軟土盾構(gòu)隧道縱向沉降的三維有限元分析

軟土盾構(gòu)隧道縱向沉降的三維有限元分析

目前，軟土隧道通常采用結(jié)構(gòu)法進(jìn)行建設(shè)，長期沉降非常顯著。通過對大量隧道長期沉降數(shù)據(jù)的研究，得出以下結(jié)論：在正常情況下，隧道的長期沉降占總沉降時間的30%90%，并已得到證明?！渡虾５鼗ㄔO(shè)規(guī)范》提出，結(jié)構(gòu)隧道垂直沉降的影響不容忽視，尤其是隧道底部土層特征的層壓結(jié)構(gòu)變化和覆土厚度急劇下降。隧道縱向速度的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隧道縱向變形的結(jié)構(gòu)性能和計算模型也是許多科學(xué)家的研究重點(diǎn)。有限單元法作為一種通用的結(jié)構(gòu)分析方法,已經(jīng)成為研究分析隧道縱向結(jié)構(gòu)性能的主要手段之一.AKAQI等采用二維、三維有限元研究土體開挖時隧道縱向問題;同濟(jì)大學(xué)的胡堅應(yīng)用SUPERSAP91程序分析了盾構(gòu)平行推進(jìn)、立體交叉推進(jìn)等情況下隧道縱向位移和應(yīng)力的空間分布規(guī)律;黃鐘暉運(yùn)用三維有限元對拼裝襯砌的環(huán)間剪切力的傳遞規(guī)律進(jìn)行了分析;張鳳祥等運(yùn)用MARC大型三維有限元分析系統(tǒng),分析了不同工況下盾構(gòu)襯砌的受力和變形,并計算出了盾構(gòu)襯砌的縱向接縫張開量;張志強(qiáng)建立了模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道的三維有限元力學(xué)模型,獲得了隨盾構(gòu)推進(jìn)引起的地表沉降、隆起等變形以及隧道圍巖、管片的變形規(guī)律.盡管以上研究都取得了較好的成果,但如何準(zhǔn)確模擬隧道在使用階段的縱向變形仍然是目前研究的難點(diǎn),本文利用摩爾-庫倫準(zhǔn)則確定土的本構(gòu)關(guān)系,用ADINA建立三維隧道模型,對局部均勻荷載作用下的隧道變形進(jìn)行了數(shù)值分析,更好地為研究隧道的縱向沉降提供參考.1模型的構(gòu)建1.1材料的均質(zhì)、相向性體對計算模型進(jìn)行如下假設(shè):1)土體為理想彈塑性體,同一層土體為均質(zhì)、各向同性體,周圍土體用摩爾-庫侖材料模擬,混凝土為線性材料;2)巖體的初始應(yīng)力場僅考慮其自重應(yīng)力,不考慮構(gòu)造應(yīng)力;3)計算中不考慮隧道襯砌與土體的脫離現(xiàn)象,認(rèn)為它們始終是協(xié)調(diào)變形的.1.2面周圍巖土體的位移由圣維南原理可知,研究斷面離開挖面越遠(yuǎn),隧道開挖對研究斷面周圍巖土體的影響越小,因此建立有限元模型時只分析一個有限的區(qū)域即可.實(shí)踐證明,在進(jìn)行有限元分析時,當(dāng)計算范圍為開挖范圍的3～5倍時,認(rèn)為由開挖引起的土體位移值為零.1.3模型的選擇由于摩爾-庫倫準(zhǔn)則物理概念簡單,參數(shù)少,且較為符合巖土和混凝土材料的屈服和破壞特征,因此本文采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則.1.4土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)某隧道處于灰色淤泥質(zhì)黏土地層中,隧道結(jié)構(gòu)外徑6.2m,內(nèi)徑5.5m,管片混凝土等級為C50,隧道中心埋深為12.0m.土體及結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1.1.5隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在有限元計算中,采用3D-Solid八節(jié)點(diǎn)等參單元來模擬巖體;采用四節(jié)點(diǎn)殼單元模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu).模型上邊界為自由邊界,其他均為約束邊界.其中四周受水平方向約束,底部為豎向約束.整個計算模型在X、Y、Z三個方向尺寸為100m×40m×35m,整個模型有21900個實(shí)體單元和2000個殼單元.三維模型、支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示.2垂直沉降分析的下層性質(zhì)變化2.1下臥土層彈性模量對沉降的影響在地表范圍作用均布荷載為50kPa時,隧道縱向剛度不進(jìn)行折減.