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盾构法隧道引起的地表变形分析

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第21卷第3期岩石力学与工程学报21(3):388~392盾构法隧道引起的地表变形分析张云1殷宗泽2徐永福3(。南京大学地球科学系南京210093)《2河海大学岩土工蠢研究所南膏210098)(’上牟艟道工程股份有限公司施工技术研究所上海200233)}■蔓在分析后掏法隧道引起地表变形的原因的基础上.将盾尾空隙的太小、注浆充填的程度、隧道壁面土体受扰动的程度和范围等对地层位移有着重要影响,而在实际工程中又难于分男Ⅱ量化的因素.概化为一均质、等厚的等代层,分析了地表变形对等代层参数的敏感性.在有实测位移的情况下,可运用位移反分析法较准确地获取等代层的参数。实例分析表明,这种处理方法用于实际工程中能取得合理的、令人满意的结果.美t词盾构法隧道.三维有限元,等代层.地表变形分类号U455.43文献标讽码A文章螭号1000.6915(2002)03.0388-05一主要原因,尤其是在饱和软土地层中。可见,地1引言地表变形问题是盾构法隧道设计及可行性研究中的重要内容”J。尽管国内外盾构法隧道的施工技术日趋成熟,盾构数量逐年上升,应用的地质条件也越来越广泛,但其理论研究却明显地滞后于工程实践.盾构法施工大多仍依赖于经验,因此,加强盾构法隧道的理论研究显得十分迫切。表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深和施工条件等。实际上隧道掘进是一个三维问题,尤其是靠近开挖面前方的位移,尽管人们都认识到这一点.但要直接模拟隧道掘进产生的三维效应是非常困难的,特别是盾尾空隙、隧道壁面士体的扰动和注浆层的处理。文【2~4】用三维常量边界元分析了均质线弹性地层中的浅埋隧道在开挖面瞬间到达某一位置且隧道周边应力完全释放时,隧道轴线上方地表变形问题.该方法对盾尾空隙作了两种极端情况的处理,一种认为注浆完全充填空隙,开挖面通过后隧道周边位移不发展,地表位移完全是由于开挖面的应力释放造成的;另—种则完全忽略回填,认为土层在自然充满空隙前,土层与衬砌不接触,当土层填满空隙后。土层与衬砌接触,位移不再发展.即在计算中人为限定了隧道开挖壁面产生均匀向内的径向位移,将衬砌作为刚体处理.文【5】假定土体具有弹性.完全塑性的关系.用三维弹塑性有限元分析了加拿大安大略省的桑德贝隧道,引入总间隙参数G.反映隧道开挖面推进和隧道施工引起的地层损失,总间隙参数定义为G=u;D+棚+2A+占(1)2地表变形的原因根据盾构法隧道的施工过程和特点.盾构法隧道施工引起地表变形的基本原因可归纳为:(1)开挖面土体的移动。当隧道掘进时.开挖面土体受水平支护应力可能小于或大于原始侧压力,开挖面上前方土体会产生下沉或隆起..0)土体挤入盾尾空隙.盾构法隧道的初始衬砌脱离盾尾后,在隧道开挖壁面和衬砌外周围形成一环形空隙.土体将向这一空隙产生位移,从而引起地面沉降。(3)土体与村砌的相互作用。在周围土体压力作用下,衬砌要产生变形,同时衬砌对周围地层也产生相反方向的作用力.地层变形是土体与村砌的相互作用的综合表现。(4)改变推进方向。掘进机向上或向下倾斜,使多余的土体被挖去.盾尾空隙增大,它与施工质量有关.(5)受扰动土体的再同结是地层变形的另式中:%,为开挖面推进引起的等效三维径向位移,J为盾尾壁厚.占为拼装衬砌的空间.∞为与施工质量有关的参数。他们认为隧道周边土体自由地向2000年5月18El收到韧稿,2000年7月17日收到售改稿.作者张云简介l女,1965年生,博士.1986年毕业于南京大学水文地质工程地质专业,现为副教授.主要从事地面沉降方面的研究工作.万方数据 第21卷第3期张云等.盾构法隧道引起的地表变形分析·389·已开挖区内变形,一旦土体的径向收敛达到总间隙(2)厚度由等代层的意义可知.一般而言,参数,环状村砌单元就开始起作用,且假定土体与等代层的厚度并不等于盾尾空隙的理论值,如果隧衬砌完全接触,并达到平面应变状态.该方法中的道壁面土体较硬。不被扰动.仅向盾尾空隙产生少等效三维径向位移u二的物理意义较为含糊,且没许位移,其余空隙都被浆体充填,则等代层的厚度有考虑注浆的作用。可见.在现有的分析方法中.应略小于盾尾空隙的理论值.如果隧道壁面的土体对衬砌脱出盾尾后土体向盾尾空隙的自然充填及注较软,则当衬砌脱出盾尾后。土体迅速向盾尾空隙浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度及范移动、充满盾尾空隙.隧道壁面土体受扰动。同时,围等一直没有较好的处理方法。在压力作用下。水泥浆渗入到软土中.