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盾构掘进引起地表沉降的多因素敏感性分析

2020-05-19 来源:爱go旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com Journal ofEngineering Geology 工程地质学报 1004—9665/2007/15(05)-0689-05 盾构掘进引起地表沉降的多因素敏感性分析 安永林 彭立敏 赵 丹 (中南大学土木建筑学院长沙410075) 摘要为了研究各因素在盾构法施工中对地表沉降的影响程度,基于敏感性分析原理,针对一地铁盾构实例,选取土体弹 性模量、土仓压力、地下水等3个影响地表沉降的因素,通过变化某一基准参数,让其余影响因素固定,分析研究了盾构施工引 起地表沉降对各因素的敏感性。结果如下:弹性模量提高10%时,地表累积最大沉降量可减小15%一20%;在地下水存在的 情况下,地表沉降显著增大;而对于砂性土而言,土仓压力越高地表沉降值略有增加。研究结果表明:地表沉降对穿越地层的 弹性模量和地下水比较敏感,而对土仓压力敏感性较小。 关键词 敏感性盾构法隧道施工地表沉降弹性模量土仓压力 地下水 中图分类号:TU455.43 文献标识码:A SENSITⅣITY ANALYSIS OF FACTORS AFFACTING GRoUND SETTLE. MENT DUIUNG SHⅡ LD TUNNELING AN Yonglin PENG Limin ZHAO Dan (College of Civil Engineering and Architecture。Central s0 ^University。Changsha 410075) Abstract Using the sensitivity analysis theory,elasticity of soil layer,pressure of soil storehouse and underground water aye selected to be the sensitivity factors in a shield tunneling for a underground railway project.Furthermore, sensibility to the influential factors of ground settlement is analyzed by varying one parameter and keeping the other two factors constant.The theoretical results show that when the elastic modulus increases 10%,the total ground settlement will decrease 15%一20%,and it will evidently increase if the groundwater is encountered.Thus,we have to take the influence of groundwater into accountin the analysis.By contrast,ground settlement increases a lit— ite as the pressure of soil storehouse increases.Results shows that the settlement is much more sensitive to the elas— tic modulus and the groundwater and less sensitive to the pressure of soil storehouse. Key words Sensitivity,Shield tunneling,Ground settlement,Elastic modulus,Soil pressure,Groundwater,Case study 全、对周围环境影响小等优点,盾构法已成为我国城 弓 口 市地铁隧道建设中一种重要的施工方法 卜 。 盾构掘进引起地表沉降是一个很重要的课题, 盾构是暗挖法修建隧道的大型综合性工具。在 研究的理论意义和实际意义(如管线、房屋的安全 松软不稳定地层,特别是流砂、涌水地段采用盾构法 性)都非常重大,因此,一直深受国内、外相关科研 修建隧道是安全有效的方法。又因其施工快速、安 工作者和工程人员的重视,研究成果也非常丰 收稿日期:2006—11—20;收到修改稿日期:2007-03-02. 第一作者简介:安永林,主要从事隧道与地下工程结构方面的研究.Email:anyongling@yahoo.conr.ca 维普资讯 http://www.cqvip.com Journal ofEngineering Geology工程地质学报2007 富 J:美国R.B.Peck通过对大量的地表沉降数 据和工程资料分析后,首先提出地表沉降槽近似呈 正态分布,即Peck沉降曲线;随后英国的Clough、 Schmidt及w.J.Rankin对Peck的沉降曲线进行了 相应的修正;我国的刘建航提出了”欠地层损失”概 念,同济大学的候学渊考虑了时效(土体扰动后的 固结),也分别对Peck的沉降曲线进行了相应的修 正;徐方京提出了土压平衡盾构的地表沉降的经验 公式;刘宝琛、阳军生、施成华等人应用随机介质理 论研究盾构法施工引起的地表沉降等。 