盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析.pdf

第3 2 卷第1 期 2 0 1 1 年1 月 岩土力学 R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s V 0 1 ．3 2N o ．I J a n ．2 0 l l 文章稿号l1 0 0 0 - - 7 5 9 8 2 0 1 1 0 1 一0 1 5 8 0 7 盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析 朱才辉，李宁，柳厚祥，张志强 西安理工大学岩土工程研究所，西安7 1 0 0 4 8 摘要在研究盾构施工工艺诱发地层沉降规律时，对施工工艺变化引起地表沉降的量化分析成果相对较少。将盾构工艺分 为注浆填充率屏支护压力比旯和偏心率r 等3 个主要因素，将其引入到R o w e 等人提出的“间隙参数”的公式中，利用 L o g a n a t h a n 等人提出的地表沉降预测解析公式，对上述3 个工艺参数的变化对地表沉降的影响进行量化分析；同时以间隙参 数为前提，对前人提出的等代层厚度参数取值进一步探讨，为复杂的盾构施工工艺的数值模拟提供计算依据。通过对西安地 铁2 号线试验段地表沉降实测资料进行反演，分析结果认为，提出来的间隙参数计算方法及修正等代层模型能较为真实地反 应施工工艺水平，能够为盾构施工地面沉降控制提供一定的参考。 关键词地表沉降；盾构施工工艺；间隙参数；等代层；有限元方法 中图分类号tT u4 3 1文献标识码lA A n a l y s i so fg r o u n ds e t t l e m e n ti n d u c e db yw o r k m a n s h i po fs h i e l dt u n n e l l i n g Z H UC a i h u i ，L IN i n g ，L I UH o u - x i a n g ，Z H A N GZ h i q i a n g I n s t i t u t eo f G e o t e c h n i e a lE n g i n e e r i n g , X i a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，X i ’a n7 1 0 0 4 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e s e a r c h e so nt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fg r o u n ds e t t l e m e n ti n d u c e db yt h es h i e l dt u n n e l l i n gw o r k m a n s h i pa r e r e l a t i v e l yl e s s ．I nt h i sp a p e r , t h r e ew o r k m a n s h i pp a r a m e t e r s ，i ．e ．g r o u t i n gf i l l i n gr a t i o ，s h i e l dp i t c hr a t i oa n ds u p p o r tp r e s s u r er a t i o ，a r e i n t r o d u c e di n t ot h eg a pp a r a m e t e r st om a k et h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fg r o u n ds e t t l e m e n tb a s e do nL o g a n a t h a ne x p r e s s i o n s ．T h ed e 印 d i s c u s s i o na b o u tt h ee q u i v a l e n tc i r c l ez o n ew h i c hw a sp r o p o s e db ys o m es c h o l a r si sm a d et op r o v i d et h eb a s i so fn u m e r i c a la n a l y s i s f o rt h es h i e l dt u n n e l i n gp r o j e c t ．