形成土与水在影响地表变形的各因素中,土体及衬砌材料泥浆的混合材料,考虑到软土的易扰动性且隧道壁的力学性质可以通过试验测定,舱压力在施工时可面位移较大,等代层的厚度将大于盾尾空隙的理论以人为控制,最难确定而又对地表位移有着重要影值,因此,等代层的厚度可按下式取为响的是盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注占=r/A(2)浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度和范式中:』为计算的盾尾空隙,即盾构外径与村砌外围。在实际施工中,要对它们分别进行量化是难以径之间的差值的一半(m);r/为系数。根据文【6】对达到的.为此将它们概化为一均质、等厚、弹性的150多例盾构法隧道的地表最大沉降量实测值的整等代层.如图l所示,使得用等代层替换衬砌周围实际的土层及注浆情况后地表变形保持不变。理分析结果.r/值的范围可取为0.7~2.0,对硬土层,可取其下限.对极软的土层.可取其上限。对不同土质中的盾构法隧道而言.其r/值一般可取为:硬粘士。0.7~0.9;密砂,0.9~1.3;松砂,1.3~1.8;等代层软粘土.1.6~2.0.4地裹位移对等代层参数的敏感性衬瑚分析在盾构法隧道地表位移分析中,土体的弹性非图I等代层概念线性参数可通过常规的三轴试验测定.施工过程中,Fig.1ConceptofequivalcntcirclcZOnC舱压力可以人为地加以控制.村砌的弹性参数也易于由试验获得。但由村砌周围土体受扰动作用、隧3等代层的参数取位道壁面土体向盾尾空隙的移动及注浆回填作用概化的等代层作为地层位移的主要激发因素,其参数的可以认为,等代层是隧道周围土体扰动、隧道准确取值较为困难.特别是它的厚度和弹性模量。壁面土体向盾尾空隙的移动及回填注浆作用的抽象因此,有必要分析地层位移对等代层参数变化的敏概括,对一定的地层结构条件和施工工艺而言,其感性。分析等代层参数的变化对地层位移的影响程厚度及其力学参数应该是一定的。等代层中的材料度.是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体,其组成比例由于盾构法隧道掘进的三维效应,进行地表变与土的性质、浆体材料和注浆压力等有关.可将等形的三维分析是必要的.根据前面的分析,在进行代层作为弹性材料看待,其参数包括厚度、弹性模有限元计算时假设:(1)土体的应力·应变关系符食量和泊松比。Duncan-Chang的E-v模型。0)等代层和隧道衬砌(1)弹性模量和泊松比等代层中的材料是均为弹性材料。(3)土体本身的变形与时间无关,土、水泥浆及土与水泥浆的混合体.其弹性模量应即不考虑土体的固结和蠕变作用。(4)在每一步开介于土和水泥之问,一般可参考水泥土的压缩模量挖中,衬砌一次施作到工作面.即不考虑隧道前部来取,它与土的性质、浆体材料及其组成比例等有在盾构外侧约一环宽左右长度的无盾构支护段,因关。由于泊松比的取值范围不大,其取值对地层变为这一段的长度很小,同时还受到舱压力的作用,形计算的影响有限,故可参考水泥土的泊松比,将且处于无盾构支护的时间不长,所以作这样的假设等代层的泊松比取为0.2。是可行的。(5)工作面的推进是分段连续的,即每万 方数据·390·岩石力学与工程学报一段水平距离的推进是瞬时完成的,一步推进距离的长短可根据计算的精度来确定。当盾构从位置1推进到位置2时.村砌也从位置l延伸到位置2,相应地,衬砌外周的等代层也延伸至位置2,如图2所示。在有限元模拟时,可通过单元材料参数的改变来反映衬砌和等代层的延伸.从商模拟盾构的逐步推进。住t茎替代屡2奏i歹匪睫道轴线的水平歪离/m2002包.8[村砌位11图2盾构推进Fig.2Advancingofshield计算的隧道模型参数如下:土层深度为60m,水平方向的计算宽度为80m,考虑到对称性,取其一半作计算,轴向计算长度取为50m。衬砌的材料为钢筋混凝土.考虑刚度折减系数后其弹性模量为26i!纩土体受扰动的程度及范围有关。因此,在隧道施工时要尽量避免超挖和扰动周围土体,减小等代层的厚度.以控制地表的竖向位移。地表位移与等代层的弹性模量之间不存在单调的递增或递减的关系,当等代层的弹性模量很大或很小时,地表位移较小;而当等代层的弹性模量处于中间值时.地表位移却较大。其原因在于等代层弹性模量较大时,等代层本身的变形小,对原地层的支撑作用大,使地表位移减小,当等代层弹性模量较小时.土体的侧向挤压作用使隧道拱底隆起较大.地表位移减小。从以上分析可知.输出位移的误差都比等代层参数的输入误差小,对不同参数来说,地表位移对等代层厚度误差的敏感程度要比对等代层弹性模量误差的敏感程度大得多。因此,在盾构法于隧道的有限元分析中,正确选定等代层参数是非常重要的。由于多种因素的影响,目前对等代层参数的取值还是经验的、近似的。难以准确,这必然影响到地表位移的计算精度。因此,在有实测地层位移资料时。最好利用实测地层位移对等代层参数作反分析,以取得较符合实际的计算参数。