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盾构施工对软土地层地表沉降及管片的影响分析

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


盾构施工对软土地层地表沉降及管片的影响分析
崔 蓬 勃
S
陈 晶 晶
S
丁 謇
2
( 1 .江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 能 源 与 交 通 工 程 学 院 ,江 苏 徐 州 221116;
2.无 锡 地 铁 集 团 有 限 公 司 ,江 苏 无 锡 214131)
摘 要 :为 了 研 究 盾 构 施 工 对 软 土 地 层 地 表 沉 降 及 管 片 受 力 的 影 响 ,以 无 锡 地 铁 2 号线隧道穿越
“软 流 塑 状 淤 泥 质 粉 质 黏 土 及 粉 砂 地 层 ”为 工 程 案 例 ,采 用 P e c k 法 和 有 限 元 法 进 行 计 算 分 析 ,对
盾 构 始 发 段 施 工 的 力 学 响 应 进 行 研 究 ,准 确 分 析 了 盾 构 施 工 对 软 土 地 层 地 表 沉 降 及 管 片 受 力 的 影
响 .针 对 两 条 隧 道 由 于 施 工 顺 序 的 不 同 ,得 出 对 地 表 沉 降 及 管 片 受 力 均 存 在 相 互 影 响 的 结 论 ,提出
了软土地层地铁施 工 应 先 施 工 地 质 情 况 较 差 一 侧 的 控 制 措 施 ,为 后 续施工及类似工程提供帮助 .
关 键 词 :有 限 元 ;小 净 距 隧 道 ;地 表 沉 降 ;管 片 受 力 ;控制措施
中图分类号 : U 455 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 :2095 3550(2017)03 0009 04
Influence of shield construction on surface
settlement and segment stress in soft land
Cui Pengbo1, Chen J in g jin g
1 ,
Ding Jian
2
( 1 . School of Energy and Transportation Engineering,Jiangsu Vocational Institute of Architectural Tech
nology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2 . Wuxi Metro Group C o. , Ltd,Wuxi,Jiangsu 214131, China)
Abstract: In order to
study the surface
settlement
of
shield construction
in
soft
soil
layer
and
stress,taking the influence of segment in Wuxi metro line 2 tunnels through the soft-flow model
of muddy silty clay and silty sand stratum as the engineering case,adopting Peck calculation and
the finite element method, the mechanical response of the initial period of construction is stud
ied ,accurate analysis ofthe effects on the surface settlement of shield construction tn sott soil
layer and segment stress
is
carried out. It is
concluded
that
due
to the different construction
se
quence the two tunnels
of
ground surface settlement and segment
stress have
mutual nfluence
The paper proposes control measures that the poor geological side should be constructed first and
provides help for similar engineering.
K eyw ords: FEM ; small spacing tunnel; surface settlement; segment stress; control measures
随 着 我 国 轨 道 交 通 建 设 项 目 的 日 益 增 长 ,盾构
法 已 被 成 功 应 用 于 软 土 地 层 隧 道 掘 进 ,在 上 海 、苏
收稿日期 : 2017 07 13
作 者 简 介 :崔 蓬 勃 ,男 ,河 北 保 定 人 ,讲 师 ,研 究 方 向 为 隧 道 与
地下工程 .
E - mail: 281808723@ qq. com
州 、无 锡 等 软 土 地 层 积 累 了 丰 富 的 经 验 .然 而 ,在城
市 中 心 区 域 修 建 地 铁 工 程 时 ,盾 构 施 工 产 生 的 过 大
地 层 变 形 ,危 及 周 围 建 (构 )筑 物 及 各 类 管 线 的 安
全 ,甚 至 导 致 结 构 破 坏 和 丧 失 功 能 .目 前 ,预测地铁
隧 道 开 挖 地 层 变 形 的 方 法 主 要 有 经 验 公 式 法 、模型
试 验 法 、数 值 模 拟 法 等 .在 地 铁 区 间 隧 道 中 ,常在同10
江苏建筑职业技术学院学报
第 1 7 卷
一 埋 深 地 层 修 建 两 条 平 行 隧 道 ,且 一 般 为 小 净 距 隧
道 .根 据 理 论 分 析 ,平 行 隧 道 开 挖 产 生 的 影 响 往 往
相 互 叠 加 ,所 引 起 的 地 层 变 形 及 受 力 相 应 比 单 一 隧
道更为复杂 .在软土地区城市地铁区间隧道建设
中 ,双 孔 平 行 隧 道 施 工 的 相 互 影 响 不 可 避 免 .本 文
将 在 已 有 研 究 基 础 上 ,探 讨 软 土 地 区 双 孔 平 行 隧 道
施 工 引 发 地 表 沉 降 及 相 互 间 施 工 力 学 相 应 ,结合无
锡 地 铁 工 程 实 例 进 行 预 测 研 究 ,希 望 为 同 类 工 程 有
所裨益.
