体处于平衡状态，或处于稳定的流动( 如塑性流动) 状态，在该结 点处的兰e 将视为零。否则，根据牛顿第二定律的有限差分形式，该结点将被 加速： 舻圳：“。( “，2 ) + y ( 坐( 3 2 2 ) 一m 式中，上标表示确定相应变量的时刻。对大变形问题，将式( 3 - 2 2 ) 再次积 j ! 塞銮望查兰堡主兰些丝兰篁三兰堕塑塑三坚苎竺塑墨堕量塑整塞丝坌堑 分，可确定出新的结点坐标： 羔f ( + 。“。王i ( + if ( + 4 72 d f( 3 2 3 ) 注意到式( 3 2 2 ) 和式( 3 2 3 ) 都是在时段中间，所以对中间差分公式的一阶误 差项消失。速度产生的时刻，与结点位移和结点力在时间上错开半个时步。 3 1 4 显式有限差分算法时间递步法 我们期望对问题能找出一个静态解，然而在有限差分公式中包含有运动的 动力方程。这样，可以保证在被模拟的物理系统本身是非稳定的情况下，有限 差分数值计算仍有稳定解。对于非线性材料，物理不稳定的可能性总是存在的， 例如：顶板岩层的断裂、煤柱的突然垮塌等。在现实中，系统的某些应变能转 变为动能，并从力源向周围扩散。有限差分方法可以直接模拟这个过程，因为 惯性项包括在其中动能产生与耗散。相反，不合有惯性项的算法必须采取 某些数值手段来处理物理不稳定。尽管这种做法可有效防止数值解的不稳定， 但所取的“路径”可能并不真实。 图3 1 3 是显式有限差分计算流程图。计算过程首先调用运动方程，由初 始应力和边界力计算出新的速度和位移。然后，由速度计算出应变率，进而获 得新的应力或力。每个循环为一个时步，图3 1 3 中的每个图框是通过那些固 定的已知值，对所有单元和结点变量进行计算更新。 图3 卜3 有限差分计算流程图 例如，从已计算出的一组速度，计算出每个单元的薪的应力。该组速度被 3 1 厂零f 麟 著薹和 北京交通大学硕士学位论文第三苹盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 假设为“冻结”在框图中，即：新计算出的应力不影响这些速度。这样做似乎不 尽合理，因为如果应力发生某些变化，将对相邻单元产生影响并使它们的速度 发生改变。然而，如果我们选取的时步非常小，乃至在此时步间隔内实际信 息不能从一个单元传递到另一个单元( 事实上，所有材料都有传播信息的某种 最大速度) 。因为每个循环只占一个时步，对“冻结”速度的假设得到验证 相邻单元在计算过程中的确互不影响。当然，经过几个循环后，扰动可能传播 到若干单元，正如现实中产生的传播一样。 显式算法的核心概念是计算“波速”总是超前于实际波速。所以，在计算过 程中的方程总是处在己知值为固定的状态。这样，尽管本构关系具有高度非线 性，显式有限差分数值法从单元应变计算应力过程中无需迭代过程，这比通常 用于有限元程序中的隐式算法有着明显的优越性，因为隐式有限元在一个解算 步中，单元的变量信息彼此沟通，在获得相对平衡状态前，需要若干迭代循环。 由于显式有限差分法无需形成总体刚度矩阵，可在每个时步通过更新结点 坐标的方式，将位移增量加到结点坐标上，以材料网格的移动和变形模拟大变 形。这种处理方式称之“拉格朗日算法”，即：在每步计算过程中，本构方程仍 是小变形理论模式，但在经过许多步计算后，网格移动和变形结果等价于大变 形模式。 用运动方程求解静力问题，还必须采取机械衰减方法来获得非惯性静态或 准静态解，通常采用动力松弛法，在概念上等价于在每个结点上联结一个固定 的“粘性活塞”，施加的衰减力大小与结点速度成正比。 3 2 计算程序简介 本研究运用美国i t a s c ac o n s u l t i n gg r o u pi n c 开发的三维有限差分计算软 件f 一c d d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 进行数值模拟计算。该软 件主要适用模拟计算地质材料的力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的 塑性流动。材料通过单元和区域表不，根据计算对象的形状构成相应的网格。 