砂卵石地层盾构推进对地表沉降影响分析.doc

砂卵石地层盾构推进对地表沉降影响分析摘 要在成都地铁项目工程中，盾构穿越大面积砂卵石地层在我国尚属首例。利用有限元软件 ANSYS 建立三维数值模型，研究了盾构在不同埋深、等代层厚度、掘进压力等工况下的沉降规律，提出了相关参数控制性建议，可为类似地层盾构隧道的设计施工提供参考。关键词地铁; 砂卵石地层; 盾构掘进; 地表沉降; 数值模拟 砂卵石地层是一种典型的力学不稳定层，其力学特性和物理特性与软土、黄土及复合地层差别很大，地层中的卵石颗粒在无水状态下点对点传力，受扰动后地层反应灵敏。该地层岩体松散、无胶结、自稳能力差、单个石块强度高; 颗粒之间空隙大、粘聚力小、渗透系数大1。 土压平衡盾构( EPB) 在长距离、大面积砂卵石地层中掘进会遇到地表沉降大、掘进效率低，渣土流动性差、刀盘刀具磨损严重，开挖面稳定较难控制等诸多问题23。 我国地质情况具有很强的区域性，已建地铁城市盾构穿越的地层主要有软土地层、复合地层、黄土地层、软流塑地层等。目前，对软土盾构隧道引起地层移动和变形规律的研究较为深入，对复合地层和黄土地层施工扰动也进行了大量的研究，而对砂卵石地层条件下盾构施工地层变形规律和控制方法的研究较少。该地层的特殊性及区域性也导致目前还没有砂卵石地层成熟的土体变形理论和沉降规律可以参考。 本文以成都地铁 1 号线 2 标人民北路天府广场 3 个区间站为背景，利用有限元软件 ANSYS 建立三维数值模型，研究土压平衡盾构在不同的掘进压力、注浆等代层厚度、隧道覆土厚度、隧道净距等条件下的地表沉降规律，从整体上把握盾构施工主要参数影响因素，提出了各参数控制性建议。希望为以后类似地层盾构隧道的设计、施工提供指导意见，创造更好的社会效益和经济效益。1计算过程1 1模型情况及边界条件 模型选取成都地铁 1 号线2 标盾构区间某60 m段为研究对象，各土层厚度按照实际情况选取，土层参数按照地堪报告读取。如图 1 所示。 模型 X、Y、Z 方向计算范围为，隧道直径 D =6 0 m，管片厚度 0 3 m。左右线隧道间距 13 m。模型上表面取至地表( 埋深取 16 m) ，下面取至隧道底部以下 17 5 m ( 约 3D) ; 横向取至隧道外侧 30 m( 5D) ; 沿线路纵向取 60 m。其中 Z 轴正向为盾构掘进方向，隧道间距线中点为坐标原点。按照施工经验，此范围能够满足研究需要。 模型采用位移边界条件，底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，表面取为自由边界。网格划分采用六面体单元，土体采用 D P 本构模型，管片采用 8 个节点的 solid 45 实体单元。管片宽度15 m。由于 1 号线 2 标盾构实际施工过程中左右线推进间隔约1 个月，为尽可能真实模拟实际工况，隧道采取先开挖左线后开挖右线的方式。即左线 60 m贯通后，再开挖右线。考虑计算速度，每 3 m 开挖一步，经过20 个循环，开挖完成一条线路。隧道开挖采用单元生死法。网格划分模型如图2 及图3。1 2初始应力场及土体力学参数 有限元法计算隧道开挖需要确定初始应力场。初始应力场是指开始施工前的地应力场。它是有限元计算的迭代基础，其设置的正确与否直接影响计算结果。一般初始应力场包括土体自重应力和地面建筑物引起的附加应力两部分。计算初始地应力场有两种常用方法: 一是根据变形实测值反分析而得出;二是通过现场已经测得的某些点的地应力值，回归分析得出。