1 工程概况
无 锡 地 铁 2 号 线 土 建 8 标段靖海公园站〜广
益 新 城 站 区 间 ,里 程 Y S K 11 + 873. 3 7〜 Y S K 12 +
888. 06.其 中 ,线 路 右 线 长 度 为 1 014. 684 m ,左线
短 链 为 0. 366 m ,左 线 总 长 度 为 1 015. 05 m ,区间于
Y S K 11 + 4 2 0 处 设 一 联 络 通 道 .隧 道 采 用 盾 构 法 施
工 ,联 络 通 道 采 用 矿 山 法 施 工 .区 间 隧 道 埋 深 为 9. 5
〜15.4 m ,轨面标高为一 1 6 . 6 7----10. 77 m ,左右
线 隧 道 线 间 距 为 13〜 17 m ,区间左(右 )线线路最大
坡 度 为 23. 93曤 ,最 小 坡 度 为 2曤 ,线 路 左 线 包 含 尺
=350 m 及 尺 = 3 6 0 m 半 径 曲 线 段 ,右 线 包 含
尺=350 m 的两组半径曲线段.线路始发后先以直
线 段 前 行 ,后 进 人 右 线 尺 = 350 m (左 线 尺 = 360 m )
段 下 穿 燃 气 站 与 清 水 库 . 区 间 地 质 条 件 较 差 ,土层
较 多 ,主要有③ 2 层 粉 质 黏 土 、④ 1 层 粉 砂 、⑤ 1 层粉
质 黏 土 、⑤ 2 层 粉 土 、⑤ 3 层 粉 质 黏 土 及 ⑥ 1 层 黏 土 ,
多呈软〜流塑淤泥质状态.
软 〜 流塑淤泥质地层渗水性较低,含 水 率 很 大 ,
稳定性较差,压缩性高且强度很低 .并且,具有受到扰
动后强度明显降低的特点,易 坍 塌 变 形 ,施工过程中
极易导致涌水、涌 砂 现 象 ,为盾构施工的不利土层.
针 对 本 区 段 的 水 文 地 质 情 况 ,确 定 采 用 1 台日
本小松 T M 634P M X 加 泥 式 土 压 平 衡 盾 构 施 工 ,先
施 工 线 路 右 线 隧 道 ,再 进 行 左 线 施 工 .隧 道 衬 砌 采
用 每 环 6 块 厚 度 为 350 m m 、环 宽 为 1. 2 m 的环形
预 制 钢 筋 混 凝 土 管 片 ,组 成 外 径 为 6. 2 m ,内径为
5. 5 m 的 圆 形 单 洞 隧 道 ,采 用 同 步 注 浆 填 充 管 片 与
地 层 间 隙 ,并 根 据 需 要 及 时 进 行 二 次 注 浆 . 施 工 全
过 程 坚 持 监 控 量 测 跟 踪 ,实 施 信 息 化 施 工 ,控制地
层 变 形 和 确 保 施 工 安 全 ,对 于 地 表 沉 降 的 控 制 ,按
照 规 范 及 建 设 单 位 的 要 求 ,地 表 沉 降 量 一 般 宜 控 制
在 30 m m 以 内 ,隆 起 量 控 制 在 10 m m 以内.
2 P eck法预估沉降分析
本 区 段 盾 构 法 施 工 所 处 软 弱 地 层 ,因 隧 道 开
挖 ,势 必 会 引 起 地 层 损 失 和 土 体 扰 动 ,必 将 导 致 土
体 变 形 .理 论 分 析 表 明 :在 盾 构 刀 盘 前 方 和 顶 部 ,由
于 千 斤 顶 的 顶 进 作 用 ,将 产 生 微 量 的 隆 起 .盾 尾 处
由于注 浆 不 及 时 ,以 及 地 下 水 流 失 引 起 土 体 固 结 等
因 素 造 成 沉 降 ,并 在 线 路 中 线 附 近 产 生 一 定 宽 度 的
沉 降 槽 .按 照 实 际 施 工 经 验 ,地 表 下 沉 量 和 下 沉 速
率 随 盾 构 的 推 进 而 逐 渐 衰 减 ,地 层 情 况 、施 工 顺 序
以及地表荷载都会不同程度的影响地表沉降.
