基于FLAC3D地铁盾构施工引起地表沉降的分析研究.pdf

分类号 璎垒Z 墨 U D C 工程硕士学位论文 密级 单位代码 1 0 0 7 6 基于F L A C 3 D 地铁盾构施工引起地表沉降的 分析研究 作者姓名 指导教师 企业导师 申请学位级别 工程领域 所在单位 授予学位单位 李杰 刘德乾副教授 张智军高级工程师 工程硕士 建筑与土木工程 河北工程大学土木学院 河北工程大学 工程硕士学位论文 基于F L A C 3 D 地铁盾构施工引起 地表沉降的分析研究 河北工程大学 2 0 1 3 年5 月 A s s e 组t ns u b m 竹e dt 氅粤望煳 H e b e iU n i V e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g T h er e S e a r C hO fS Ur 1 a C eS Ub S i d e n C eC a U S e d b ym e t r O S hi e I dC o n S t r U C t i o nb a S e dO n F L A C 3 D C a I l m d a t e S u p e r v i s o r A c 删cD e 乒e A 1 p l i e df o r S p e c i a h y L iJ i e A s s o 眦L i u D e q i a n M 如t e ro f E n 面1 e 1 面n g 一 r A r c 陆t e c t u r ea n dc i v i l e r 蛐e m g C o l l e g e D e p 卸岫e I l t C o l l e g eo f C i V i lE n g i l l e e r i I l g H e b e iU n i V e r s 时o fE n g i n e 嘶n g M a y 2 0 1 3 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研 究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得塑北工墨大堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担 学位论文作者签名 拉签字日期 乃f 多年j 月多 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦墨猩盘鲎有关保留 使用学位论文的规 定 特授权盏宴堡三猩基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电子文档 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 扭签字日期 廖年多月 口日学位论文作者签名 寸盘签字日期 侈年多月夕口日 导师签名 立 j 了 虿Z 签字日期 一 r J 年J 月玉J 日 摘要 摘要 随着我国经济的快速发展 各大城市的建设步伐也在逐步的加快 为解决城 市的交通压力 地铁建设进入高潮 盾构法是地铁施工的主要方法 在施工过程 中不可避免的产生地表沉降 当沉降过大时 会危及建筑物的安全 造成经济损 失 因此对地铁盾构施工引起地表沉降的特性和规律进行研究十分必要 本文结合宁波地铁1 号线一期工程世一海区间具体工程地质和水文地质条 件 对地铁盾构施工引起地表沉降进行了理论分析 利用F L A C 3 D 有限差分软件建 立三维模型 进行了数值分析 讨论引起地表变形原因 结合实测结果 分析其 变形规律 所得出的结论如下 1 随着盾构的推进 隧道轴线上方的土体位移逐渐增大 地层沉降量逐渐加 大 在隧道顶部位移达到最大 隧道轴线下方的土体有明显的隆起 隆起厚度先增 加后又逐渐减小 趋于稳定 2 地表横向沉降槽的宽度随盾构的不断推进而加宽 其变化幅度不均匀 盾 构推进至6 m 处时 沉降槽有了明显的加深加宽 继续推进至1 8 m 和3 0 m 时 沉降 槽宽度也有增加 但是增加的幅度较小 其沉降槽的宽度变化率变小 3 随着盾构的推进 地表沉降在逐步的增大 当盾构推进至1 2 m 时 地表沉 降曲线逐渐变缓 沉降速率有了明显的减小 4 数值模拟的结果和实际测量的结果基本上吻合 说明采用数值模拟的方法 能够准确的预测沉降的影响 对实际工程有一定的参考价值 关键词 地铁盾构 地表沉降 工程实测 数值分析 A b s t r a c t A b s 仃a c t W i mm er 印i dd e V e l o p m e n to fe c o n o m yi no u rc o u n t r y 也ep a c eo fc o n 删i o n o fe a c hb i gc i t yi s 莎a d u a l I ya c c e l e r a t e d t os 0 1 v et h eu r b a l l 缸a 岱cp r e s s u r e t 量l es u b w a y c o n s m J c t i o ni si 1 1 矗l l l s 访n g S h i e l dm e m o di s 1 em a i nm e t l l o df o rs u b w