行业要闻

 

【摘　要】基于某城市地铁2号线穿越工业厂房区引起地基变形的工程背景,简化为实体应变模型,采用数值模拟的方法对开挖前后隧道围岩变形进行对比,目的是研究盾构在开挖过程中对周围岩体的变形影响情况。结果表明,盾构开挖过程中隧道围岩变形比较大,隧道中心处竖向变形情况远大于水平变形,盾构与隧道的接触面处的应力高度集中且远远大于周围岩体的平均应力。

【关键词】盾构施工;地铁围岩;稳定性分析

1、盾构施工原理及支护原理分析

      盾构即盾构机,英文名字TunelBoringMachine,它是一种隧道掘进的专用工程机械,其横断面外形与隧道横断面外形相同,尺寸稍大,在掘进过程中利用回旋刀具开挖,内藏排土机具,自身设有保护外壳,该圆柱体组件的壳体即护盾,它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用,承受周围土层的压力,有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。因其自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、环保及对周围环境影响较小等优点而广泛应用于城市地铁隧道开挖中。

      根据盾构隧道施工的过程和特点,可以看出盾构施工中对围岩变形影响的主因素可以归结为以下几个方面:

      (1)开挖土体的位移;

      (2)土体挤入盾尾的空隙;

      (3)土体与衬砌的相互作用;

      (4)改变推进方向;

      (5)受扰动的土体再固结;

      (6)盾构开挖的速度等。

      由于土的本构关系,决定了软岩隧道支护与硬岩隧道支护原理不同。与软岩相比较而言,软岩盾构开挖过程中,会释放更大的有塑性变形产出的能量,其支护原理可以表示为

      P_T= P_S+ P_D+P_R

      式中:P_S-工程支护力；

      P_D-变形后转化的力;

      P_R-围岩自己的支撑力。

2、工程概况与计算模型地质概况

      此处为某城市地铁施工地段,根据工作人员大量的工程勘察结果显示,该地铁隧道所处地段地表为人工回填松土及第四系统坡残积砂粘土,下层多为泥岩、砂岩夹页岩风化层,属于V级围岩。该地段附近有很多厂房建筑物,以及公共社区服务区,开挖过程中引起的土质松动、土体变形,可能会对地面造成一定的影响,因此盾构开挖过程中要严格控制由地铁隧道围岩变形引起的地表沉降变形,以保证施工安全和地表建筑物的正常使用。

3、计算模型与计算参数

      该地铁隧道埋深20m。模型取长60m,高50m,宽30m。为了既能反映盾构推进过程及其对围岩的影响,又能满足计算量的要求,避免尺寸效应及边界带来的计算误差,主要取研究模型中部30m范围内的盾构开挖土。盾构机长3m,盾构外径2. 41m,管片宽1m,厚0. 4m,衬砌厚度为0. 4m,在模型中考虑了盾构,隧道开挖半径为2. 42m。

      盾构地铁隧道开挖范围内的土层主要为粘土、风化后的砂岩和砂岩夹页岩风化层。计算主要采用Mohr-Column弹塑性模型。

4、计算方法简介

      目前,隧道引起周围岩体变形的分析方法大致可分为四类:经验公式法;解析法;模型试验法;数值分析法。其中由于数值方法能够考虑复杂的边界条件,并且能够模拟复杂的岩土介质特性和工程的实际建造过程,已经成为求解复杂岩土工程问题的有力工具。

      ANSYS是目前比较先进的大型数值分析软件,具有强大的工程模拟功能,解决问题的范围可从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题,在各国的工业和研究所中得到广泛的采用。本文就是采用ANSYS软件进行计算,对盾构隧道施工前后进行数值模拟计算,通过比较前后结果差异来说明开挖过程中地铁围岩变形的影响。具体可分为两步：

      第一步:土体未开挖前的应力计算。未开挖前的应力大小主要有土体自重应力和构造应力组成,由岩体长期地质构造运动而产生的构造应力会随着时间的推移不断变化,很难用数学与力学的方法进行计算,一般只能采用现场应力测量的办法,由于该处构造应力很小,可以忽略地表载荷及结构载荷。