上 个 世 纪 六 十 年 代 ,学 者 Peck[1,2]通 过 进 行
统 计 调 查 大 量 隧 道 开 挖 引 起 地 表 沉 降 资 料 ,比较
系 统 地 提 出 了 地 层 损 失 的 概 念 ,并 且 归 纳 出 了 符
合 工 程 实 际 的 实 用 地 表 沉 降 预 测 方 法 P e c k 公
式 ,并 在 此 后 对 其 不 断 的 修 正 完 善 . P e c k 认为浅
埋隧道施工引起的地面沉降是在短时间内完成
的 ,所 以 这 期 间 岩 土 体 并 不 排 水 ,于 是 最 后 形 成
的沉降槽的体积应和地层损失的体积相等 .按照
体积等量的原则 , P
e
ck 假定地层损失在整个隧道
上 是 均 匀 产 生 的 ,并 且 沉 降 横 向 分 布 服 从 正 态 分
布 的 规 律 ,如 图 1 所示.
图 1
隧道开挖引起地表沉降
Fig. 1 Surface settlement caused by tunnel excavation
P eck 提出的沉降量与地层损失的关系公式如
下式所示
S (X ) = Smae x p 〔2 ^ ) , ⑴
式中:Smax= 7 ^ = 曋 ^ 为 最 大 地 表 下 沉 值 ,c m ;
i 2毿 2* 5z
V ,为隧道开挖所造成的地层损失量 , m 3 ;X 为地表
一点距离隧道中线点的距离 , m ;S (X ) 为距离中线
X 处的地表下沉量,c m , 为 地 表 沉 降 槽 宽 度 系 数 ,
为隧道中心线距离地表沉降反弯点的距离.
应 用 P e c k 公式最关键的就是要确定地层损失
和 沉 降 槽 宽 度 系 数 这 两 个 重 要 参 数 ,由于岩土体变
形具有复杂性和非线性的特点,H i 与隧道所处
的 地 质 条 件 、埋 深 、施 工 工 法 、断 面 形 式 以 及 支 护 措
施 等 因 素 有 关 ,为 此 P e c k 等人给出了一系列的经第 3 期
崔 蓬 勃 ,等 :盾 构 施 工 对 软 土 地 层 地 表 沉 降 及 管 片 的 影 响 分 析
11
验 取 值 和 公 式 [12]. 比 如 ,对 于 沉 降 槽 宽 度 系 数 可 由
以下经验公式求得:
v 27i g 〔45° - 2 )
式 中 : H 为 隧 道 上 方 覆 土 厚 度 , 为 盾 构 半 径 ,
为土体的内摩擦角.
目前,P eck 公式普遍应用于欧美等西方很多国
家 的 城 市 地 铁 隧 道 建 设 中 ,用 来 进 行 地 表 沉 降 量 的
预测.本文中先施工左线隧道幵挖后地面最大沉降
位于左线隧道中心正上方 ,其 值 为 11. 7 m m ,向两
侧 依 次 递 减 ,当 左 线 施 工 完 成 进 行 右 线 施 工 ,考虑
两 条 隧 道 幵 挖 沉 降 影 响 叠 加 ,如 图 2 所示.
图 2 P eck法计算沉降槽曲线
Fig. 2 Settlement groove curve calculated by Peck
由 图 2 可 以 看 出 ,利 用 P e c k 法计算得出的地
表 沉 降 曲 线 线 形 非 常 光 滑 ,由 于 未考虑施工后支护
作 用 ,左 右 线 沉 降 均 匀 对 称 ,呈 现 轴 对 称 的 特 点 .
3 有限元建模及分析
对 于 单 条 地 铁 隧 道 而 言 ,利 用 P e c k 法计算可
以 得 出 比 较 准 确 的 地 表 沉 降 值 ,但 对 于 两 条 临 近 的
隧道先后施工,P eck 法并不能完全准确的反映出其
土 体 变 形 过 程 ,并 且 无 法 给 出 支 护 结 构 的 变 形 及 受
力 变 化 ,故 本 文 同 时 采 用 大 型 通 用 有 限 元 计 算 软 件
A N S Y S 进 行 建 模 计 算 ,计 算 采 用 二 维 平 面 应 变 地
层 结 构 模 型 ,两 隧 道 线 间 距 为 14 m ,直 径 为 6. 2 m ,
衬砌支 护 为 预 制 C 5 ° 钢 筋 混 凝 土 管 片 ,管 片 厚 为
35° m m .采 用 弹 塑 性 非 线 性 方 法 进 行 求 解 ,围岩采
用 Drucker-P ra g er屈服准则.