有限元数值模拟一般可采用两种方法来施加初始地应力: 一是在边界上施加相应面力荷载，内部施加自重荷载，通过求解而得到的地应力场作为初始地应力场; 二是初始应力按自重应力直接输入高斯点，形成一个初始地应力场。本文不考虑附加应力情况，认为初始应力场即为原始土体的自重应力产生的，同时假设土体固结完成，初始位移设置为零。右线隧道开挖至30 m 断面模型如图 4。土体有限元计算的相关参数见表1。其中，管片结构采用 C50 混凝土，弹性模量 E =345 GPa，泊松比 =017。2结果分析2 1土仓压力对地表沉降的影响 本文采取施加面力荷载的办法模拟盾构掘进的土仓压力。掘进压力 P 分别取 0 15 MPa、0 25MPa、0 35 MPa、0 45 MPa，研究不同土仓压力下盾构掘进土体变形规律，如图 5。 由图 5 可以看出，增大掘进压力有利于减少地表沉降; 该地层条件( H =15 5 m、D =6 0 m、P =015 MPa) 下，盾构开挖引起的地表沉降在 19 mm 左右。当 P 逐渐增加至 0 35 MPa 时，地表沉降减少到 17 mm 左右，可见在一定压力范围内，增加面力荷载对地表沉降影响较小; 当面力荷载增加至0 45 MPa时，地表沉降明显减少至 13 mm 左右，说明地表沉降随土仓压力增加跳跃式减少。综合考虑砂卵石地层条件下盾构施工机器负荷及刀盘刀具磨损，增加面力荷载虽然可以有效控制地表沉降，但磨损造成的频繁停机，严重影响掘进速度及施工安全。根据实际施工经验并结合数值分析结果，建议该地层条件下土仓压力设定在 0 25 0 35 MPa 之间。2 2盾尾注浆对地表沉降的影响 本文采用盾构推进模拟注浆常用处理方法。即引入等代层概念，通过改变不同等代层的厚度研究盾构掘进沉降规律。等代层厚度 G 分别取 0、15 cm、25 cm、35 cm。 同步注浆材料为水泥、砂、粉煤灰，故参考水泥土的泊松比取为 0 2，弹性模量结合施工中的洞周释放荷载综合考虑。管片和等代层采用 8 节点实体单元( solid45 号) 。管片和等代层之间及等代层与土体之间的接触采用面 面接触单元，目标面采用contact170，接触面采用 contactl74 号单元。管片和等代层之间的接触，管片单元为目标面，等代层单元为接触面; 等代层与土体之间的接触，等代层单元为目标面，土体单元为接触面。计算结果如图 6。 由图 6 可以看出，不设等代层( G =0) 地表沉降较大，在 40 cm 左右，考虑实际施工过程盾尾间隙及刀盘超挖，沉降值将远超过成都地铁安全控制标准( +10 30 mm) ; 当 G =15 cm 时，地表沉降迅速减少到 22 mm 左右; G = 25 cm 时，地表沉降在17 mm左右; G = 35 cm 时，地表沉降减少到 7 mm左右。可见，同步注浆能有效控制地表沉降，沉降值随注浆层厚度增大而减少。实际施工过程中同步注浆压力会对周围土体产生一定的劈裂扩散效应，加之砂卵石地层土体粘聚力较差，等代层厚度过大，将增加土体扰动范围。结合路段施工经验和数值模拟结果，建议砂卵石地层同步注浆层厚度在 20 cm 左右。2 3覆土厚度对地表沉降的影响 城市地铁的一个重要技术问题便是确定合理埋深。盾构隧道埋深受多种因素影响，如使用条件、运营功能、工程地质、地表建筑等。一般地铁设计往往采用高站位低区间的设计模式，加之城市地铁往往穿越建筑物、河流等多种工况，因此探寻不同埋深隧道沉降规律较为重要。