盾構(gòu)隧道施工對富水軟弱地層的擾動分析

王洪德，戴陸

(1.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

0 引言

作為地下空間開發(fā)中的核心技術(shù)之一，盾構(gòu)隧道施工技術(shù)己在能源、交通等領(lǐng)域的隧道建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用［1］.在復(fù)雜地層或富水軟弱地層開挖過程中，盾構(gòu)施工具有安全、可靠、勞動強(qiáng)度低，以及環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點(diǎn).隨著地下工程項(xiàng)目增多，盾構(gòu)開挖隧道時(shí)所遇到的巖土環(huán)境問題也越來越多樣化.其中，盾構(gòu)開挖引起土體擾動一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重?zé)狳c(diǎn)問題，主要表現(xiàn)為盾構(gòu)對土體的擠壓和松動、加載與卸載、孔隙水壓上升與下降所引起土巖性能的變異、地表隆起與下沉等［2］.而土體的擾動往往引發(fā)一系列環(huán)境病害，如造成周圍房屋構(gòu)筑物開裂、倒坍，鄰近管線斷裂、破損等［3］.歐洲部分國家在20世紀(jì)初開始重視對軟弱地層中開挖隧道產(chǎn)生地面沉陷和地層變形問題的探討［4］.國內(nèi)外學(xué)者對這一問題的研究方法可歸納為經(jīng)驗(yàn)公式、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等［5－9］.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的優(yōu)勢突顯，成為研究盾構(gòu)施工地層位移一種非常重要的方法［10-11］.本文以大連地鐵某盾構(gòu)施工作業(yè)為研究對象，在充分考慮隧道開挖過程中地下水影響的前提下，采用修正劍橋模型對盾構(gòu)隧道開挖過程進(jìn)行仿真，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以期為盾構(gòu)隧道施工提供指導(dǎo)性建議.

1 工程概況

該標(biāo)段采用盾構(gòu)施工，區(qū)間隧道全長1.6 km，隧道結(jié)構(gòu)的最大土厚34.4 m.盾構(gòu)襯砌管片內(nèi)徑為5 400 mm，外徑為6 000 mm，管片寬為1200 mm，每環(huán)由6片管片拼裝而成.根據(jù)設(shè)計(jì)地勘資料，區(qū)間地貌為馬欄河階地，地層自上而下依次為素填土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖、中風(fēng)化碎裂巖、強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)板巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖.且地下水量豐富，具承壓性，屬水量極豐富區(qū)，易造成局部流砂、涌水等現(xiàn)象.本次勘察期間地下水位埋深2～5 m.沿線地下水類型主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水、巖溶水兩種，水位高程6.36～7.78 m.經(jīng)取樣分析，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性;對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性;對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性.研究區(qū)域工程地質(zhì)如圖1所示，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 施工區(qū)間的地質(zhì)柱狀圖

2 模型選取

2.1 土體本構(gòu)模型

英國學(xué)者Rosco提出的應(yīng)用于正常固結(jié)粘土或超固結(jié)粘土的修正劍橋模型是一個(gè)計(jì)算土體應(yīng)力—應(yīng)變性能的彈塑性本構(gòu)模型，能夠反映土體的彈性非線性、硬化/軟化以及屈服特性等土體特有性質(zhì)，適用于描述含水率較高的軟弱地層.

針對修正劍橋模型需要輸入的參數(shù)主要有M、λ、k、PCo等參數(shù)，其修正劍橋模型在e-p-q空間坐標(biāo)如圖2所示.

圖2 修正劍橋模型示意圖

圖2中，ACEF是狀態(tài)邊界的一部分，AC是三向等壓力固結(jié)線，EF線是q為最大值各點(diǎn)連線，即臨界狀態(tài)線.對于正常壓密粘土σ1/σ3=(1+sinΦ')/(1－sinΦ')可得到摩擦常量M，式中Φ'為有效內(nèi)摩擦角

正常固結(jié)曲線及等壓膨脹曲線(λ，k)根據(jù)式(2)、(3)確定

式中，CC是正常壓縮曲線在e-logp平面上斜率，CB是在卸荷狀態(tài)下回彈曲線在e-logp平面上斜率，如圖2所示.通?？稍?1/5～1/3)λ范圍內(nèi)選取k值.

前期固結(jié)應(yīng)力Pc0為

式中，OCR為超固結(jié)比，p0，q0分別為現(xiàn)有土體應(yīng)力狀態(tài).

屈服方程為

關(guān)于剪切模量G與最大體積彈性模量Kmax，修正劍橋模型中定義土體單元的實(shí)際計(jì)算時(shí)的體積模量與其平均有效應(yīng)力、孔隙比容相關(guān).彈性模量K隨著土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)而自動改變，K表示為

2.2 管片支護(hù)模型

采用巖土工程的shell隧道管片結(jié)構(gòu)單元模擬隧道管片.每個(gè)殼型結(jié)構(gòu)單元是由其幾何形狀與材料參數(shù)來定義的，一個(gè)殼構(gòu)件被假定為由3節(jié)點(diǎn)組成的均勻厚度的三角形，由這些三角形殼型構(gòu)件組成的面可以形成一個(gè)任意形狀的殼.每個(gè)殼構(gòu)件可視為各向同性或異性的線性彈性材料，并且無破壞極限.