a y c o n s t r L l c t i o n i I lc o n s t r L l c t i o np r o c e s si t 析l li I l e V i t a b l yp r o d u c e sm es u r f 犯es u b s i d e n c e W m c hc a ne n d a n g e rm es a f e t yo ft h eb u i l d i n g c a u s i n ge c o n o m i cl o s s e sw h e nt l l e s u b s i d e l l c ei st o ol a r g e S oi ti sn e c e s s a I yt os t u d ym ec h 2 u r a c t e r i s t i c sa 1 1 dl a w so f s u r f a c es l l b s i d e n c ec a u s e db ym e t r os l l i e l dc O n s 廿I l c t i o n A c c o r d i l l gt on i l l g b om e t r ol i n e1 s 1 1 i h a ib e t v e e ns p e c i f i ce n 西n e e 而唱g e o l o g i c a l a I l dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t l l e o r e t i c a Ja I l a J y s i sm es 删 es u b s i d e n c ec a u s e db y s 1 1 i e l dc o n s t n J c t i o n B u i l d3 Dm o d e lb yF L A C 3 Df i n i t ed i f f e r e n c es o f a r e n u m e r i c a l a I l a l y s i s t 1 1 ec a u s eo fs u r f a C ed e f o m a t i o na r ed i s c u s s e d c o m b i n j n g 谢t ht h em e a s u r e d r e s u l t sa 1 1 da 1 1 a y s i so fi t sd e f o m a t i o n1 a w 1 1 1 ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 W i t l lt 1 1 ea d V a I l c eo fs 1 1 i e l d m ed i s p l a c 锄e n to fs o i la b o v et l l et u 皿e la i s i n c r e a S e s 蓼a d u a l l y m e 铲o u n ds e t t l e m e n t w a sg r a d u a l l yi n c r e a S e d r e a c h e dt h e m a h u ma tt h et o po ft u 1 I l e ld i s p l a c e m e n t S o i lt u 姐e la x i sb e l o wh a so b v i o u su p l i n u p l mc 印a c 时f i r S ti n C r e a s e da 1 1 dm e nd e c r e a s e d 伊a d u 2 L l l y t e n d st ob es t a b l e 2 S u f a c e 缸孤s V e r S es e t t l e m e n t 们u 曲谢d t l l 析t 1 1S 1 1 i e l dA d v a l l c i l l ga n dw i d e n e d i t sc h a I l g er a n g ei sd i 艉r e n t S 1 1 i e l d m gt o6 m s e m i n gt a 血h a Sb e e nd e e p e n e da I l d w i d e n e d c o n t i n u et oa d v a l l c et o18 ma n d3 0 m s e t t l e m e n t 缸o u 曲w i d ma l s oi n c r e a s e d b 眦m ei n c r e a s ea n l p l i t u d ei ss m a l l e r t 1 1 es e t t l e m e n t 包r o u g hw i d t l lc h a n g er a t ei s s m a l l e r 3 W i t l lt h ea d v a l l c eo fs 1 1 i e l d g r o u I l ds e t t l e m e n ti n 目a d u a l l yi I l c r e a S e s w h e nt h e s l l i e l dt o12 