盾构施工在不同推进压力下对地表沉降的影响

文章编号:１００８－１４０２(２０１８)０４－０５０１－０３

Ｖｏｌ.３６Ｊｕｌｙ　Ｎｏ.４２０１８

盾构施工在不同推进压力下对地表沉降的影响

方　洁ꎬ　席培胜ꎬ　王　枫ꎬ　朱荣军ꎬ　沈　晨

(安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心ꎬ安徽合肥２３０６０１)

①

摘　要:　盾构法隧道施工在地铁建设中的应用越来越广泛ꎬ推进压力作为影响盾构施工对地表沉降影响的因素之一ꎬ需要进行合理控制ꎮ使用ＭＩＤＡＳ/ＧＩＳ软件对合肥某盾构隧道区间施工进行了数值模拟ꎬ通过控制施工过程中推进力的变化ꎬ分析在不同推进力的条件下周围地表的沉降ꎮ由此得出结论:推进压力的大小在合理范围内对地表沉降的影响有一定的规律ꎬ在一定范围内推进压力越大ꎬ地表沉降越小ꎮ运用此规律可以为后续盾构施工工程减小地表沉降提供参考ꎮ关键词:　盾构施工ꎻ推进压力ꎻ地表沉降ꎻ数值模拟中图分类号:　Ｕ４５５.４３ꎻＴＵ４３３　　　　文献标识码:　Ａ

０　引　言

随着城市地下空间的开发利用规模的不断扩

８ｍ)ꎬ③硬塑状粘土(８~２３ｍ)ꎬ④粉质粘土(２３~

为５层ꎬ①人工填土(０~２ｍ)ꎬ②可塑状粘土(２~

大ꎬ地下空间的利用也有效解决了城市人口密度不断增长带来的地面空间紧张问题ꎬ同时也是促进城市发展、加强环境保护的有效措施高精度等优势而被广泛应用

[２]

[１]

２６ｍ)ꎬ⑤全风化泥质砂岩(２６~３０ｍ)ꎮ区间隧道设计成圆形隧道ꎬ隧道外径为６ｍꎬ内径为５.４ｍꎬ管片厚度为０.３ｍꎮ盾构机机长７.９８ｍꎬ外径为６.

表１　地层情况

厚度(ｍ)２６３４

粘聚力ｃ(ｋＰａ)２８.９３９.１６２.３３４.４４０.４２００００４２００

在城市地铁隧道施工中以其特有的快速、高质量、不可避免的对地表沉降产生影响ꎬ沉降较大时还会危及周围建筑物安全ꎬ引发一些岩土工程问题

[３]

ꎮ而盾构法

２８ｍꎮ模型采用的地层及其一些参数如表１:

地层编号１２３４５６７

材料名称人工填土

内摩擦角φ(ꎮ)１６.５１７.５１４.３２１.１６３５０１４

ꎮ但盾构法施工又

压缩模量Ｅｓ(ＭＰａ)３.８１５.５１０.２３５０００９.５７.８

因此ꎬ在开挖隧道时ꎬ要采取有效措施来减小地表沉降ꎬ避免对地面建筑物造成损害ꎬ使生态环境恶化[４]ꎮ随着科学技术的发展ꎬ数值模拟分析法已经成为研究岩土工程问题的重要方法ꎬ为深入了解盾构施工以及地层变形ꎬ利用数值模拟软件对施工过程进行三维模拟十分必要

[５]

ꎮ

可塑状粘土硬塑状粘土粉质粘土砂岩管片

１５

针对合肥某地下工程ꎬ借助ＭＩＤＡＳ/ＧＩＳ软件ꎬ研究通过控制施工过程中推进力的变化ꎬ讨论推进力的不同对周围地表沉降的影响ꎬ根据其影响规律对盾构隧道施工提出相关建议ꎬ以使地表沉降减小到最低ꎮ