3 2 北京交通大学硕士学位论文第三苹盾构施t 竖井结构及胃岩的稳定性分析 每个单元在外载和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力一应变关系 产生力学响应。由于e u c ，d 软件主要是为岩土工程应用而开发的岩石力学计 算程序，它包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功能，可计算地质类材料 的高度非线性( 包括应变硬化软化) 、不可逆剪切破坏和压密、粘弹( 蠕变) 、孔 隙介质的应力一渗流耦合、热一力耦合以及动力学问题等。另外，程序设有界 面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。支护结构， 如砌衬、锚杆、可缩性支架或板壳等与围岩的相互作用也呵以在用c 中进 行模拟。 用c d d 采用显式算法来获得模型全部运动方程( 包括内变量) 的时间步长 解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究设计是非常重要的。此外， 程序允许输入多种材料类型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增 强了程序使用的灵活性，极大地方便了在计算上的处型4 2 。4 5 l 。 3 3 计算模型和计算参数 3 3 1 计算模型 在这里我们以广州地铁六号线天平架盾构始发井作为工程背景，工程概况 在第二章旱已经有了详细的阐述，在这里就不再重复。为j ，较好的模拟出竖井 的开挖，盾构的吊装、始发，建立模型如图3 3 1 。模型的坐标垂直于隧道方 向为x 方向，沿隧道纵向为y 方向，竖直方向为z 方向，其中坐标原点在模 型的正中下方，沿隧道开挖方向为y 的正方向，竖直向上为z 的正方向，根 据右手定则x 的正方向就可以确定。具体尺寸为：径向( x 方向) 取7 2 m ，纵 向( v 方向) 取1 0 0 噬n ，竖向( z 方向) 为3 5 m 。开挖竖井尺寸为1 2 m 1 6 m 1 6 m 。整个模型一共划分为5 6 2 0 0 个单元，6 13 2 8 个节点，且根据需要，施工 处网格加密。e m ，d 习惯使用的国际单位制有三种，即表3 3 一l 所示，本论 文单位选取第一列。 北京交通大学硕士学位论文第三章盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 表3 3 1 单位制 s i l e n g t h d e n s i t v k g m 3 1 0 3 k g m 31 0 6 k g m 3 f o r c en k nm n s t r e s s p ak p am p a g r a v i t y m s e c 2 m s e c 2m s e c 2 s t i f f n e s s p a mk p a 加m p a m 图3 3 1 三维模型尺寸图 北京交通大学硕士学位论文 第三章盾构施工峰井结构及围岩的稳定性分析 图3 3 2 竖井的平面位置图 图3 3 3 三维模拟开挖地层分布图 3 3 2 本构关系 根据现场取样和岩石力学试验结果，计算中采用莫尔- 库仑( m o h r _ c o u l o m b ) 北京交通大学硕士学位论文第三覃盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 屈服准则判断岩体的破坏( 3 2 4 ) 式。 丘；吼川，等地j 篙 ( 3 _ 2 4 ) 九2 吼川，t 写高_ 2 叫了i 高 ( 3 _ 2 4 ) 式中，o 。、0 3 分别是最大和最小主应力，c ，妒分别是粘结力和摩擦角。当p o 时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可 根据抗拉强度准则( 仍回) 判断岩体是否产生拉破坏。 3 3 3 地层分布及计算参数选取 表3 3 1 为土力学计算参数及分层厚度，表3 3 2 为结构力学计算参数。 表3 3 1 土力学计算参数 干密度湿密度粘聚力摩擦角弹性模量层厚 土层 ( g ，c m )( g c m 5 ) ( 1 出a )( 度)( m p a ) ( m ) 素填十 1 3 81 8 43 7 31 5 14 0 8 6 粉土 1 3 51 8 24 01 8 24 3 8 4 粘性土1 1 2 4 1 7 43 3 。