m g r o u l l ds 耐 a c es e t t l e m e n tc u r v e 铲a d u a l l yb e c o m es l o w s e d i I l l e n t a l i o n r a t eh a L sb e e ns i 嘶f i c a I l t l yr e d u c e d 4 T h er e s u l t so fn l u n e r i c a Js i m u l a t i o na n da c t u a lm e a s u r e m e n ta r eb a s i c a l l yt 1 1 e s 锄e I tm e a n st l l a tn u m e r i c a ls i I I l u l a t i o nm e t l l o dc a na c c u r a t e l yp r e d i c tt h ea f f e c t i o n o fs u l I a c es u b s i d e n c ea 1 1 dl l a S 廿l ec e r t a i nr e f e r e n c e d u et ot 1 1 ea c t u a le n g i l l e e r i n g K e yw o r d s S u b w a y 幽e l d n es u r f a c es u b s i d e n c e E n g i n e e r i n gS V e y N u l n e r i c a la n a l y s i s I I 目录 目录 摘要 I A b s 仃a c t I I 第1 章绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 经验法 3 1 2 2 解析法 6 1 2 3 数值模拟法 7 1 2 4 模型试验法 8 1 3 本文研究的主要内容 9 第2 章地铁盾构施工引起地表沉降的理论分析 10 2 1 盾构法的介绍 一10 2 1 1 盾构法的发展历史 1 0 2 1 2 盾构法施工原理 1 1 2 1 3 盾构施工存在的优缺点 1 3 2 1 4 盾构的分类 1 3 2 2 盾构施工引起地表沉降的机理分析 1 6 2 2 1 盾构施工引起地表沉降的原因 1 6 2 2 2 盾构施工引起地表沉降的影响因素 1 6 2 2 3 盾构施工引起地表沉降的阶段性分析 1 7 2 3 预防地表沉降采取的控制措施 18 2 4 本章小结 19 第3 章对宁波地铁盾构施工的数值分析 2 0 3 1 岩土工程数值分析方法 2 0 3 2F 1 A C 3 D 简介 2 1 3 2 1F L A C 3 D 基本原理 2 2 3 2 2F L A C 3 D 的分析步骤及求解流程 2 2 3 3 工程概况 2 3 3 3 1 工程地质条件 2 4 3 3 2 工程水文条件 2 6 目录 3 3 3 气象条件 2 7 3 3 4 地震条件 2 7 3 4 模型的建立 3 0 3 5 数值模拟结果及分析 31 3 6 本章小结 3 7 第4 章现场监测方案及结果分析 一3 9 4 1 监测方案 3 9 4 1 1 监测目的和意义 3 9 4 1 2 监测项目及精度 3 9 4 1 3 监测点布置 4 0 4 2 地表沉降监测结果及分析 一4 l 4 3 模拟结果与监测结果对比分析 4 2 4 4 本章小结 4 3 结论与展望 4 4 结 仑 4 4 展望 4 4 致j 射 4 6 参考文献 4 7 作者简介 51 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 近年来 随着我国经济的快速发展 城市化水平的提高 大中城市的增加 使得城市中的问题逐渐增多 需要走城市可持续发展道路 尤其是人口密度的增 加给交通带来了巨大的压力 这就促使我们要充分利用地下空间 提高土地利用 率 缓解城市交通压力 发达国家主要是发展地下有轨交通 形成地下交通网 地铁因其速度快 安全性高 能耗少 运输能力大 可以缓解巨大的交 通压力而被广泛的应用 在1 8 6 3 年 世界上开通了首条地下铁路系统是 伦 敦大都会铁路 M e t r o p o li t a nR a 儿w a y 目的是为了解决当时伦敦的交 通拥堵问题而建的 并且伦敦第一条客运钻挖式地铁 在1 8 7 0 年完成 该 地铁位于伦敦塔附近并且越过泰晤士河 但是在数月后 这条地铁便关闭了 至今为止保存最早的钻挖式地下铁路 也是位于伦敦并于1 8 9 0 年开通 该 地铁从市中心连接到南部地区 在1 8 9 6 年 欧洲大陆的第一条地铁是在奥 匈帝国的城市布达佩斯开通 截至到现在还在使用之中 目前我国地铁建设 正迅速发展 国内已建有地铁的城市 北京 天津 上海 广州 大连 武汉 重庆等 在建地铁城市 南昌 郑州 宁波 长沙 太原 合肥等 在地铁施工过程中 有明挖法 暗挖法和盾构法 其有各自的优缺点 而盾 构法在地铁施工中被广泛的应用 盾构法是将盾构机在地表以下进行推进 通过 盾壳和管片支承周围的岩土 在盾构机前面用刀片等切削装置进行开挖 通过皮 带等运输设备将土体运出 利用千斤顶的压力使掘进面向前推进 同时安装混凝 土管片的施工方法 盾构法起源于1 