GPa,泊松比为0.167,衬砌外径为10.0m.内径为8.5m,隧道的相对埋深(衬砌拱顶到地面的距离与衬砌外径之比)为2。土体的邓肯参数为皿=O.76,置=93.1,H=0,3.G=0.34,,=O.03,D=2.5,岛=140.0,,k=0.3,妒=30.1。,C=20kPa,,=18.7kN/nP。取6种等代层不同的参数组台进行盾构法隧道的地层位移分析。占为等代层厚度。层为等代层的弹性模量,其参数组台及各组合情况计算的地层位移和相对误差列于表l中,并以组合情况(2舴为标准,其他情况与此进行比较,其中一点代表隧道中心在地表的投影点。各种参数组合情况的计算结果表示在图3.4中。从表1及图3。4中可以看到.等代层厚度对地表位移的影响甚为显著,随着等代层厚度的增加.地表位移几乎随等代层厚度的增加而线性增加。等代层厚度与施工时的压浆量和周围寰I各种坦台情况在距开挖面d处鼍面上的计算结果TablelCaleuIntingresultsofthesectionwithdistancedfromexeavRtedhce万方数据 兰三坚!——墅塑5实例分析堡墨竺:堕塑垫壁望!!童堕些塞壅兰坌堑::黄浦江(南京东路一东方明珠)行人隧道工程由浦东出入口竖井、浦西出入口竖井及圆形隧道三部分组成。圆形隧道结构采用钢筋混凝土单层衬砌,衬砌内径为6.76m,外径为7.48m,衬砌厚度为0.36m,衬砌宽度为1.2m,管片设计强度为C50,盾尾空隙的理论值为8.5cm。隧道场地的土层从上到下有:(1)表土层。为褐黄色亚粘土;(2)灰色砂质粉土,饱和、软塑.具中等压缩性;(3)灰色淤泥质粉质砂土;(4)灰色淤泥质粘土;(5)灰色粘土。各层土的主要工程地质性质指标见表2.各土层邓肯参数列于表3中。为了减少圆形隧道施工对周围环境的影响.在盾构推进过程中,对地层位移实施了施工检测。囊2场地土层的主要工藿地蜃性质指标Table2ParametersofengineeringgeologyinsiteTable4Fig.5图5黄浦江行人隧道浦东段位穆监测点布置图MonitoringpointsofdispI∞∞l∞t毗PLId∞g∞'ctionoftImpedestriantunnel囊●实一的土体分JI沉降怔Measuredsettlementatvariousdepthscm4-皂平均犀度古承量,m容重孔障比压缩系数堡堕堡苎塑堑肼,Ⅲ’ITJ”川一,/MP.“^^心_n”)将等代层的厚度和弹性模量作为反分析的参数,以该横截面实测的土体分层沉降作为反分析的土层cAPaPH。)30.I274202182263K93I152844.626447.7Rrn760750G0340j0F003002D25282m2.12lk1400依据,利用直接反分析法,可以获得该等代层的厚度为0.135m.弹性模量为1.2MPa。①@@④@20由16.011010.01500300292292700400750∞Sn1701473蚴0120250310.020.03将上述反分析参数用于同一隧道地层位移的正分析计算,计算距浦东井150m的横截面在切口距离为一30m时的地表沉降量,计算结果以虚线表示于图6中。图中的实线是该截面的实测地表沉降,从图中可知.地表沉降的计算值与实测值相当接近.说明了反分析参数的可靠性,因此在隧道施工中.根据前期施工时的位移监测值反分析所得的等代层参数可用于后期施工时地层位移的预测。图7是当开挖面推进到不同位置时.150m横截面上隧道轴线上方的地表竖向位移.当开挖面距离较远时,地表垂直位移很小,且由于舱压力的作用.土体有向上的位移,当开挖面距离较近时.土体由隆起变为下沉,当开挖面通过该截面后.土体下沉较快,显现出等代层的影响。060077在计算时,衬砌的弹性模量为34.5MPa,泊松比为0.2.刚度折减系数取O.8。盾构推进设置的正面压力为0.25~O.45MPa.划分的有限元网格有1600个单元,2106个结点。在隧道施工过程中.对地面沉降和土体的分层沉降进行了监涮,测点布置如图5所示。根据实测资料分析.选择距浦东井50m处隧道轴线上方的分层竖向位移量测结果进行参数反分析。在此处从地表开始每隔2m深度布置一个测点,其深度分别为0,2,4.6,8,10m,所采用的测量仪器是英国SOIL公司的磁性分层沉降仪.量测结果见表4。6结论万方数据 与雕递轴线的水平鹿商坷0OE48形越大.因此,在盾构推进时,尽量减小超挖和对24121620周围地层的扰动是必要的。(2)当有实测地层位移时-可运用位移反分析法较准确地获取等代层的参数,并应用于隧道后续旆工时地层变形的计算.可以取得令人满意的结果。参考文献知。喧娄瑚图6地表沉降的实涌值与预测值比较Fig.6COm肿ds∞bctl帅%m朗sll嘲andp嘲ict。dsettlementsofthegroundl黄宏伟-张牟梅詹构疆道施工引商的地表沉降及现场监控【盯岩石力学与工程学报。