T h eb a c ka n a l y s i so ft h eX i ’a nm e t r ol i n e - 2i sc a r r i e do u tt ov a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h em e t h o d i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ．I ti ss h o w nt h a tt h em e t h o dc a l lf a c t u a l l yr e f l e c tt h ew o r k m a n s h i pl e v e la n do f f e rac e r t a i nr e f e r e n c et ot h e c o n t r o lo f t h eg r o u n ds e t t l e m e n td u r i n gt h es h i e l dt u n n e l i n g ． K e yw o r d s g r o u n ds e t t l e m e n t ；w o r k m a n s h i po f s h i e l dt u n n e l i n g ；g a pp a r a m e t e r s ；e q u i v a l e n tc i r c l ez o n e ；f i n i r ee l e m e n tm e t h o d 1 前言 随着城市化进程的加剧，仅地面交通已难以缓 解交通拥塞的现象，于是城市地铁建设工程开始大 量涌现，但同时也带来了新的工程问题，如地铁施 工中对地层的扰动，对地表房屋建筑、沥青路面、 城市地下管网线等基础设施的扰动，严重者会造成 临近建筑物的倒塌、城市水电及交通系统的瘫痪等， 因此，施工工艺的控制是保障城市正常运行的决定 性因素，量化分析和研究盾构工艺变化情况下对地 表沉降的影响规律是十分重要的。 地铁盾构施工工艺引起土体的扰动主要表现为 盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压 上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等， 国内外学者针对盾构施工对地层扰动的规律做了许 多研究。朱忠隆等【l 】对盾构推进引起的周围土体扰 动破坏机制进行了理论分析，并通过现场监测和静 力触探试验对理论分析结果进行了比较验证。易宏 伟掣z J 从土体应力路径角度出发，对土体受到盾构 扰动引起的应力状态变化研究，并进行了土体扰动 的现场测试分析，认为土体扰动后其力学性质参数 与原状土相比会发生变化。蒋洪胜等f 3 】从盾构机的 力学原理角度分析了在饱和软黏土地层中盾构法施 工对周围土体产生的扰动作用，并对扰动区域进行 收稿日期2 0 0 9 0 8 3 1 基金项目国家自然科学基金 N o ．5 0 8 7 9 0 6 8 ；国家自然科学基金创新群体 N o ．4 0 8 2 1 0 0 1 中国科学院冻土国家蕈点实验室项目 N o ．S K L F S E ．Z Y - 0 3 。 第一作者简介朱才辉，男，1 9 8 3 年生，博士研究生，主要从事地卜．洞室、岩土工程数值模拟等方面的研究‘[ 作。E - m a i l z h u c a i h u i l 2 3 1 6 3 ．c o l n 万方数据 第1 期朱才辉等盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析 了划分。魏纲等【4 l 利用弹性力学的M i n d l i n 解，推导 了适用于施工阶段正面附加推力、盾壳与土体之间 的摩擦力引起的地面变形计算公式。徐永福等【5 J 研 究了盾构掘进引起土体应力．应变的规律，他们将盾 构掘进引起土体应力的变化分为5 部分①盾构推 进时盾构工作面前的土体应力的变化；②在切削过 程中盾构工作面上土体应力的变化③盾构推进时 与土体之间的摩擦力引起的土体应力的变化；④盾 构脱盾时产生的空隙引起土层土体应力的变化；⑤ 地应力恢复时土体长期流变引起的土体应力的变 化。M a i r 掣6 J 将盾构隧道施工引起的地层位移划分 为以下5 个阶段①盾构到达前先行沉降；②盾构 到达时的地面变形；③盾构通过时推进沉降；④盾 构通过后盾尾空隙瞬时沉降；⑤后期固结变形。刘 建航、侯学渊f 7 】将地面变形简化为3 个阶段，即盾 构到达前的地面变形、盾构到达和通过时的地面变 形和地表后期固结变形。