8 2 5 年 由法国工程师M A B r u n e l 发明 的一种在地面以下进行开挖土体的方法 在18 9 4 年 在地铁隧道的施工中 首次应用到了盾构法 2 0 世纪中期 盾构法渐渐在我国进行了应用 最先是 在北京地铁中应用 在19 6 5 年7 月1 日 中国开始建设第一条地铁 并于 1 9 6 9 年1 0 月1 日建成通车 我国北京成为了第一个拥有地铁的城市 地铁盾构施工是在地面以下岩土体内部 在开挖过程中不可避免的会对原岩 土体进行扰动 使得地层应力重新调整 从而破坏初始平衡 其中最为重要的是 会引起地表的沉降或隆起 而过大的地表沉降或隆起会严重影响地表建筑和地下 管线的安全 河北工程大学硕士学位论文 图卜1 上海地铁施工引起地表沉降事故 F i g1 1T h es u r f a c es u b s i d e n c ea c c i d e n tc a u s e db ys u b w a yc o n s 咖c t i o ni ns h a n 曲a i 2 0 0 3 年7 月1 日 上海地铁四号线出现沉降事故 致使地表建筑物出现较大 倾斜 造成了较大的损失 图卜2 杭州地铁施工引起地表沉降事故 F i g1 2T h es u r f a c es u b s i d e n c ea c c i d e n tc a u s e db ys u b w a yc o n s 劬c t i o ni nh a n g z h o u 2 0 0 8 年1 1 月1 5 日 正在施工的杭州地铁湘湖站北2 基坑现场发生大面积坍 塌事故 造成2 1 人死亡 2 4 人受伤 直接经济损失4 9 6 1 万元 本文对地铁盾构施工引起地表变形规律和影响因素进行研究 并对地表变形 进行预测 同时提出可靠的控制方法 这样对盾构施工及保护地表建筑 地下管 线均有重要意义 1 2 国内外研究现状 在地铁施工中 盾构机对土体进行开挖 进行扰动 破坏其初始平衡 从而 引起地表变形 然而在盾构施工中有多种因素影响地表变形 比如 隧道的埋深 断面 施工方法 支护形式以及水文地质条件 为了进一步了解地表沉降规律 并且使盾构施工对周围环境影响降到最小 国内外学者对隧道采用盾构法施工引 起地面沉降作了大量的研究工作 得到了一些预测方法 主要有 经验法 模型 2 第1 章绪论 试验法 解析法及数值分析法等 1 2 1 经验法 经验法是根据开挖后的隧道沉降槽的形状 对监测的数据进行汇总 用曲线 的形式以表示 由地表沉降结果 来确定特征参数 从而预测地表的沉降值 P e c k 1 9 6 9 通过对大量的地面沉降和工程数据分析 先是提出地表沉降槽呈 正态分布的概念 认为土体损失是由土体移动造成的 假设在土体不排水且土 体体积不压缩的情况下 则沉降槽体积等于土体损失的体积 横向地面沉降估算 公式为 一2 最 s e x p 一啬 1 1 s j 旦生 1 2 氏a x2 赢 志 n 2 式中 s 工一为距隧道轴线横向距离X 处的地表沉降值 m s m 戕一为隧道中心线上方处地表的最大沉降值 m i 一为沉降槽宽度系数 m 矿 单位长度沉降槽体积 形 地层损失率 嘣道直径 C l o u g h 与S c h m i d t 瞳3 根据隧道掘进面稳定系数 f 对地层损失进行了估算 并且推导了在塑性粘土层中M 和珞的关系 y s 2y s 半e x p N 1 1 3 旦i 旦 1 4 S 式中 坎 单位长度的地层损失体积 m 3 环 单位长度上隧道理论开挖体积 z 3 E 土体的弹性模量 k P a 土体的泊松比 矽 掘进面中心处的土体垂直压力 k P a 阢 用气压施加于掘进面的侧向压力 k P a S 不排水抗剪强度 k P a 3 河北工程大学硕士学位论文 0 R e i l l y N e w 1 9 8 2 提出了土体位移矢量 这可表示为 邑 L 1 5 Z O Z 式中 S 一地表以下深度z 处 距隧道轴线的距离x 处的沉降量 一水平位移量 这个假设 可以得出地表水平位移的分布如下 羔 1 6 5 手e x p 丢 1 6 邑m 戕 f 一2 A t t e w e l l w 0 0 d m a n 1 9 8 2 H 3 通过对大量的隧道试验 证明了累积概率曲 线 对于拟合粘土中隧道的纵向沉降槽是非常有效的 S e l b y A t t e w e l l 1 9 8 8 畸1 对粘土和砂土构成的成层土中隧道的沉降槽宽 度系数提出了简单的计算方法 来对不同的土层厚度所产生的影响进行了考虑 刘建航等 1 9 9 1 嘀1 在总结了上海等地区软土隧道的基础上 根据P e c k 公式的 基本原理和国外相关资料 提出了地表纵向沉降的公式如下 毗 志 矽 半H 半 志 矽 孚H 孚 7 式中 杉 杉 分别为盾构掘进面和盾尾间隙引起的地层损失 y 分别为盾构起始点和盾构掘进面到坐标原点的距离 其中y7 y 一 y y 一三 L 为盾构长度 侯学渊等 1 9 9 3 口1 等结合上海地区饱和土体和盾构法施工的特点 提出了 修正的P e c k 公式 出力 等 e x p 一丢 o 斛 1 8 V Z 万 Z 么Z 丁 业 f 1 9 E K x 式中 尸 髓道顶部的孔隙水压力平均值 T 一固结时间 E 聪道顶部土层的平均压缩模量 酶 隧道顶部土体的渗透系数 啦孔隙水压水头 