2001.20‘增).1814~18202HisttalcesurfmM,NekamoH,SekakilmraT,d柚Ground5Ⅲ也∞duesealements开挖蕾年商,mtO枷ddh蛐嶂li吣谢出faceIxetem《A].In:H曲叫口础S-PandeGNed№ImSymp.Nm傲蒯ModelsinGemmckettiml【q5靳3Lol由毗陆c晒娜曲树Scieaoe·1989,549~Three肪丁,}拙I■il泔^ld加r●如i幻mJ目F抽∞嘲副b∞eal删t,yztunt畸l埘v吨【A】hl,Elumtein16tem鲥oraled.ProoeedinssofhtheFourthCotffectme∞№m酬MethochGeoroJ¨mtcttCl囤7地表位穆与开挖面距离的关系Fig.7RelmionshipRottadim=A.丸Balkema一1982.2t55I~5594bc“’∞n掣unndsurfacedisp]acemezzt蛐dHiumkeM.C,toundlmfb∞settlementsduetoshieldttmr,els[A1.1Ⅱ:IehnWBuIIdLSoil.StructureIntengtion,NumedcalAmlllysis耵ldthedistanceofstudiedpointfromtheexcavatedfaceModel嗨曲qhnd啉{EtndFN·199..647~672将盾尾空隙的大小、注浆充填程度、隧道壁面士体受扰动的程度和范围等概化为均质、等厚的等5LeeKM,RoweRKAtⅧysisofn州mHⅧoll|lSronndm哪眺:她nLⅢdl,脚胁纠田钿G印鼬卫,1991,捌lh25~416代层.较客观地反映了这些因素对地表位移的综台影响,概念清楚.应用方便.分析结果表明:(1)等代层厚度对地表变形具有显著影响.而等代层的弹性横量对地表变形的影响较小,厚度越大,地表变墓田圭一从基础工程角虚看后构掘进法——地层竹抗降与挫动p】枧田荣,誓安#译雕逼译且.1955.(5)=49~63ANALySIS0NT丑REE.DIMENSIoNALGRoUNDSURE~CEDEFORMATIONSDUET0SHIELDTUNNEL.zhangYun·Y'mgZongze,XuYongfuC矗㈣elmtitwe《GeoIec‰镩lEltg}能erhIg,Hohai№№嘣1)}-N嘲}飕210098ch嘲210093(。Departmen_f盯踟^Science,NunjingUniversity,Nunfing(3InstituteofComtrUction聊枷幻w-跏口馏船fTunnelFatgirmrlngCo.‘畦,鼬删200233mxlerstandingasartCbJna)&b薯traetBasedonthe托舢ofgrounds1删fh∞deformations代训心培矗畹theequivalentcircleconstructionofsllieldtunnel,theeffectsoftheshiekltailVOid.thedegreeoffdlinggroutandthedisturbanceofsolImoundthetunnelollthegrounddeformationsamgeneralized2呲,andthedegreeofsensifivityoftheshowsthatthesurfacedeformationtoitsparametersiSalSOdiscussed.Whhthemeasureddata,theparametersofequivalentcirclezonec∞beobtained坶backinanalysisofsoildisplacement.The∞∞studyFEM,equivalentcirclepfop∞edmethodisre.onableandsatistymgKeywordsactualenginecnng·zonc.groundsurfacedeformationsshieldtoTlnel,three-dimensional万方数据 盾构法隧道引起的地表变形分析

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张云, 殷宗泽, 徐永福

张云(南京大学地球科学系,南京,210093), 殷宗泽(河海大学岩土工程研究所,南京,210098), 徐永福(上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所,上海,200233)岩石力学与工程学报

CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2002,21(3)168次

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