但是以上的研究,很少有针对与引起地表沉降 的相关因素进行分析。众所周知,盾构掘进引起的 地表沉降不仅与盾构形式、盾尾间隙、地层条件、辅 助施工方法有关,还与隧道直径、埋深等因素有关, 甚至还与土体的应力历史、应力水平、土体的饱和度 有关。本文以盾构法隧道施工南京某地铁段为工程 压力进行了敏感性分析,结果表明,地表沉降对地层 弹性模量、地下水位比较敏感。 2工程概况 南京地铁许府巷站~南京站站区间YKI2+670 ~YKI3+300段,覆土厚8—13m,下穿南汽房屋建 筑群、中央路、古城墙等。隧道主要穿越粉土、粉砂 夹细砂、粉细砂等地层。其中:区间范围内土层层次 多,分布很不均匀,土质差异亦很大。上覆地层中~ 稍密粉土、松散~稍密粉砂夹细砂、中密粉土及中密 粉砂夹细砂层,该段盾构隧道所通过的主要含水地 层为饱和粉土和松散粉砂夹细砂,地下水非常丰富 (表I)。盾构盾壳外径为6340mm,刀盘外径 6400mm,衬砌管片环外径6.2m,内径5.5m,管片宽 I.2m,厚0.35m。 实例,对影响地表沉降的几个因素:弹性模量、土仓 表1盾构施工地层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical properties of soils at the site 件对计算结果产生的不利影响,计算模型的边界范 3计算模型的建立 3.I计算模型的边界 实践和理论分析均表明:隧道开挖仅对一定的 有限范围内的围岩产生较明显的影响,在距开挖部 围在各个方向上均取大于三倍的洞跨。计算域在水 平方向上,左右各取距盾构中心为5 D(D为盾构直 径);竖直方向上,向下取3D,向上取至地面。并 且,左边界和右边界设为水平方向的位移为零,上边 界(地表)设为自由边界,下边界设为竖向位移为 零。 位较远一些的地方,其应力及位移变化很小,在3倍 跨度处的应力变化一般在10%以下,在5倍跨度处 般在3%以下 J。显然,这样微小的变化对工程 一3.2计算模型的简化 管片脱离盾尾后,在隧道开挖壁面和管片外形 设计来说并无实际意义。所以,有限元分析的区域 成一环形间隙,土体将向这一间隙产生位移;注浆时 浆液填充空隙并向土体内渗入随后逐渐硬结。这一 交互作用将形成土、水泥浆及土与水泥浆的混和体, 其组成比例与土的性质、浆体材料和注浆压力、注浆 可确定在这个范围内(3~5倍洞跨),在这个范围的 边界上可认为因开挖引起的位移为零,或者开挖不 引起应力的变化。为减小有限元模型中边界约束条 维普资讯 http://www.cqvip.com 15(5) 安永林等:盾构掘进引起地表沉降的多因素敏感性分析 量等有关。在实际施工中,要对其进行量化非常困 难。为此,将它概化为一均质、等厚、弹性的等代 层 ¨ ,并以此来模拟注浆压力及盾尾间隙的作用 (图1)。 图1等代层示意 Fig.1 Sketch diagram for equivalent layer 本文取等代层厚度10 cm,等代层的弹性模量依 照文献[8]取为E=5.95MPa。模拟盾构机施工时, 在开挖面前方施加一定的均布力作为土仓压力。开 挖按每环1.5m推进。 由于施工后的隧道在地体内部重新形成边界, 土体中原应力场发生变化,导致地层产生位移。地 层位移不仅取决于土层的物理力学性质,同时取决 于施工方法及施工过程。进行地表沉降预测时,必 须考虑土层参数、盾构机工作面压力、盾尾间隙、衬 砌管片环刚度、注浆体的力学参数等影响 。。。考虑 到该地铁段穿越的多为砂土,粉砂地层,固结沉降时 间一般为3—5d。因此可认为在施工期间土层已基 本稳定,在本例数值模拟计算中可忽略土层的蠕变 性。 4计算结果及分析 4.1 土层弹性模量参数E对地表沉降的影响 为研究土层弹性模量E对地表沉降的影响,考 虑了2种计算工况:(1)盾构机穿越土层的实际弹 性模量E;(2)土体弹性模量值提高10%(图2,图 3)。 从图2和图3分析可知,仅看垂直位移时,在实 际施工中和模拟计算中,地面沉降在垂直隧道轴线 的横断面上大致呈正态分布曲线,这和Peck的沉降 槽理论一致。按土层资料实际弹性模量E计算出 的地表横断面沉降值与实测值相比:实测值隧道中 心线上方地表沉降最大值为14.4mm,对应的计算 距轴线的距离/m 0 3 、曼-6 岫 萎_9 甜: 蝉12 15 坞 图2不同土体弹性模量的地表横断面 沉降曲线比较 Fig.2 Comparison of ground settlement curves ofr diferent elastic modulUS 距轴线的距离/m 0 3~ 逞 一6 娄一。 蠢一12 l5 18 图3实测地表横断面沉降曲线 Fig.3 Measured ground settlement CU ̄eS laong a horizontal line 值为16.2mm。