M a i r 等 1 9 9 3 国1 对P e c k 公式进行了进一步的研究 发现土体的沉降 可以 4 第1 章绪论 用高斯分布来表示 在地表以下z 处 假设地表距隧道中心线的距离为z o 则沉 降槽的宽度系数z 可以表示为 之 后 z o z 1 1 0 同时k 值与深度成正比 M a i r 等通过离心机实验 提出有关粘土地层k 的公式 七 业芝坚掣 1 彤 1 11 卜一z z Q 沉降槽宽度系数为 江O 5 一O 3 2 5 z 1 1 2 地表 阻 l x 比l反雩息 Z 翅 弋奎 H 厂 一一 图卜3沉降槽的形态 F i g1 3T h es h 印eo f t h es e t t l i n gt a n k T a y l o r 等 1 9 9 6 阳3 分别对隧道在不同的地质条件下 都分析出了地面及地面 以下土体的沉降具有相似的轮廓 且k 值随深度而增加 姜忻良等 2 0 0 4 n 们假设地表以下土层的沉降槽体积与隧道的地层损失体积 相同 其沉降槽分布曲线也可用正态分布函数加以表示 氐缸 z 和f z 成反比 通过回归分析 提出了在不同深度中 沉降槽宽度系数的计算公式 厂 2 蹦功 蹦Z e 坤l 奇l q 1 3 s z s m 貅 1 一 办 0 3 1 1 4 z z z 1 一Z 办 o 3 1 1 5 5 河北工程大学硕士学位论文 O X 图卜4 横向地表沉降分布曲线 F i g1 4T h ed i s t r i b 嘶o nc u r v eo f h o r i z o n t a ls u m c es u b s i d e n c e 经验法较为简单 且操作方便 仅仅需要确定计算公式中的数据 就可以容 易地获得沉降槽曲线 经验法在一定程度上反映了土壤的性质 对于那些土壤性 质 施工的技术与设备较好的情况 则现场实测结果与计算结果较为接近 但也 有其局限性 1 2 2 解析法 随着对地层研究的深入 考虑土层的变形特点 将地层土作为弹性 弹塑性 和粘弹性体考虑 C l o u 曲 S c h m i d t 1 9 8 1 3 描述了利用线性弹性和理想塑性介质中轴对称 的情况下 圆形孔卸荷的解析解来预测隧道开挖引起的地层位移 S a g a s e t a 1 9 8 7 n 2 3 根据不可压缩液体的解析解对由于土体的损失引起不可 压缩土体应变场进行了研究 分析了地表以下土体的位移场和应力场 V e r r i i j t B 0 0 k e r 1 9 9 6 n 3 1 假定土体是线弹性材料 认为隧道变形机理主 要是隧道上表面土体的等量径向位移和长期的隧道衬砌椭圆化变形 采用弹性半 平面解法 它适用于任意孔隙比的情况 L o g a n a t h a n P o u l o s 1 9 9 5 1 9 9 9 们提出了在不排水条件下 预测了软土 地层隧道掘进而引起地层移动的解析方法 对不排水条件下 地层损失重新定义 提出了 等效地层损失 参数 得到了隧道掘进引起的地表沉降 地表下土体沉 降和侧向变形闭合解析方法和计算公式 B o b e t 2 0 0 1 n 鄙提出了在饱和土体中 浅埋隧道土体变形的二维解析方法 该方法假定与隧道中心线垂直的横段面为平面应变条件 土体为多孔弹性材料 衬砌是弹性的 应用该方法可以求得任一点的短期和长期的应力和变形情况 6 第1 章绪论 吴修锋 2 0 0 4 n 刚推导了由正面附加推力 引起土体竖向位移的计算公式 并 对正面附加推力引起土体变形分布规律进行了研究 孙钧n 7 1 等利用粘弹塑性理论 对圆形隧道的围岩和衬砌 进行了粘弹塑性分 析 波兰学者L i t w i n i s z y nJ n 铂基于采矿沉陷问题 而提出了随机介质理论 半 个世纪以来其理论己逐步完善 应用领域广泛 廖少明等 2 0 0 4 n 明应用弹性力学的M i n d l i n 位移解 结合边界元法 得到盾 构侧向剪力和正面推力 引起的土体变形计算公式 解析法是建立在理论基础之上 从而得到地表变形 对各种土体都有很强的 适应性 解析方法对简单的边界条件和初始条件容易进行分析 所以解析法将地 层假定为均匀的 平面应变问题 这使其应用受到较大限制 更无法考虑施工条 件对地层移动的影响 1 2 3 数值模拟法 在研究盾构隧道施工引起地层位移的变化中 数值模拟分析法是预测地表变 形的一种重要方法 主要包括有限单元法 有限差分法和边界元法等 I t oT H i s a t a k eM 1 9 8 2 瞳 采用边界元法 对存在于弹性地层中埋置深 度较浅的隧道所产生的地表沉降进行分析 分析中分别对开挖速度 掘进面位置 隧道的衬砌所产生的影响进行了考虑 R o w eRK L oKY K a c kGJ 晗妇运用平面弹塑性方法 对于隧道施工与衬砌 相互之间的作用进行了模拟 他们用G a pP a r a m e t e r 来反映对施工的影响 并把 地层额定损失预留量用空隙来表示 利用有限元法 对地层的变形规律进行研究 其主要研究方向是在隧道与土壤的相互作用上 C l o u 曲 F i n n o 1 9 8 5 瞳2 1 在有限元法中 使用了任意一个参数 来模拟施 工工艺水平对地表沉降的影响 该方法能够直接确定由开挖面压力引起的土层扰 动带的范围和模拟这部分土层的后续固结沉陷 李桂花乜3 3 在1 9 