盾構(gòu)施工對(duì)地鐵圍巖變形的影響分析

1、盾構(gòu)施工對(duì)地鐵圍巖變形的影響分析【摘要】基于某城市地鐵2號(hào)線穿越工業(yè)廠房區(qū)引起地基變形的工程背景,簡化為實(shí)體應(yīng)變模型,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)開挖前后隧道圍巖變形進(jìn)行對(duì)比,目的是研究盾構(gòu)在開挖過程中對(duì)周圍巖體的變形影響情況。結(jié)果表明,盾構(gòu)開挖過程中隧道圍巖變形比較大,隧道中心處豎向變形情況遠(yuǎn)大于水平變形,盾構(gòu)與隧道的接觸面處的應(yīng)力高度集中且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍巖體的平均應(yīng)力?！娟P(guān)鍵詞】盾構(gòu)施工;地鐵圍巖;穩(wěn)定性分析1、盾構(gòu)施工原理及支護(hù)原理分析 盾構(gòu)即盾構(gòu)機(jī),英文名字TunelBoringMachine,它是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械,其橫斷面外形與隧道橫斷面外形相同,尺寸稍大,在掘進(jìn)過程中利用回旋刀具開

2、挖,內(nèi)藏排土機(jī)具,自身設(shè)有保護(hù)外殼,該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾,它對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用,承受周圍土層的壓力,有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。因其自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、環(huán)保及對(duì)周圍環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道開挖中。 根據(jù)盾構(gòu)隧道施工的過程和特點(diǎn),可以看出盾構(gòu)施工中對(duì)圍巖變形影響的主因素可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面: (1)開挖土體的位移; (2)土體擠入盾尾的空隙; (3)土體與襯砌的相互作用; (4)改變推進(jìn)方向; (5)受擾動(dòng)的土體再固結(jié); (6)盾構(gòu)開挖的速度等。 由于土

3、的本構(gòu)關(guān)系,決定了軟巖隧道支護(hù)與硬巖隧道支護(hù)原理不同。與軟巖相比較而言,軟巖盾構(gòu)開挖過程中,會(huì)釋放更大的有塑性變形產(chǎn)出的能量,其支護(hù)原理可以表示為 PT= PS+ PD+PR 式中:PS-工程支護(hù)力； PD-變形后轉(zhuǎn)化的力; PR-圍巖自己的支撐力。2、工程概況與計(jì)算模型地質(zhì)概況 此處為某城市地鐵施工地段,根據(jù)工作人員大量的工程勘察結(jié)果顯示,該地鐵隧道所處地段地表為人工回填松土及第四系統(tǒng)坡殘積砂粘土,下層多為泥巖、砂巖夾頁巖風(fēng)化層,屬于V級(jí)圍巖。該地段附近有很多廠房建筑物,以及公共社區(qū)服務(wù)區(qū),開挖過程中引起的土質(zhì)松動(dòng)、土體變形,可能會(huì)對(duì)地面造成一定的影響,因此盾構(gòu)開挖過程中要嚴(yán)格控制由地鐵隧道

4、圍巖變形引起的地表沉降變形,以保證施工安全和地表建筑物的正常使用。3、計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù) 該地鐵隧道埋深20m。模型取長60m,高50m,寬30m。為了既能反映盾構(gòu)推進(jìn)過程及其對(duì)圍巖的影響,又能滿足計(jì)算量的要求,避免尺寸效應(yīng)及邊界帶來的計(jì)算誤差,主要取研究模型中部30m范圍內(nèi)的盾構(gòu)開挖土。盾構(gòu)機(jī)長3m,盾構(gòu)外徑2. 41m,管片寬1m,厚0. 4m,襯砌厚度為0. 4m,在模型中考慮了盾構(gòu),隧道開挖半徑為2. 42m。 盾構(gòu)地鐵隧道開挖范圍內(nèi)的土層主要為粘土、風(fēng)化后的砂巖和砂巖夾頁巖風(fēng)化層。計(jì)算主要采用Mohr-Column彈塑性模型。4、計(jì)算方法簡介 目前,隧道引起周圍巖體變形的分析方法大致

5、可分為四類:經(jīng)驗(yàn)公式法;解析法;模型試驗(yàn)法;數(shù)值分析法。其中由于數(shù)值方法能夠考慮復(fù)雜的邊界條件,并且能夠模擬復(fù)雜的巖土介質(zhì)特性和工程的實(shí)際建造過程,已經(jīng)成為求解復(fù)雜巖土工程問題的有力工具。 ANSYS是目前比較先進(jìn)的大型數(shù)值分析軟件,具有強(qiáng)大的工程模擬功能,解決問題的范圍可從相對(duì)簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題,在各國的工業(yè)和研究所中得到廣泛的采用。本文就是采用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算,對(duì)盾構(gòu)隧道施工前后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,通過比較前后結(jié)果差異來說明開挖過程中地鐵圍巖變形的影響。具體可分為兩步： 第一步:土體未開挖前的應(yīng)力計(jì)算。未開挖前的應(yīng)力大小主要有土體自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成,由巖體長期地質(zhì)

6、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷變化,很難用數(shù)學(xué)與力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算,一般只能采用現(xiàn)場應(yīng)力測量的辦法,由于該處構(gòu)造應(yīng)力很小,可以忽略地表載荷及結(jié)構(gòu)載荷。 第二步:土體開挖過程中的應(yīng)力計(jì)算。土體是非彈性體,在盾構(gòu)開挖的過程中,受到盾構(gòu)的巨大推力作用,使周圍土體發(fā)生蠕變變形,尤其在自重應(yīng)力的影響下會(huì)發(fā)生分層變形情況。利用生死單元模擬開挖進(jìn)程,進(jìn)行線性求解。邊界條件采用位移邊界條件,兩側(cè)面和底面受法向約束,上邊界取地面為自由面,整個(gè)應(yīng)力場按重力引起的應(yīng)力場考慮。 模擬計(jì)算方法的假定: (1)土體看成均質(zhì)的各向保持同性的連續(xù)的介質(zhì); (2)只考慮由土體自重形成的初始應(yīng)力場; (3)取整個(gè)模