当土层资料弹性模量E提高10% 后,地表最大沉降为11.8mm,与实测值及原E值相 比分别减小18%和15%。但实测的地表沉降稳定 较快。在距盾构中心20m处地表沉降几乎为零,而 在模拟计算中还有1.5—2mm沉降。分析其原因, 可能与实际情况中土体产生摩阻力,会减小施工引 起的扰动传播有关。 由此可见,数值计算能有效的模拟盾构施工,对 后期施工起到一定的预测作用。从计算结果可知, 地层弹性模量对地表沉降有显著影响。由于超挖造 成土体损失使隧道与衬砌之间产生空隙,在软粘土 中空隙会被周围土体及时回填,引起地层运动,产生 瞬时沉降。若适时改善土层性质,减小土层孔隙率, 即提高土粒骨架的变形系数,数值上表现为提高 E,从而能有效控制地表最大沉降。 4.2盾构推进时土仓压力对地表沉降影响 土仓压力是盾构推进时,由于平衡盾构顶进时 前方地层对盾构机产生了反作用力而产生的。因此 对开挖前方的土体施以法向支护力来模拟土仓压 维普资讯 http://www.cqvip.com

力。考虑了3种计算工况:(1)按隧道所处实际埋 深在开挖面前方施加了与土压数值相等的支护力 (本模型中隧道中心处约为0.27MPa);(2)降低土 仓压力至情况1的0.8倍,即土仓压力为0.20MPa; (3)提高土仓压力值至前方土压力的1.8—2.0倍, 即土仓压力值为0.35MPa(图4)。 距轴线的距离/m 0 3 _6 ■ 娄-9 躲 艇12 15 18 图4不同土仓压力值下的地表沉降曲线 Fig.4 Comparison of ground setltement curves for diferent pressures of soil storehouse 从数值结果来看,地表沉降值随土仓压力提高 而增长。与土层参数相比,土仓压力对地表沉降的 影响并不如土层弹性模量敏感:当土仓压力提高一 陪时,最大地表沉降增加3.83%。在本工程地质状 况下,由于隧道处的地层为粉细砂层,砂土的沉降增 量及扩展速度的最大值出现在隧道顶部,盾构周围 的土体局部塌落。土仓压力来不及向地表挤出便向 开挖面前方流动,导致地表下沉而不是隆起。若位 于粘聚力较高的粘土层时,则此时过大的土仑压力 值会导致地表迅速隆起。因此施工时土仑压力设置 不宜过高。 4.3地下水位对地表沉降影响 当地层处于地下水位线下时,由于地下水产生 浮力,土体的有效应力将减小,土体的抗剪强度也减 小,土体更易发生剪切破坏。本工程实例中大多数 地层地下水位线均位于地表下0.5—2m。为比较地 下水位线对地表沉降产生的影响,考虑了2种计算 工况:(1)考虑地下水位,(2)不加地下水位。模拟 计算结果如图5。 从图5分析可知:地表沉降与地下水位存在与 否差别较大:不考虑地下水时最大地表沉降值仅为 考虑地下水时的48.15%。在本盾构地铁工程中, 差不多整个地层都处于地下水位线下。数值模拟结 果显示,考虑地下水位后实际地表沉降值与真实值 Journal ofEngineering Geology工程地质学报2007 距轴线的距离, 0 3 5 ■ 赛一歙 。 峰12 15 18 图5有无地下水时的地表沉降曲线比较 Fig.5 Comparison of ground settlement curves between rgound condition with or without groundwater 更接近,因此地下水也是影响地表沉降的一个重要 因素。在数值模拟计算中,应该加以考虑。在有地 下水存在的情况下,地表沉降值明显增大。 5结论 (1)地表沉降对穿越地层的弹性模量参数比较 敏感:弹性模量提高10%时,地表累积最大沉降量 可减小15%一20%。 (2)在地下水存在的情况下,地表的沉降显著 增大,因此数值模拟计算时,应根据工程的实际情况 考虑地下水的影响。 (3)土仓压力对地表沉降的影响不如前两者明 显,对于砂性土而言,土仓压力越高地表沉降值略有 增加。 本文仅对盾构掘进引起地表沉降的几个因素进 行了研究,而且还没有考虑各因素之间的相互影响, 有一定的不足之处。另外,也只考虑了静水压力,没 有考虑土体的渗透性。如何将上述考虑进去,很值 得去研究。我国用盾构修建的地铁较多,如何把各 个地方的地表沉降规律用数学的方法去整合,得到 适合我国的盾构法施工引起地表沉降的经验公式, 或预测公式等,也是很有价值的研究课题,因为目前 很多都是针对具体的工程实例,少了一定的通用性。 参考文献 [1]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社, 1991. Liu Jianhang,Hou Xueyuan.Shielding tunne1.Beijing:China Railway Press,1991. [2] 王梦恕.21世纪我国隧道及地下空间发展的探讨[J].铁道科 学与工程学报,2004,1(1),7—9. Wang Mengshu.Development of tunnel and underground space in 维普资讯 http://www.cqvip.com

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