8 6 年 用弹性有限元法来模拟施工间隙参数 并得出公式 跏 而器笳南e X p 丽高两l m 7 H f 0 9 5 6 一日 2 4 0 3 2 l3 0 6 5 日 2 2 l 式中 D 为隧道直径 H 为隧道埋深 g 为施工间隙 该公式可以估算不同隧 道埋深 不同开挖直径 不同施工间隙下 距隧道中心线不同距离的地表沉降 L e e K M R o w e R K 乜钉发展了一种用于模拟施工工序 后续地层移动和地 面的应力状态等对地表沉降影响的三维弹塑性有限元方法 得出了非线性问题的 7 河北工程大学硕士学位论文 计算步骤以及分析三维隧道的弹塑性本构模型 阮林旺 1 9 9 7 瞳 利用有限元分析 S u p e r S A P 对工程施工采用盾构法的隧 道进行了弹性有限元法模拟 探讨各种因素之间的互相影响 荷兰学者T e c b m c a lU n i v e r s i t yo fD e l f t 1 9 9 8 心6 3 研制开发了P l a X i s 程序 2 0 0 1 年 他开发的P 1 a x i s3 dt u n n e l 能够准确的计算隧道施工引起的地层位移 和对周围建筑物的影响 目前 它和F L A C 3 D 有限差分软件成为著名的岩土工程分 析软件 王敏强 2 0 0 2 乜7 1 运用三维非线性有限元法 对盾构掘进过程结构进行了分 析 提出用迁移法模拟盾构的掘进过程 李强 2 0 0 2 瞳8 3 等假定在不排水的条件下 利用有限元法分析由于盾构推力变 化对盾构隧道地表沉降的影响 李大勇 张利民 2 0 0 4 等运用有限差分软件F L A C 3 D 考虑盾构机的类型 推进压力 注浆的压力等多种因素的基础上 数值模拟了隧道施工 得出了地面 沉降的变形规律 刘元雪 2 0 0 4 口叩采用土体小应变特性的本构关系模拟了盾构隧道施工 刘洪洲 孙钧胁1 利用有限元法 对影响地表沉降的各种因素 比如掘进面的 推力 注浆的多少 盾构机的长度 盾尾空隙等分别进行了研究 计算了各因素 影响的地表沉降大小 并总结了地层沉降的规律 张冬梅 2 3 采用了粘弹性有限元法 分析了盾构法推进引起的地表沉降 刘波 3 1 等 2 0 0 2 以广州地铁二号线新南方购物中心为例 运用F L A C 研究了盾 构法施工引起的地表沉降对该购物中心基础的影响并提出了对应的地基处理建 议 数值模拟分析的方法越来越广泛的得到应用 在建模中对各种因素的考虑 能够更好的反映施工中的真实情况 其模拟出的结果更加具有说服力 1 2 4 模型试验法 模型试验法是在固定的实验室内 针对工程的具体情况 建立模型 进行模 拟试验 从而得出地层运动规律的研究方法 1 9 5 7 年 L i t w i n i s z y nJ D 4 3 模拟地层是用大小等同的球体 并对其应力和应 变的状态不进行任何的假定而进行模拟试验 结果表明 沉降槽横向分布曲线的形 式与概率的形式完全相同 1 9 7 7 年 A t k i n s o n 口朝把高岭土与砂作为介质 用橡皮膜粘于隧道内表面上进 行了模拟试验 其实验结果表明 土体的破坏面近似朗金主动破坏面 十分接近 8 第1 章绪论 P e c k 曲线 1 9 8 3 年 M a i r G u n n 刚利用有限元法和离心模型实验结合的方法 分析了 浅埋隧道的地表沉降 认为地表沉降是有靠近隧道周围土层的性质决定的 浅埋 隧道稳定率随着隧道的埋深而变化 认为虽然有相同稳定率的隧道 但是在不同 的埋深所造成的地表沉降会有很大的差别 1 9 8 4 年 K i m u r a M a l 口7 1 通过离心模型的试验 对软土层中 在二维的状态 下理想的模型与隧道开挖之间的关系进行了研究 表明分析出来的结果与根据塑 性理论得出的稳定性结果是相同的 1 9 9 8 年 G u t t l e S t o f f e r s 口町采用离心模型试验 对圆形隧洞的变形以及 破坏的形态进行了分析 1 9 9 8 年 工m a m u r a 等口鲫进行了利用小型盾构机进行了隧道的开挖与衬砌脱出 盾尾的离心试验 研究不同的隧道埋置深度与存在盾尾空隙情况下 衬砌拱顶的 土体压力和地表沉降隋况 2 0 0 5 年 李围 何川等H 们利用三维模型试验与有限元法结合的方法 对玄武 湖公路隧道下方建设地铁隧道时 两隧道的相互重叠进行研究 表明 利用盾构 法施工的隧道对上部隧道的土体扰动很小 地面沉降很小 不会对路面的结构产 生破坏 1 3 本文研究的主要内容 本文以宁波地铁一号线一期工程为背景 在综合考虑盾构法施工过程中多种 因素的基础上 根据宁波地铁工程实际情况 建立盾构法开挖隧道的三维模型 利用有限差分程序F L A C 3 D 软件进行开挖模拟计算 通过数值模拟盾构隧道的动态 开挖过程 对宁波市在其固有的地质条件下 利用盾构法进行隧道施工引起的地 面变形进行研究 第1 章简要概括地表变形的国内外研究现状 第2 章对盾构法进行详细的介绍 并且分析了地铁盾构施工引起地表沉降的 原因和造成沉降的因素 第3 章通过F L A C 3 D 软件建立隧道开挖的模型 以宁波地质条件为例 对盾 构施工进行动态开挖模拟 得出地层沉降的预测值及土层的位移变化规律 第4 章介绍了盾构施工所采用的监测方案并且对监测点的沉降量进行分析 结合监测数据 对数值模拟软件模拟的结果与实测的结果进行对比分析 