研 究 表 明 ,由 于 隧 道 幵 挖 而 对 围 岩 产 生 的 影 响
范 围 大 概 在 3 〜 5 倍 的 洞 径 ,故 计 算 模 型 的 范 围 为
水平方向为1°° m ,竖 向 为 4° m ,用 以 克 服 边 界 效
应 ,隧 道 埋 深 、围 岩 参 数 及 土 层 分 布 均 按 照 实 际 施
工 图 纸 给 定 ,模 型 的 左 侧 和 右 侧 边 界 施 加 水 平 位 移
约 束 ,模 型 下 部 边 界 施 加 竖 向 位 移 约 束 . 利 用 A N -
S Y S 程 序 的 单 元 “生 ”与 “死 ”功 能 来 实 现 隧 道 的 掘
进 与 管 片 支 护 ,未 施 工 的 时 候 ,将 梁 单 元 即 管 片
(beam3)处 于 “死 ”的 状 态 ,当 管 片 施 作 之 后 ,激活两
单 元 ,使 之 处 于 “生”的 状 态 ,并 参 与 模 型 的 运 算 ,如
图 3 所 示 .根 据 施 工 图 ,计 算 影 响 范 围 内 的 围 岩 由 7
层 组 成 ,厚 度 分 别 为 2 m 、4 m 、3 m 、4 m 、6 m 、3 m 和
18 m ,围 岩 及 支 护 等 相 关 物 理 力 学 参 数 ,见 表 1.
表 1
围岩物理力学参数
Tab. 1 Physical mechanical parameters of surrounding rock
土层
弹 模 /
M Pa
泊松比
粘聚力 /
M Pa
内摩擦
容 重 /
kN • m -3
③1层
8. 9
° 31
° °54
17. 1
1 999
③2 层
5. 8
° 32
° °23
1 5 .4
1 94°
④1层
6. 8
° 3°
° 008
2 5 .6
1 88°
⑤1层
5. °
° 32
° °1
18
1 89°
⑤2 层
6. 8
° 3°
° °22
2 2 .5
1 90°
⑤ 3 层
4. 6
° 32
° °29
16
1 91°
⑥1层
8 .9
° 32
° °63
1 8 .8
2 °1 °
管片
34 5°°
° 2
2 5°°
图 3
计算模型与土层分布
Fig. 3 Calculation model and soil layer distribution
由 于 本 计 算 模 型 涉 及 两 条 隧 道 ,而 且 线间距较
小 ,所 以 根 据 施 工 顺 序 的 不 同 ,导 致 第 二 条 隧 道 施
工 时 会 影 响 第 一 条 已 建 隧 道 ,具 体 体 现 在 土 体 变 形
和 地 层 刚 度 不 再 是 轴 对 称 ,并 且 会 引 起 已 建 隧 道 的
支 护 结 构 和 围 岩 的 应 力 重 分 布 ,这 些都应重点加以
研 究 . 本 文 中 隧 道 线 间 距 为 14 m ,且采用盾构法施
工 ,幵 挖 和 支 护 是 在 盾 构 机 壳 的 保 护 下 完 成 ,其幵
挖 和 支 护 方 式 可 简 化 为 全 断 面 幵 挖 并 同 步 支 护 ,即
幵挖后管片支护能同步完成.先施工左线后施工右
线 ,由 于 施 工 顺 序 不 同 ,计 算 结 果 也 与 单 线 隧 道 计
算结果差异很大.有限元计算结果见表2,地表沉降
变 化 曲 线 ,如 图 4 所示.
表 2
有限元计算结果
Tab. 2 Finite element calculation results
工况
地表沉降 /
m m
拱顶下沉 /
m m
洞周收敛 /
m m
隧道底鼓 /
m m
左线隧道
9 .7 5
6. 564
5 8 .1
- 1 . 798
右线隧道
2 1 .7 9
14. 46
4 5 .6 5
- 1 2 . 319
注 :本 表 中 数 值 均 以 最 大 值 统 计12
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10
_
5
50 -40 -30 -2〇V l 〇
f 10 /2 0 30 40 50
\
\ ~ i
\ - p
/
左洞开挖后地
‘ 表沉降丨山线
-25
厶洞开挖后地
L
+ 表总沉降曲线
图 4
隧道开挖引起地表沉降曲线
Fig. 4 Surface settlement curve caused by tunnel excavation
隧 道 左 线 施 工 结 束 之 后 ,地 表 沉 降 如 图 4 所
示 ,其 中 最 大 沉 降 值 为 21. 79 m m ,位于左线轴线正
上 方 ,以 隧 道 轴 线 为 中 心 向 两 侧 递 减 ,右 线 施 工 结
束 之 后 地 表 沉 降 如 图 中 粉 色 曲 线 ,可 以看出利用有
限元法进行计算和 P e c k 法相比还是有明显的不
同 ,右 线 隧 道 施 工 结 束 之 后 地 表 最 大 沉 降 位 于 左 线
轴 线 靠 右 一 定 区 域 ,开 挖 右 线 隧 道 产 生 的 最 大 沉 降
位 于 右 线 轴 线 上 方 地 表 ,沉 降 值 为 17. 2 m m .