3 數(shù)值模擬

3.1 模型設(shè)計(jì)及參數(shù)

模型取高24 m、寬20 m、長20 m，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖3 模型網(wǎng)格劃分

圖4 盾構(gòu)開挖循環(huán)流程

隧道開挖過程(圖4):首先，去除需開挖管片環(huán)的地層單元，添加管片單元模擬環(huán)管片支護(hù)，在開挖面上施加支護(hù)應(yīng)力，關(guān)閉流體滲流分析部分，計(jì)算模型在單力學(xué)場中土體不排水變形量，迭代計(jì)算使模型在不排水狀態(tài)下達(dá)到平衡;然后，開啟流體滲流場，采用流固耦合計(jì)算土體在該環(huán)開挖時(shí)間內(nèi)的固結(jié)變形量，耦合分析該開挖步完成后，進(jìn)入下一環(huán)的開挖過程.如此往復(fù)循環(huán)，直至開挖完成.

3.2 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

采用FLAC3D的History命令對監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行仿真分析.第一組5個(gè)測點(diǎn)，設(shè)置在模型上表面距離Y軸2 m處的X軸沿線，相距4 m，監(jiān)測豎向位移即沉降變形，沿X軸正向依次點(diǎn)號為:No.001、No.002、No.003、No.004、No.005;第二組 1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)置在橫斷面管片內(nèi)中心線B處y=5m如圖3所示，對孔壓進(jìn)行檢測.

4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證及分析

提取模型數(shù)據(jù)，得到監(jiān)測點(diǎn)1～5的變形曲線，如圖5所示，并選擇具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)No.001和No.004與工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證如圖6所示，證得該模型對于本工程有著實(shí)際指導(dǎo)意義.

圖5 監(jiān)測點(diǎn)沉降變量隨開挖過程的變化曲線

圖6 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測與模擬對比

基于FLAC3D仿真給出圖7為開挖至第五環(huán)時(shí)地層變形云圖及位移矢量圖，當(dāng)設(shè)置的開挖面支護(hù)壓力小于地層原始靜止土壓力時(shí)，地層會發(fā)生較為顯著的向隧道內(nèi)部的位移，經(jīng)過計(jì)算開挖面土體最大位移量為9.375 cm.

圖7 地層變形云圖及位移矢量分布

圖8 地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布

如圖8所示為開挖面第五環(huán)時(shí)地層中孔壓云圖及孔隙水滲流矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)由于開挖面附近土體的膨脹，引起開挖面附近形成負(fù)的超孔隙水壓力，進(jìn)而開挖面附近孔隙水的流動方向是由上部向下部流動.

開挖完成時(shí)的地層孔壓云圖及滲流矢量分布如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，擾動引起的地層中的孔隙水壓力與原始地層靜水位狀態(tài)下的孔壓分布明顯不同，超孔壓的產(chǎn)生引起了孔隙水在地層內(nèi)部的滲透流動.從圖9中流體矢量可發(fā)現(xiàn)孔隙水在開挖完成后仍持續(xù)發(fā)生向隧道方向的滲透.對照孔壓云圖(圖9)及對B點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線(圖10)，孔壓隨著開挖過程經(jīng)歷了先降低再升高的過程;當(dāng)開挖面接近B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)孔壓降至最低點(diǎn);隨著開挖推移，B點(diǎn)孔壓漸漸回升，說明開挖面越接近的土巖層，其擾動越大.從開挖完成時(shí)的地層的沉降云圖(圖11)可看出，土巖層的變形趨勢隨著開挖隧道的接近而增大.

圖9 開挖完成時(shí)地層孔壓云圖及孔隙水滲流矢量分布

圖10 B點(diǎn)孔壓隨開挖過程的變化曲線

圖11 開挖完成時(shí)地層變形云圖

5 結(jié)論

以大連地鐵201標(biāo)段某區(qū)間盾構(gòu)隧道施工為背景，基于數(shù)值仿真技術(shù)，分析盾構(gòu)開挖對富水軟弱地層的擾動影響，并針對土體沉降、孔壓及滲流矢量進(jìn)行具體分析，得到如下結(jié)論:

(1)土體開挖破壞其原始應(yīng)力狀態(tài)，使土體單元產(chǎn)生應(yīng)力增量，引發(fā)周圍地層產(chǎn)生不排水變形，且引起土體位移;同時(shí)，飽和土體隨應(yīng)力狀態(tài)變化產(chǎn)生伴隨的超孔隙水壓力，使得粘土地層隧道周圍土體開挖后的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)位移，孔隙水仍持續(xù)發(fā)生向隧道方向滲透;

(2)地層的變形在距離隧道較近的區(qū)域沉降較大，而隨著離開隧道距離的加大，沉降也逐漸縮小;

(3)修正劍橋模型能較精確地模擬土體性狀，適用于含水率較高的軟弱地層.

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