9 第2 章地铁盾构施工引起地表沉降的理论分析 第2 章地铁盾构施工引起地表沉降的理论分析 2 1 盾构法的介绍 2 1 1 盾构法的发展历史 盾构法施工技术是在1 8 1 8 年 法国工程师布鲁诺尔 M a r e 工s 锄b a r dB r u n e l 在伦敦从船蛀在船板上蛀孔 再用分泌物涂在孔的四周中得到启示 发现了盾构 法掘进隧道的原理并注册了专利 布鲁诺尔于1 8 2 3 年拟定了横贯伦敦泰晤士河的 一条道路隧道的计划H 并于1 8 4 1 年贯通了这条隧道 1 8 6 9 年 J a n e sH e a r yG r e a t h e a d 负责建造穿越泰晤士河的隧道 采用了刚 开发的圆形盾构 工程进展顺利 在1 8 7 4 年 格瑞海德发现在强渗水性的地层中 很难用压缩空气支撑隧道工作面 因此 开发了用液体支撑隧道工作面的盾构 通过液体流 土料以泥浆的形式排出 1 8 8 7 年 在南伦敦的铁路隧道施工中采用 盾构与压气组合的工法获得了成功 为目前的盾构的发展奠定了基础 1 9 5 9 年 用液体泥水支撑隧道工作面的想法由E l m e rC G a r d n e r 成功地试用 于一条直径为3 3 5 m 的排污隧道 1 9 6 3 年 日本S a t oK o g y o 公司开发土压平衡盾构 其正寻求在地下水位以 下松软且流动的地层中掘进隧道的方法 1 9 7 4 年 第一台土压平衡盾构在东京被采用 该盾构由日本制造商I H I 设计 其外径为3 7 2 m 用它掘进了1 9 0 0 m 的主管线 1 9 8 6 年 日本研制了世界上第一台双圆泥水加压式盾构 由两个直径为7 4 2 m 的盾构组合而成 盾构横向宽度为1 2 1 9 m 刀盘呈半重叠状 1 9 9 2 年 日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构 并用于大阪市地铁 7 号线商务公园车站工程施工 由于盾构施工不用占用太多的施工场地 对城市的交通出行 生产生活影响 较小 因而受到广泛的应用 我国的隧道盾构施工技术得到迅速发展 我国正在 大力发展轨道交通的建设 1 9 6 2 年2 月 我国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程 采用直径 4 1 6 m 的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下进行掘进试验 用降水或气 压来稳定粉砂层及软粘土地层 试验获得成功 采集了大量盾构法隧道数据资料 1 9 8 0 年 上海开始进行盾构法隧道地铁试验工程 采用直径6 4 1 2 m 网格式 1 0 河北工程大学硕士学位论文 机械出土盾构机施工 掘进长度为5 6 5 m 采用泥水加压和局部气压施工 1 9 9 0 年1 2 月 上海市隧道工程公司承建的上海合流污水治理工程6 1 标过 江隧道推进施工 采用自己设计制造直径5 1 7 m 加泥式土压平衡盾构 盾构自重 1 9 0 t 总推力2 8 8 0 0 k N 总功率5 0 0 k w 1 9 9 2 年6 月 上海市承建上海地铁1 号线上海火车站 汉中路车站区间 采 用盾构法隧道施工 于1 9 9 3 年4 月全线贯通 1 9 9 3 年8 月 上海承建上海地铁1 号线黄陂路站 陕西路站区间隧道 于1 9 9 4 年4 月全线贯通 1 9 9 4 年1 0 月 上海隧道工程股份有限公司采用盾构法承建的南京第一条秦 淮河治理工程夹江隧道推进 最具风险的是盾构推抵江中段 即钻入全断面粉砂 层中 该粉砂层上方没有其它土层与夹江水间隔 直径6 3 4 m 土压平衡盾构掘进 机于1 9 9 5 年2 月5 日顺利进入江心州接收井 1 9 9 5 年 我国开始研究矩形盾构隧道掘进技术 1 9 9 6 年上海隧道工程股份有 限公司研制了一台2 5 m 2 5 m 可变网格矩形隧道掘进机 顶进矩形隧道6 0 m 1 9 9 9 年5 月 上海隧道工程股份有限公司研制成功国内第一台3 8 m 3 8 m 矩形组合刀盘式土压平衡掘进机 在浦东陆家嘴地铁车站掘进1 2 0 m 建成两条过 街人行地道 1 9 9 8 年1 2 月 中国第一条较长距离的水底观光游览隧道一上海外滩观光隧 道建成 采用国外二手直径7 6 5 m 铰接式土压平衡盾构施工 1 9 9 9 年6 月 深圳开埠以来第一台地铁盾构开始掘进益田 香蜜湖区间隧道 此项目由深圳地铁有限公司建设 由上海隧道工程股份有限公司设计 施工总承 包 2 0 0 3 年 上海地铁八号线第一次运用双圆型盾构机进行开挖施工 并取得成 功 这对我国以后盾构的施工和发展有重要的意义以及参考价值 它使得我国除 日本之外 成为第二个运用并掌握这项技术的国家 2 0 0 6 年 在我国长江隧道工程中 采用了世界上直径最大的盾构 该工程进 展顺利并取得成功 2 1 2 盾构法施工原理 盾构是一种用来开挖土砂围岩的隧道机械 是由在外部荷载作用下 对内部 能起保护作用的盾壳部分 以及在该保护作用下 在前部能用切削机开挖 在后 部能边衬砌边掘进的功能齐全的各种设备所组成 分为切口环 支撑环及盾尾三 部分 第2 章地铁盾构施工引起地表沉降的理论分析 