ꎮ

盾构外壳０.０５

０.３

２７００００

２　

根据盾构区间的地质条件、隧道埋深以及周边

计算模型的建立

１　工程概况

３０ｍꎬ在模拟过程中ꎬ盾构掘进的长度对计算结果

环境为建立计算模型ꎬ岩土体尺寸为６０ｍ×５０ｍ×

会有一定影响ꎬ综合考虑ꎬ盾构施工过程分２５步来模拟ꎬ每步掘进４ｍꎻｚ轴负方向为重力方向ꎬ岩土体厚度为３０ꎬ所建模型共划分１７７９２个单元ꎬ９００９

１５ｍꎮ盾构区间的地质条件按岩性及工程特性分

①

合肥地铁某区间盾构隧道ꎬ开挖轴线距离地面

收稿日期:２０１８－０５－１６

基金项目:安徽高等学校自然科学研究项目的阶段性研究成果(ＫＪ２０１５Ａ０４６)ꎮ

作者简介:方洁(１９９３－)ꎬ女ꎬ安徽铜陵人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:地下结构计算理论与应用ꎮ

５０２

佳木斯大学学报(自然科学版)２０１８年

个节点ꎮ盾构机在硬塑状粘土层中掘进ꎬｙ轴正向为盾构掘进方向ꎮ具体模型见下图:

图１　计算模型

图２　计算模型正面

图３　核心土

图４　

ｙ＝２５ｍ处断面地表横向沉降对比图

图５　推进压力３００ｋＮ时土层位移云图

边界条件:①侧面:水平方向施加约束ꎻ②底部:垂直方向施加约束ꎻ③上表面:地表ꎬ设定为自由边界ꎮ

图６　推进压力４００ｋＮ时土层位移云图

图７　推进压力５００ｋＮ时土层位移云图

图８　推进压力６００ｋＮ时土层位移云图

图９　不同推进压力下隧道中心线地表沉降变化曲线

图１０　

ｙ＝２５ｍ断面在不同推进压力条件下的横向沉降槽曲线

整个模型采用四面体混合方式进行网格划分ꎬ其中管片和盾构机外壳采用平面网格单元ꎬ模型的土体部分以３ｍ为网格尺寸进行划分ꎬ土体核心部分以１ｍ为网格尺寸进行划分ꎮ管片和盾构机外

第４期方　洁ꎬ等:盾构施工在不同推进压力下对地表沉降的影响

５０３

壳部分以１ｍ为网格尺寸进行划分ꎬ土体的塑性破坏模型采用了修正－摩尔库伦准则ꎬ考虑地下水的影响ꎬ具体计算参数见表１ꎮ

３　

取ｙ＝２５ｍ断面处用此模型模拟的横向地表沉降结果与工程实测结果进行对比ꎬ对比图如图４所示ꎮ

由图４可知ꎬ模拟结果与实测结果曲线大致走向一致ꎬ最大沉降差值也在合理的范围内ꎬ因此此模型是合理的ꎬ可以运用此模型进行分析ꎮ

采用控制变量法在模拟过程中分别对计算模型施加３００ｋＮ、４００ｋＮ、５００ｋＮ、６００ｋＮ的推进压力ꎬ进行对比分析ꎮ模拟计算的结果如图５－图１０ꎮ(统一取盾构机推进５０ｍ时的地层位移云图)

由图５－图８可知以看出ꎬ沿开挖方向地表沉降呈现增大趋势ꎬ曲线变化率较小ꎮ推进压力是影响施工土层的纵向位移关键因素之一ꎮ由图９－图１０可知ꎬ在盾构法隧道施工过程的模拟中ꎬ推进压力达３００ｋＮ时ꎬ土体纵向变形发生较大变化ꎬ推进压力达６００ｋＮ时ꎬ土体纵向变形发生的变化不及推进压力达３００ｋＮ时ꎮ且地表沉降随着推进压力增大而减小ꎮ

综合考虑ꎬ区间采用５００ｋＮ的推进压力较更为合适ꎮ当推进压力为５００ｋＮ时ꎬ土体的横向变形、纵向变形和隧道周围土体稳定性均呈现出较为良好的状态ꎬ故而区间采用５００ｋＮ的推进压力ꎮ但是ꎬ在盾构法隧道施工过程中ꎬ盾构机掘进时若只考虑通过控制掘进力来控制地表沉降也过于单一ꎮ因为当推进压力达到一定值时ꎬ开挖在隧道掘进的过程中尾盾向前离开衬砌时产生的沉降是整个掘进过程中最大的ꎬ此推进压力在盾构面上施加