相对比 Peck法的计算结果,我们可以看出,由于
考虑施工先后顺序以及土体变形的因素,施工结束后
的地表沉降曲线不再呈轴对称的特点,左线隧道施工
先于右线隧道,所以在开挖右线隧道时肯定会受到既
有结构的影响,同 时 左 线 施 工 结 束 后 ,由于地应力场
已经处于平衡状态,而右线隧道施工时会打破这种平
衡 状 态 ,导致产生 应 力 重 分 布 ,势必会对已有左线隧
道结构应力和位移产生影响,这 一 点 在 结 构 的 弯 矩 、
轴力和地表沉降值中可以反映出来.隧道施工管片结
构 的 弯 矩 及 轴 力 如 图 5〜 1 0 所示.
图 5
左线施工结束后管片弯矩
Fig. 5 Bending moment after left segment construction
根 据 图 5 、图 6 弯 矩 和 轴 力 图 可 知 ,仅左线隧道
开 挖 对 左 线 盾 构 管 片 的 受 力 影 响 较 小 ,且隧道受力
比 较 均 匀 ;由 图 7 、图 8 可知右线隧道开挖对左线隧
道 管 片 结 构 的 受 力 影 响 较 大 ,说 明 小 净 距 隧 道 后 施
工 隧 道 对 先 期 施 工 隧 道 结 构 存 在 明 显 的 影 响 ;同时
由 图 9 、图 1 0 可 知 ,由 于 存 在 先 期 左 线 隧 道 ,岩土体
内 刚 度 不 均 匀 ,导 致 右 线 隧 道 施 工 后 管 片 结 构 受 力
与最初左线隧道开挖后管片受力并不一致.
图 6
左线施工结束后管片轴力
Fig. 6 Segment axial force after left line construction
图 7
右线施工结束后左线管片弯矩
Fig. 7 Bending moment of e tt line segment after
right line construction
图 8
右线施工结束后左线管片轴力
Fig. 8 Axis force of lett line segment after right line construction
图 9
右线施工结束后管片弯矩
Fig. 9 Segment bending moment after right line construction
(下 转 第 2 8 页 )28
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第 1 7 卷
3 结论
V 带传动的功率损失主要是带在拉弯与拉直变
形过程中产生的损失,约 占 总 功 率 损 失 的 77 % .文献
[1]以及其他教材与手册上给出的机械效率值偏高.
计 算 表 明 ,随 着 带 截 面 积 的 增 加 与 带 速 度 的 提 高 ,该
项比例进一步增加.减小V 带 的 弹 性 模 量 ,可以提高
机械效率.V 带传动的机械效率可以通过理论计算的
方法予以精度获得,从 而 为 带 传 动 之 后 的 传 动 (如齿
轮传动)提供更加精确的功率输人参数.
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(责 任 编 辑 :梁赛平)
(上 接 第 1 2 页)
-458551 -432599 -40664E -380694 -354741
-445575 -419G23 -333670 -367717 -3417G5
图 1 0 右线施工结束后管片轴力
Fig. 10 Axial force of the segment after
the right end construction
4 结论
地铁小净距双孔隧道开挖顺序的不同导致产生
的 力 学 相 应 不 同 于 单 条 隧 道 ,两 条 隧 道 存 在 相 互 影
响 ,因此与开挖方式、支护方式等因素有关,后建隧道
对已建隧道的影响程度大于已建隧道对未修建隧道
的影响,由于开挖第二孔隧道时已建隧道支护结构已
经 完 成 ,所以开挖后建隧道时产生的地表下沉和拱顶
下沉值均大于已建隧道的值;同时对于管片受力方面
同样表现出类似的结论 .因此,在小净距隧道地质条
件不同的情况下,先开挖地质情况较差的比较有利 .
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(责任编辑 :陶红林)

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