盾构法隧道施工的基本原理是用盾构沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进 利用盾构的盾壳在开挖隧道时充作临时支护 然后在盾壳的保护下拼装管片 形 成永久衬砌 盾构在隧道衬砌建成前 主要起防护开挖出的土体 保证作业人员 和机械设备安全的作用 盾构法进行施工时主要的施工工序是 安装 开挖 支护 注浆 1 安装 盾构机的安装是指把盾构组装在竖井内设置的座架的设定位置上 设定 位置是以设计的中心位置及高度为主 进行若干修正而求出的 这是盾构施 工的重要环节之一 为了能够进行正常的推进作业 需要对盾构机进行拼装 检查和初始的推进 拼装环节是在工作井下特定的支承台上完成 支承台应 能支承盾构自重 组装时的临时移动 而且设置轨道和其他盾构推进用的导 轨 在竖井内容易推进 方向不会发生错乱 主要设施 使盾构机正确就位 的拼装台 为盾构机的初始推进提供安全支撑的后背及临时装备 使盾构机 准确进行开挖的洞口及工作井内垂直运输的设备等 2 开挖 盾构机的开挖是盾构机在预定的轨道上向前推进 初始的推进时 应进行细 致的掘进管理 还需要收集正式掘进时所需要的数据 一般所谓的初始掘进 是 指盾构从竖井出发 到盾构运转所需要的后续设备进入隧道内为止的阶段 土体 由旋转刀盘上的刀具切割下来 然后通过刀盘开口挤入土舱 与土舱内已有的粘 性土浆混合 推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体 进而保证掘进面的稳定 当土舱内的土壤不能够再被土 水压力压缩时 即达到平衡 这时掘进面的土体 压力就约等于土舱内的土体压力 如果土舱内土体压力的增加超过了平衡时的土 体压力时 土舱内的土体就会压紧掘进面的土体 将会导致盾构机前方地表的隆 起 当土舱内的土压小于平衡土压时 就会引起地表沉降 3 支护 在掘进过程中要安装的管片由管片运输机车运送过来 放置在管片输送小车 上 在完成掘进循环后 一部分推进油缸回缩 为第一片管片留出足够的空间 其余油缸和装好的管片仍保持接触 以防止盾构机后退 管片安装器抓起管片将 其放好位置 在此位置可以和上一管片用螺栓连接 在安装器夹头放开管片之前 一定要保证回缩的推进油缸再次顶紧管片 防止管片意外移动 安装后的管片不 但要承受盾构推进时的反力还要对抗壁后注浆时的注入压力 4 注浆 壁后注浆的施工应以最适合于围岩的注浆材料和注浆方法 在盾构推进的同 时进行 并要做到完全充填盾尾空隙以防止围岩的松弛和下沉 1 2 河北工程大学硕士学位论文 砂浆在地面准备 通过带搅拌器的砂浆车输送到配套系统上的砂浆搅拌罐中 砂浆车置于渣车前 砂浆转运泵安装在砂浆罐车上 砂浆转运泵将砂浆车里的砂 浆输送到后配套拖车的砂浆罐中 一般来讲 砂浆里有适量的阻凝剂以防止砂浆 在注浆前凝固 掘进期间 注浆泵吸取砂浆罐的砂浆并将其注入盾尾管片与隧道 的间隙中 砂浆泵从掘进机上的砂浆罐向管片外环间隙注射砂浆 通过行程计和 传感器控制 压力传感器连接到P L C 以控制泵的速度 进而控制环间压力在预定 的范围内 注浆施工从设置在管片上的注浆孔或在盾构上设置的注浆管进行 一 般是用搬运车将注浆材料运入隧道内 然后用设在后方台车上的注浆泵进行注浆 或利用设在隧道外的拌和设备 用注浆泵进行压送 2 1 3 盾构施工存在的优缺点 2 1 3 1 盾构法施工的优点 1 盾构法隧道施工在地面以下进行 不受地面自然条件的影响 进行 地下工程暗挖施工 不受地面交通 航运 潮汐 气候等条件的影响 能较 合理地保证隧道安全施工 2 盾构法施工隧道自动化程度高 盾构的推进 衬砌的安装可实行 自动化 提高了施工效率 其掘进的速度加快 施工中劳动强度降低 3 盾构法施工能更好的保护地面上的自然景观 对环境的影响很小 并且因其出土量较少 对地下管线及地表建筑影响小 4 盾构法施工适用于复杂的工程地质和水文地质条件 适合含水层开挖 以及大埋深隧道 2 1 3 2 盾构法施工的缺点 1 进行盾构施工 管片的制作与运输 管片的结构防水以及施工中 测量 施工场地的布置等等 有大量的负责工序需要之间进行复杂的协调 2 施工过程变化断面尺寸困难 只能前进 不能后退 当隧道曲线 半径过小或隧道埋深较浅时 施工难度大 3 盾构机制造周期长 造价较昂贵 盾构的拼装 转移等较复杂 建造短于7 5 0 m 的隧道经济性差 2 1 4 盾构的分类 盾构机的类型很多 大致的分为封闭式盾构和敞开式盾构两种类型 1 封闭式盾构 1 3 第2 章地铁盾构施工引起地表沉降的理论分析 封闭式盾构的特征 通过隔板在隔板和开挖面之间形成压力舱 保持充满泥 水的压力舱内的压力 保证开挖面稳定性 封闭式盾构机依靠气压 液压或土压 进行开挖面的压力平衡 封闭式盾构可分为土压平衡式盾构H 2 1 和泥水加压式盾构 土压平衡式盾构和 泥水加压式盾构是目前最为常用的能够转动掘削的两种盾构类型 这两种盾构的 区别在于弃土的排出方式不同 土压平衡式盾构通过向掘削下来的弃土中加入泥 浆或气泡等材料 使其具有流塑性从而能被螺旋机排出 而泥水加压式盾构则是 采用水力泥浆排除方式 具有压力的膨胀土泥浆从地表泥浆站通过管道向下输送 到隧道内盾构机的压力舱室 土压平衡式盾构 将开挖的泥砂进行泥土化 通过控制泥土的压力以保证 开挖面的稳定性 根据开挖土泥土化所需要的添加剂的注入装置的有无 可分为 土压式盾构和泥土式盾构 土压式盾构有一种机构能够在连续掘进时