本文采用数值方法研究不同埋深对地表沉降的影响规律，数值模拟结果如图 7、8 所示。 由图 7、8 可以看出，当埋深 H =9 m 时，盾构开挖引起的地表沉降为 25 mm 左右; H = 12 m 时，盾构开挖引起的地表沉降小于 20 mm; H = 15 m 时，盾构开挖引起的地表沉降在 17 mm 左右; H =20 m时，盾构开挖引起的地表沉降在 15 mm 左右; H =6 m时，盾构开 挖引起的地表沉降较大，约为40 mm。故增大隧道埋深有利于减少盾构施工引起的地表沉降。总结其规律发现，当 H 15 m 时，增加埋深对地表沉降影响不大，当 H 1 5D 时，盾构施工对地表影响较大，沉降槽由 1 个过渡到 2 个，沉降最大值在隧顶附近; 地表沉降影响范围随埋深增加逐渐增大，这是由于 H 增大沿开挖面 45扩散范围更广，数值模拟趋势满足基本沉降规律。结合数值模拟结果，建议砂卵石地层隧道埋深合理值 2 25D( H = 12 15 m) 之间，最小不小于 1 5D。若隧道埋深在 1 5 2D 之间需采用严格的推进控制措施，并实时监测地表沉降。2 4隧道间净距对地表沉降的影响 地铁区间隧道一般采用盾构法施工，由于城市上部环境复杂，下部管线繁多，为了使地铁线路灵活躲避重要管线及建筑物基础，大多数隧道线路均采用双线双洞设计。双向隧道的净距、坡度，曲线半径成为盾构隧道另一个关键性控制因素。本文通过数值模拟方法，研究盾构施工在不同间距 L 的情况下，地表沉降规律及影响范围。分别取 L = 6 m、7 m、8 m、10 m 进行数值计算，模拟结果如图 9 所示。 由图 9 可知，LD 时，左右线盾构施工对地表沉降影响较大，最大沉降接近 30 mm，地表出现 2 个沉降槽，当 6 m L 7 m 时，地表沉降槽由 2 个过渡到1 个，沉降量逐渐减少; 当 L 7 m 时，增加隧道间距，盾构施工引起的最大沉降值几乎没有变化，但地表沉降槽由 1 个过渡到 2 个，虽然增加隧道间距加大了地表沉降槽影响范围，但沉降槽最大值主要影响范围变化不大，相反有助于减少隧道中心处地表沉降值。 结合数值分析结果，建议砂卵石盾构隧道间距L D。当 D = 6 m 时，7 mL10 m 较好。3结论 本文研究了盾构在不同埋深、等代层厚度、掘进压力等工况下的沉降规律，以便为设计、施工提出相关参数控制性建议。关于 ANSYS 软件在砂卵石地层的数值模拟和施工实测数据的比对检验，西南交通大学、同济大学及北京交通大学都曾做过类似研究，在把握整体性沉降规律方面 ANSYS 数值模拟可以满足精度要求，本文不做重复检验。 本文的主要结论如下: (1) 根据实际施工经验并结合数值分析结果，建议砂卵石地层条件下土仓压力设定在 0 25 0 35 MPa 之间。 ( 2) 结合路段施工经验和数值模拟结果，建议砂卵石地层同步注浆层厚度在 20 cm 左右。 ( 3) 建议砂卵石地层隧道埋深合理值为 2 2 5D( H = 12 15 m) 之间，最小不小于 15D。埋深在 15 2D 之间需采用严格的推进控制措施，并实时监测地表沉降。 ( 4) 根据数值分析结果，建议砂卵石盾构隧道间距 L D。当为标准断面 D =6 m 时，7 mL10m 较好。参考文献1 赵旭伟 砂卵石地层土压平衡盾构掘进引起的土体变形及控制方法D 长春: 吉林建筑工程学院，20102 张凤祥，朱合华，傅德明 盾构隧道M