从以往的研究经验可知， 盾构施工工艺水平的高低直接影响着地表的沉降量 的大小，总的可以归纳为以下3 个主要方面①开 挖面支护压力不足引起的位移；②盾构刀盘偏心超 挖引起的位移；⑧盾尾注浆不足过程引起的位移。 以上所述的诸多工艺因素是引起地表沉降的3 个最 主要的负面因素，但对于以上因素对地表沉降影响 程度大小的量化分析结果还不多，本文基于R o w e 等【8 j 提出的“间隙参数”概念，对“间隙参数”进行相 应的修正，再基于L o g a n a t h a n l 9 1 公式，利用修正的 “间隙参数”对地表沉降进行上述3 大工艺因素的量 化分析，同时对张云等【l0 】基于经验提出的等代层参 数厚度进行相应的修正，结合实际工程对本文提出 的方法合理性进行验证。 2 间隙参数的取值探讨 为了分析上述因素对地表沉降的影响，很多学 者进行了理论分析和简化模型来计算地表的空间或 平面沉降及水平位移，R o w e 和K a c k 将三维的隧道 变形，主要包括向开挖面处的弹龌性变形、盾构机 周围的超挖、以及盾构机和衬砌之间的物理间隙， 在平面上等效为一个二维的空隙，提出间隙参数的 概念，根据L e e 等【1 l 】提出的理论分析模型，得到了 不排水条件下间隙参数的计算公式 g G o ％ W 1 式中G P 为物理间隙；％为隧道开挖面的三维弹 塑性变形；w 为工艺水平数。 间隙参数概念及其公式中的参数取值见表l 及 图1 所示。 上述公式主要是基于弹性半空间，均匀、各向 同性、轴对称圆形断面平面应变问题理论建立起来 的，考虑了隧道的泊松效应、椭圆化变形、地层损 失率1 ，、间隙参数g 等主要因素；但从式中 1 可 见，盾尾衬砌壁后真正引起地表沉降的间隙参数中， 并未考虑盾尾注浆对间隙的填充作用，过大地考虑 了间隙量，但同时又未能反应盾构施工中因盾构机 主体偏心引起的超挖间隙，无法对盾构姿态的控制， 即超挖量的控制进行分析计算。 表1 间隙参数公式中参数的取值 垒空 呈兰 苎翌竺 呈 垒 錾兰PE 兰 兰竺 堡 旦 璺 参数取值 G p 、△、万、％ 只、 巧、只、只 国、p 、E 、巳、v u 物理间隙，对于圆形隧道，G p 2 A 万；盾构 机尾翼的厚度；安装衬砌的空隙；隧道开挖面的 兰维弹塑性变形； 考虑开挖面凸出效应的系数；隧道开挖面七的 最人轴向挤入量。最 【敞只／￡；对于土压平 衡盾构点 0 ； 与隧道稳定系数Ⅳ有关的无量纲变形系数 N y t - I P , ／c ；隧道半径；隧道拱脚线 处土的杨氏模鼍； 隧道开挖面移除的总戍力，只 巧 只- e , ； 有效静止土压力系数； 隧道拱脚线处竖向有效应力开挖前隧道拱脚线 处孔隙水压力；开挖面支护力，完全开挖时为0 ， 有压缩空气时大于0 ； 工艺水平系数隧道顶部处的弹塑性平面应变 位移；不排水卜变形模量、抗剪强度和泊松比 图1 后尾间隙参数 F i g ．1 T h eg a pp a r a m e t e ro ft h es h i e l d - t a i l 综上所述，工艺因素对地表沉降的影响极为复 杂，本文结合工程实际，对式 1 中提出的工艺影 响因素对间隙参数的影响概括为以下3 个主要方 面①注浆填充率∥；②开挖面支护压力比五；③ 偏心率r ，以下将详细探讨这3 个参数的涵义。 2 ．1 注浆填充率∥ 由于盾尾物理间隙的存在，设计上必须采用大 于该间隙量在沿着一环管片的纵向长度范围内的注 浆量来消除这一间隙，一般注浆率为物理间隙的 万方数据 岩土力学 1 ．2 ～2 ．5 倍，否则将会引起地面产生较大的沉降， 盾尾注浆对间隙参数的消减作用比较复杂，很难通 过理论分析进行量化计算，主要原因是①土层不 均匀性使得浆液充填盾尾间隙时产生不均匀现象； ②浆液在搅拌传输过程中的损失和由于注浆压力不 稳定产生的压浆不均匀；⑨部分浆液出漏造成浆液 流失；④浆液硬化固结后产生体积收缩等。盾尾注 浆实际填充情况如图2 所示。 开挖 边界 图2 盾尾注浆的实际充填情况 F i g ．2T h ef a c t u a lf i l l i n go fg r o u t i n gi ns h i e l dt a i l 假定在一定的设计注浆率下其充填率为∥，在 不同的注浆率下，注浆率越高，∥越高，根据工程 实际可知，其取值范围一般为f l 6 0 ％ 9 0 ％，则拱 顶处剩余未充填的等效间隙厚度为 g ， 1 一f 1 G p 1 一∥ 2 △ 艿 2 2 ．2 偏心率／t “ 由于地层岩面起伏较大，隧道断面内出现风化 或洞体填充物的处理与周边岩层差异较大，在此情 况下，刀盘受力和掘进速度不均，姿态不易控制， 易出现盾构机头下垂、机头向上的蛇形、偏离轴线 等情况 见图3 ，为了保证盾构与隧道设计轴线同 心前行，必须进行及时的纠偏，操作过程中难以避 免超挖现象，过量的超挖会对土体产生很大的扰动 而造成地面沉降失控。 