      第二步:土体开挖过程中的应力计算。土体是非弹性体,在盾构开挖的过程中,受到盾构的巨大推力作用,使周围土体发生蠕变变形,尤其在自重应力的影响下会发生分层变形情况。利用生死单元模拟开挖进程,进行线性求解。边界条件采用位移边界条件,两侧面和底面受法向约束,上边界取地面为自由面,整个应力场按重力引起的应力场考虑。

      模拟计算方法的假定:

      (1)土体看成均质的各向保持同性的连续的介质;

      (2)只考虑由土体自重形成的初始应力场;

      (3)取整个模型的一半进行研究,隧道为半圆形。

5、隧道开挖后周围岩体位移变化情况

      从图1可以看出:隧道上方产生向下的竖向位移,且呈层状分布;随着土体黏聚力的增大,隧道周围土体的总体沉降趋势减小,开挖引起的隧道下方土体竖向位移影响范围明显缩小,水平方向位移远远小于竖向位移变形。这主要因为土体在没有开挖前处于自然应力状态,并不随着时间的累计发生位移变形,而在开挖的过程中由于受到地铁隧道埋深、盾构开挖断面、各层土体的弹性模量不均、盾尾注浆、掘进速度等综合因素的影响,打破了原始的自然应力状态,在隧道岩体的周围形成新的应力场,土体颗粒分布位置变化较大,这就导致了周围岩体产生位移变化。

      从图2可以看出:应力分布图基本上成梯度增加,在最底层达到最大,且上面土层较下面土层变形大。这主要因为,在没有开挖隧道以前,土的构造应力很小,在忽略了土体上表面的荷载作用,只受到重力场和线性荷载作用下,土体的应力随着深度的增加而加大,又由于土体上部分的弹性模量比较小,下面土层弹性模量比较大,所以相对变形比较大。

     

      

      从图3、图4可以看出:总体来看,开挖过程中周围岩体应力较开挖前变化比较大,并且在隧道中心轴附近处出现局部的应力分布集中,特别是在盾构机的接触面,应力达到很高的值,而在开挖后衬砌和注浆接触面的应力相对于盾构机接触面来说,应力分布比较小而且缓和。这主要因为盾构开挖过程中,对盾构施加向前的水平轴向推进力比较大造成的,这一应力集中情况会随着推进速度的变化而变化。

     

 

      从路径图8可以看出:随着路径从下往上距离的增加,岩体应力逐渐减小,基本成直线下降,主要原因是路径离隧道开挖处的水平距离比较大,影响相对较小,只有土体自重产生的应力起作用。

      从路径图9可以看出:路径在垂直隧道的水平方,应力随着由外往里距离越接近隧道,应力越大,且在衬砌和注浆的附近处突然增加,对支护的承载能力是个巨大的考验,有可能产生挤压破坏,造成重大工程事故。

      从路径图10可以看出:在盾构开挖的过程中,竖向的应力越接近盾构机应力变化越大,且变化范围大,出现高度的应力集中。这说明盾构机处是一个极易破坏的地方。

      从路径图11可以看出:在隧道开挖的圆形前方土体,随着路径越接近盾构机,应力变化越大,接触面出现较大的应力集中。这从路径图12也可以看出。

      从路径图13可以看出:在注浆和衬砌的支护作用下,应力变化比较接近一直线,且在水平方向达到两个端点最大值,这主要是因为支护作用下,应力沿衬砌传递分布,形成一个圆状的应力,但是由于竖向土体的压力就使水平方向的应力比竖向的大。

7、结　论

      本文通过有限元数值模拟的方法,比较了盾构开挖前后隧道周围岩体的位移变化情况和应力分布变化情况,并对开挖过程中和开挖后的应力进行比较,得出以下结论:

      (1)盾构隧道对周围岩体的变形影响比较明显,特别是在开挖的过程中,周围岩体的变形比较大,盾构机接触面附近应力增加比较显著,通常可以达到周围平均应力的四万倍。

      (2)盾构在施工进行中,对于已经开挖过的岩体,随着距离的增加而影响降低,当距离大于四倍洞径时影响可以忽略。

      (3)注浆和衬砌支护力的存在,在很大程度上控制了岩体的变形和位移,从而改善了隧道周边岩体的承载条件,相应地提高了岩体自身的承载力。因此,在盾构隧道施工中,通过改善支护条件来提高围岩整体的稳定性非常重要。

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