7、型的一半進(jìn)行研究,隧道為半圓形。5、隧道開挖后周圍巖體位移變化情況 從圖1可以看出:隧道上方產(chǎn)生向下的豎向位移,且呈層狀分布;隨著土體黏聚力的增大,隧道周圍土體的總體沉降趨勢減小,開挖引起的隧道下方土體豎向位移影響范圍明顯縮小,水平方向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移變形。這主要因?yàn)橥馏w在沒有開挖前處于自然應(yīng)力狀態(tài),并不隨著時(shí)間的累計(jì)發(fā)生位移變形,而在開挖的過程中由于受到地鐵隧道埋深、盾構(gòu)開挖斷面、各層土體的彈性模量不均、盾尾注漿、掘進(jìn)速度等綜合因素的影響,打破了原始的自然應(yīng)力狀態(tài),在隧道巖體的周圍形成新的應(yīng)力場,土體顆粒分布位置變化較大,這就導(dǎo)致了周圍巖體產(chǎn)生位移變化。 從圖2可以看出:應(yīng)力分布圖基本上

8、成梯度增加,在最底層達(dá)到最大,且上面土層較下面土層變形大。這主要因?yàn)?在沒有開挖隧道以前,土的構(gòu)造應(yīng)力很小,在忽略了土體上表面的荷載作用,只受到重力場和線性荷載作用下,土體的應(yīng)力隨著深度的增加而加大,又由于土體上部分的彈性模量比較小,下面土層彈性模量比較大,所以相對(duì)變形比較大。 從圖3、圖4可以看出:總體來看,開挖過程中周圍巖體應(yīng)力較開挖前變化比較大,并且在隧道中心軸附近處出現(xiàn)局部的應(yīng)力分布集中,特別是在盾構(gòu)機(jī)的接觸面,應(yīng)力達(dá)到很高的值,而在開挖后襯砌和注漿接觸面的應(yīng)力相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)接觸面來說,應(yīng)力分布比較小而且緩和。這主要因?yàn)槎軜?gòu)開挖過程中,對(duì)盾構(gòu)施加向前的水平軸向推進(jìn)力比較大造成的,這一應(yīng)力

9、集中情況會(huì)隨著推進(jìn)速度的變化而變化。 從路徑圖8可以看出:隨著路徑從下往上距離的增加,巖體應(yīng)力逐漸減小,基本成直線下降,主要原因是路徑離隧道開挖處的水平距離比較大,影響相對(duì)較小,只有土體自重產(chǎn)生的應(yīng)力起作用。 從路徑圖9可以看出:路徑在垂直隧道的水平方,應(yīng)力隨著由外往里距離越接近隧道,應(yīng)力越大,且在襯砌和注漿的附近處突然增加,對(duì)支護(hù)的承載能力是個(gè)巨大的考驗(yàn),有可能產(chǎn)生擠壓破壞,造成重大工程事故。 從路徑圖10可以看出:在盾構(gòu)開挖的過程中,豎向的應(yīng)力越接近盾構(gòu)機(jī)應(yīng)力變化越大,且變化范圍大,出現(xiàn)高度的應(yīng)力集中。這說明盾構(gòu)機(jī)處是一個(gè)極易破壞的地方。 從路徑圖11可以看出:在隧道開挖的圓形前方土體,隨

10、著路徑越接近盾構(gòu)機(jī),應(yīng)力變化越大,接觸面出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。這從路徑圖12也可以看出。 從路徑圖13可以看出:在注漿和襯砌的支護(hù)作用下,應(yīng)力變化比較接近一直線,且在水平方向達(dá)到兩個(gè)端點(diǎn)最大值,這主要是因?yàn)橹ёo(hù)作用下,應(yīng)力沿襯砌傳遞分布,形成一個(gè)圓狀的應(yīng)力,但是由于豎向土體的壓力就使水平方向的應(yīng)力比豎向的大。7、結(jié)論 本文通過有限元數(shù)值模擬的方法,比較了盾構(gòu)開挖前后隧道周圍巖體的位移變化情況和應(yīng)力分布變化情況,并對(duì)開挖過程中和開挖后的應(yīng)力進(jìn)行比較,得出以下結(jié)論: (1)盾構(gòu)隧道對(duì)周圍巖體的變形影響比較明顯,特別是在開挖的過程中,周圍巖體的變形比較大,盾構(gòu)機(jī)接觸面附近應(yīng)力增加比較顯著,通?？梢赃_(dá)到周圍平均應(yīng)力的四萬倍。 (2)盾構(gòu)在施工進(jìn)行中,對(duì)于已經(jīng)開挖過的巖體,隨著距離的增加而影響降低,當(dāng)距離大于四倍洞徑時(shí)影響可以忽略。 (3)注漿和襯砌支護(hù)力的存在,在很大程度上控制了巖體的變形和位移,從而改善了隧道周邊巖體的承載條件,相應(yīng)地提高了巖體自身的承載力。因此,在盾構(gòu)隧道施工中,通過改善支護(hù)條件來提高圍巖整體的穩(wěn)定性非常重要。參考文獻(xiàn)1張?jiān)?殷宗澤,徐永福.盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002, 21(3): 388-392.2李廣信.高等土力學(xué)M.北京:清華大學(xué)出版社, 2004.3張慶賀,廖少明,胡向東,楊林德.隧道與地下