盾构机主体偏心距万，可以通过在隧道开挖面 周围布置监测点，测量各点的水平方向位移晶和垂 直方向位移张庆贺 盾构法施工对土体影响理论与试验研究 1999增刊 2.易宏伟;孙钧 盾构施工对软粘土的扰动机理分析[期刊论文]-同济大学学报自然科学版 200003 3.蒋洪胜;侯学渊 盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 200309 4.魏纲;张世民;齐静静 盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 200601 5.徐永福;陈建山;傅德明 盾构掘进对周围土体力学性质的影响[期刊论文]-岩石力学与工程学报 200307 6.MAIR R J;TAYLOR R N Bored tunneling in the urban environment 1997 7.刘建航;侯学渊 盾构法隧道 1991 8.ROWE R K;LO K Y;KACK G J A of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft ground 198308 9.LOGANATHAN N;POULOS H G Analytical prediction for tunneling-induced ground movements in clays[外文 期刊] 199809 10.张云;殷宗泽;徐永福 盾构法隧道引起的地表变形分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 200203 11.LEE K M;ROWE R K Subsidence due to tunnellingPart Ⅱ--uation of a prediction technique 199205 12.LO K Y;NG M C;ROWE R K Predicting settlement due to tunnelling in clays 1984 13.朱合华;丁文其;李晓军 盾构隧道施工力学性态模拟及工程应用[期刊论文]-土木工程学报 200003 本文读者也读过5条本文读者也读过5条 1. 徐明.谢永宁.Xu Ming.Xie Yong-ning 盾构遂道开挖对邻近单桩基础的影响[期刊论文]-华南理工大学学报（自 然科学版）2011,394 2. 魏新江.郭志威.魏纲.张世民.WEI Xin-jiang.GUO Zhi-wei.WEI Gang.ZHANG Shi-min 考虑渗流影响的盾构出洞 灾害机制研究[期刊论文]-岩土力学2011,321 3. 郑淑芬 盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究[学位论文]2010 4. 高健.张义同.GAO Jian.ZHANG Yi-tong 考虑盾构掘进速度的隧道掘进面稳定性分析[期刊论文]-岩土力学 2010,317 5. 齐涛.张庆贺.胡向东.范新健.QI Tao.ZHANG Qing-he.HU Xiang-dong.FAN Xin-jian 一种盾构掘进引起地表沉 降的实用预测方法[期刊论文]-岩土力学2010,314 引证文献7条引证文献7条 1.林存刚.吴世明.张忠苗.刘俊伟.李宗梁 盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响[期刊论文]-岩土力学 20128 2.刘婷.赵明月.孙会杰.李璐.刘忠玉 盾构施工对已有建筑物基础沉降的影响分析[期刊论文]-河南科学 20128 3.任建喜.王金华.张引合.冯晓光.李庆园 黄土地层地铁盾构施工地表变形规律预测研究[期刊论文]-铁道工程学报 201111 4.张啸辰.王春晖 地铁盾构施工对周边环境影响的研究[期刊论文]-低温建筑技术 20137 5.林辉.颜波.杨国龙.谭伟源.汪清 富水软弱地层盾尾单双液多序注浆及效果研究[期刊论文]-现代隧道技术 20121 6.李方楠.沈水龙.罗春泳 考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法[期刊论文]-岩土力学 20121 7.滕丽.张桓 盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析[期刊论文]-岩土力学 20124 本文链接