將下臥土層的彈性模量E分別取為10、15、20、25、30MPa,其他參數(shù)同算例.取隧道計算長度中心為原點(diǎn),隧道到原點(diǎn)的距離用r表示,隧道縱向沉降用s表示,隧道最大沉降用smax表示,荷載集度用q表示,以下表述相同.當(dāng)下臥土層的彈性模量不同時,隧道的縱向沉降曲線如圖2所示.由圖2可知,當(dāng)隧道上覆土層表面大范圍作用均布荷載時,如果下臥土層性質(zhì)一致,則隧道縱向沉降值相等,且隨著下臥土層彈性模量的增大,沉降值逐漸減小.另外可以發(fā)現(xiàn),隨著土層彈性模量增大,彈性模量差值相同時,隧道沉降差值減小,說明隨著土層彈性模量的增加,彈性模量對隧道沉降影響逐漸減小.2.2軟土區(qū)域縱向長度l如果地層性質(zhì)相同,則在荷載作用下隧道發(fā)生整體均勻沉降,常見病害將大大減少.但實(shí)際工程中隧道穿越的地層往往是不均勻的,下臥土層中會經(jīng)常出現(xiàn)軟弱夾層,導(dǎo)致隧道產(chǎn)生不均勻沉降、局部出現(xiàn)應(yīng)力集中,產(chǎn)生極為不利的影響.當(dāng)隧道穿越局部軟弱土層時,如圖3所示(其中E1、E分別表示土層、軟弱夾層的彈性模量,L為軟弱夾層的長度).以軟土區(qū)域中心為原點(diǎn),x軸表示隧道的縱向方向,z軸表示隧道的豎直方向.在地表作用均布荷載為50kPa,軟土區(qū)域縱向長度L=6m,下臥土層硬土區(qū)域的彈性模量E1=30MPa,軟土區(qū)域的彈性模量E分別取為5、10、15、20、30MPa,隧道縱向剛度不進(jìn)行折減,其他參數(shù)同基本算例.下臥土層中軟土夾層的彈性模量變化時,隧道縱向沉降曲線如圖4所示,沉降最大值與彈性模量之間的關(guān)系如圖5所示.由圖4、5可知,當(dāng)隧道穿越軟弱土層時,隨著軟弱土層彈性模量E的減小,隧道沉降值增大;隨著E1和E值的接近,隧道沉降影響范圍逐漸減小.在均布荷載作用下,軟弱夾層彈性模量E與隧道縱向最大沉降值呈線性關(guān)系.當(dāng)軟土夾層縱向長度發(fā)生變化時,隧道的縱向沉降曲線如圖6所示.從圖6可以看出,當(dāng)軟土夾層縱向越長,隧道的沉降值越大,且隧道所受影響范圍越明顯.當(dāng)軟土夾層的彈性模量過小或者長度過長時,隧道沉降值將超過允許沉降值,應(yīng)通過理論計算得出隧道縱向變形值,然后采取相應(yīng)的工程措施來控制其變形.3隧道垂直沉降分析是在當(dāng)?shù)鼐鶆虿贾秘?fù)荷變化期間進(jìn)行的3.1隧道縱向沉降分別取荷載集度為1000、2000、3000、4000kN/m,分析荷載集度變化對軟土盾構(gòu)隧道縱向沉降產(chǎn)生的影響.局部荷載作用在隧道中間區(qū)域,寬度為20m,隧道縱向剛度有效率取1/20,隧道的縱向沉降曲線如圖7所示.隧道縱向最大沉降值和地表作用的荷載之間的關(guān)系如圖8所示.由圖7、8可知,當(dāng)局部荷載作用在隧道上方時,隧道所產(chǎn)生的縱向沉降曲線關(guān)于荷載中心對稱分布,當(dāng)荷載集度的作用寬度一定時,荷載集度的變化僅影響隧道沉降值的大小,不影響隧道的沉降范圍,隨著荷載的增大,沉降范圍內(nèi)各橫截面上的沉降值也逐漸增大,并且隧道縱向最大沉降值與作用的均布荷載集度大小呈線性關(guān)系.3.2不同局部荷載作用寬度和長度對沉降值的影響圖9為荷載作用寬度為40m、長度分別為6、18、30m時隧道的縱向沉降曲線,圖10為荷載作用長度為6m、寬度分別為20、40m時隧道的縱向沉降曲線.由圖9、10可知,當(dāng)局部荷載作用寬度一定時,隧道整體的沉降范圍基本一致,約為荷載作用寬度的1.5倍,作用長度僅影響隧道沉降值的大小,隨著作用長度的增加,隧道沉降值不斷增大;而當(dāng)作用長度一定時,隨著寬度的增加,隧道整體沉降范圍逐漸縮小,但沉降值不斷增大.同時,當(dāng)隧道上方的均布荷載作用范圍超過隧道直徑后,隧道在縱向產(chǎn)生沉降和隆起,隆起值受作用寬度的影響大于作用長度.相比作用長度,局部荷載的作用寬度是影響隧道產(chǎn)生不均勻沉降的主要因素,在隧道的施工和運(yùn)營階段,應(yīng)當(dāng)避免在隧道上方作用大范圍荷載.4土層厚度和作用長度對隧道沉降的影響1)下臥土層的性質(zhì)直接影響隧道縱向沉降特性,隧道沉降值隨著下臥土層彈性模量增大而減小,且隨著土層彈性模量的增加,彈性模量的影響逐漸減小.2)非均勻的下臥土層是導(dǎo)致隧道產(chǎn)生縱向不均勻沉降的主要原因之一,隧道的縱向沉降隨著軟弱夾層彈性模量的減小、長度的增加而增加,沉降最大值與軟弱夾層的彈性模量呈線性關(guān)系;軟弱夾