81 9 71 0 9 枯性士2 1 3 81 8 33 6 5 1 8 5 3 5 1 2 全风化 1 6 31 9 53 4 22 0 65 5 4 花岗岩 表3 3 2 结构力学计算参数 密度弹性模量体积模量剪切模量 构件泊松比 ( 坫加) ( g p a )( g p a )( g p a ) c 3 0 钢筋砼 2 5 0 03 0o 1 6 71 5 01 2 9 c 5 0 钢筋砼 2 5 4 83 2 50 1 6 71 6 _ 31 3 9 钢管支撑 7 8 5 02 0 00 31 6 6 77 6 9 钢管支撑直径6 0 0 l i i l m ，壁厚1 2 m m 。 体积模量、剪切模量与弹性模量、泊松比的换算关系如下： k ： 墨 3 ( 1 2 u ) g ；上 2 ( 1 + u ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 3 4 旌工过程的模拟分析 岩土材料的力学行为与应力历史和扰动过程密切相关，为了准确地模拟分 3 6 北京交通大学硕十学位论文第三章盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 析竖井开挖及盾构吊装过程和盾构始发过程中所引起的的周围土体变形特征、 应力特征以及塑性区发展与分布，本论文分析按以下步骤进行： ( 1 ) 以工程勘察报告中的力学参数为基础，构造该区域的初始应力场。 ( 2 ) 地下连续墙围护结构施工。 ( 3 ) 基坑开挖。具体分为：开挖上层土体，并设置上层钢支撑卜开挖 下层土体，并设置下层钢支撑。 ( 4 ) 盾构机吊装。具体为：吊车就位盾构下放卜吊车撤出。 佑) 开凿盾构方向连续墙 ( 6 ) 盾构隧道始发地层预注浆，盾构机推进开挖。 ( a ) 构造初始应力场( b ) 地下连续墙施工 ( c ) 竖井开挖和盾构吊装( d ) 开凿围护墙 北京交通人学硕士学位论文第三章盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 ( e ) 预注浆和盾构始发掘进 图3 4 一l 工程施工过程图 3 5竖井施工中地层变形特点 竖井开挖分三步开挖，第一次5 米，第二次挖到1 0 米处，第三次开挖至 设计深度1 6 m 。在竖井开挖的过程当中，关心的位移有两个，一个是地下连续 墙的侧向位移，另一个是地表的沉降量。在这里我们选取竖井中部的a a 剖 面处沿隧道方向左侧的地下连续墙观察其侧向位移，取a a 剖面处的地表沉 降。如图3 5 1 示意图所示。 北京交通大学硕士学位论文 第三章盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 图3 5 1 示意图 3 5 1 开挖上部5 米 在建模的过程当中，竖直方向z 坐标z = o 是在模型的最底下，地表2 = 3 5 ， 在这里为了较为直观，地表坐标z 假设为零，向下为负，这样可以清楚的看到 地表以下几米位移的变化量。 图3 5 2 开挖引起的位移矢量场 3 9 ! ! 塞銮望查兰堡主兰垡垒塞 可以看出，开挖引起了反拱， 第三章盾构施工竖井结构及围岩的稳定性分析 o 一2 一4 一6 | 3 8 冀圳 一1 2 1 4 1 6 一1 8 反拱最大值为7 9 咖。 水平位移( m ) 图3 5 3 开挖引起的a a 处地下连续墙水平位移 a a 处剖面如图3 5 3 所示。开挖5 m ，竖井顶部地下连续墙位移最大， 约为2 2 l i i i n ，深度增大，地下连续墙侧向位移不断减小，在距地表7 m 处位移 为0 ，地下连续墙的侧向最大位移量只有2 2 衄，相比于工程当中要求的3 0 m m 是安全的。 图图 图3 54 开挖引起的a a 处地表沉降量 模型沿x 方向是对称的，所以在这里我们只取一半来描述a a 处地表的 北京交通大学硕士学位论文第三章盾构捕工竖井结构及围岩的稳定性分析 沉降量。在这里所说的距基坑壁的距离指的是距地下连续墙外侧的距离。地表 最大沉降位置在距基坑壁最近的地方