计算结果分析

的应力大于开挖面土体释放的应力时ꎬ地表即出现隆起情况ꎮ虽然模拟由于推进压力选取合适而未出现地表隆起ꎬ但从位移云图中依然可以看出ꎬ隧道横断面处拱顶的土体沉降量达到最大ꎮ沉降值随着当土体深度的减少而减少ꎬ且土体隆起值在隧道拱底处达到最大ꎬ随着土体深度增大ꎬ隧道拱底处达到的最大值亦会随之减少ꎮ

４　结　语

通过控制施工过程中推进力的变化ꎬ讨论推进力的不同对周围地表沉降的影响ꎬ并根据软件模拟的结果ꎬ得出以下结论:

ａ)推进压力是影响地表沉降的关键因素ꎬ可通过控制推进压力减少土体的扰动ꎬ从而避免地表过大的变形ꎻ

ｂ)不同的推进压力作用下ꎬ地表的沉降都是沿隧道中心线对称分布的ꎬ且隧道中心部分沉降量最大ꎻ

ｃ)盾构推进压力越大ꎬ地表沉降值越小ꎬ但当推进压力超过一定限度时ꎬ则有可能会造成地表隆起变形ꎮ参考文献:

[１]　李曙光.ＥＰＢ盾构法隧道施工引起的地表沉降分析与数值[２]　刘建航ꎬ侯学渊.盾构法隧道[Ｍ].北京:中国铁道出版社ꎬ[３]　于宁ꎬ朱合华.盾构隧道施工地表变形分析与三维有限元模[４]　刘天泉ꎬ钱七虎.城市地下岩土工程技术发展动向[Ｊ].煤炭[５]　邱明明ꎬ姜安龙.城市地铁盾构施工地层变形三维数值模拟

分析[Ｊ].防灾减灾工程学报ꎬ２０１４ꎬ３４(２):１６１－１６７.科学技术ꎬ１９９９ꎬ２７(１):１－５.

拟[Ｊ].岩土力学ꎬ２００４ꎬ２５(８):１３３０－１３３４.１９９１.

模拟[Ｄ].长沙:中南大学ꎬ２００６.

Ａｂｓｔｒａｃｔ:　Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｕｂｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅ.Ａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬｔｈｅａｄｖａｎｃｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｎｅｅｄｓｔｏｂｅｒｅａｓｏｎａｂｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ.ＴｈｅｐａｐｅｒｕｓｅｄＭＩＤＡＳ/ＧＩＳｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａｃｅｒｔａｉｎｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎＨｅｆｅｉ.Ｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｆｏｒｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｇｒｏｕｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｆｏｒｃｅｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｉｔｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｒｕｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｉｎａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｒａｎｇｅｈａｓｃｅｒｔａｉｎｒｕｌｅｓ.Ｉｎａｃｅｒｔａｉｎｒａｎｇｅꎬｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｇｒｅａｔｅｒａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｓｓｍａｌｌｅｒ.Ｕｓｉｎｇｔｈｉｓｌａｗｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｏｒｋｔｏｒｅｄｕｃｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:　ｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎻｄｒｉｖｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅꎻｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

(ＡｎｈｕｉＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒꎬＨｅｆｅｉ２３０６０１ꎬＣｈｉｎａ)

ＦＡＮＧＪｉｅꎬ　ＸＩＰｅｉ－ｓｈｅｎｇꎬ　ＷＡＮＧＦｅｎｇꎬ　ＺＨＵＲｏｎｇ－ｊｕｎꎬ　ＳＨＥＮＣｈｅｎ

ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｎＳｕｒｆａｃｅＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＰｒｅｓｓｕｒｅ