盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析

1、第30卷, 第6期中国铁道科学Vol 130No 162009年11月C HINA RA IL WA Y SCIENCENovember , 2009文章编号:100124632(2009 0620054207盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析杨广武1, 关龙2, 刘军2, 郑知斌3(1. 北京交通大学, 北京100044; 2. 北京市政集团, 北京100045; 3. 北京市市政工程研究院, 北京100037摘要:以北京地铁10号线9标段盾构法开挖隧道穿越城铁13号线芍药居车站工程为依托, 采用三维有限差分软件FL AC 3D 对盾构施工过程进行数值模拟, 分析盾构穿越既有结构时对其沉

2、降的影响规律。研究结果表明:既有线车站结构的沉降随地基变形模量的提高而减少, 且沉降趋势逐渐变缓; 既有结构最大沉降增大的速率比围岩荷载释放率增大的速度快; 增大开挖面的控制压力, 可有效减小既有结构的沉降, 但过大的控制压力会使前方土体隆起, 产生负地层损失, 并且随着开挖面控制压力的提高, 差异沉降明显增大。通过施工参数的优化可以减小既有结构的沉降, 达到保护既有结构的目的。关键词:隧道; 盾构法; 既有结构; 变形; 数值模拟中图分类号:U455143文献标识码:A 收稿日期:2009205212; 修订日期:2009209211基金项目:北京市政总公司(集团 基金资助项目(科2J 20

3、6116作者简介:杨广武(1956年, 男, 北京人, 教授级高工, 博士研究生。随着城市轨道交通的不断发展, 换乘节点不断增加, 隧道或车站的现象, , 确保掘进, 是地铁施工面临的重要课题。土压平衡盾构施工较为突出的问题是盾构挤压推进对周围土体的扰动较大, 合理设置和控制土压对于控制地表沉降至关重要123。盾构隧道邻近区域存在既有建(构 筑物时, 若施工参数不当, 盾构的推进可能会对其产生较大的影响428。随着盾构近接既有建(构 筑物施工的日益增多, 有关学者对盾构法新建隧道下穿既有结构对既有结构的影响进行了一些相关研究9,10。本文以北京10号线9标盾构法隧道穿越芍药居车站工程为依托,

4、研究复杂荷载条件下软弱地层变形规律及既有结构变形规律和特点, 对盾构施工引起的既有结构变形的主要影响参数进行分析, 优化施工参数, 达到保护既有结构的目的。1工程背景既有线城铁13号线芍药居车站为地面侧式车站, 车站长约125m , 宽约1818m 。结构型式为2, 结构沿纵向等距道变形缝, 在整体道床下为筏板基础, 基础埋深约213m , 基础持力层为黏质粉土及粉质黏土层。10号线盾构从芍药居车站西南角穿越, 隧道顶距车站基底912m , 如图1所示。筏板基础受力不均匀、复杂, 容易造成差异变形及变形缝的开张, 严重时会造成轨道变形, 从而影响行车安全。另外, 盾构隧道穿越的地层主要为黏质粉

5、土和粉质黏土, 含水量高, 为中高压缩性土, 较为软弱。图1盾构隧道与既有车站平面关系图2盾构穿越车站数值模拟盾构法施工是1个非常复杂的工程过程, 单纯 依靠经验公式和试验研究难以全面准确反映盾构施工的真实状态。数值模拟是研究盾构隧道施工引起地表沉降和结构变形的重要手段。本文采用三维有限差分软件FL AC 3D 对盾构施工过程进行数值模拟, 分析盾构穿越既有线结构时对其沉降的影响规律。通过调整模拟过程中的施工参数, 分析参数的敏感性, 得出优化后参数取值范围, 使地表沉降和既有结构沉降控制在容许范围内, 指导后续施工。在数值模型中, 考虑正面土压力、注浆压力、注浆量等因素的影响。开挖面土压力按

6、照开挖时在开挖掌子面上面施加1个表面应力, 其大小根据计算的掌子面土压力作为基础, 按照该土压力的1倍、112倍、114倍在数值模型开挖过程中施加, 分析其对地表沉降和既有结构变形的影响。注浆压力和注浆量在模拟中比较复杂, 目前一般有以下2种处理方式:认为注浆材料及时完全填充盾尾空隙, 隧道壁面没有向盾尾空隙移动; 完全不考虑注浆作用, 位移量等于盾尾空隙的理论值。, , 注浆会渗透到周围土体里面制洞周卸荷, 本文采用应力释放程度和等代层模拟注浆。通过调整空洞周边地层释放荷载的大小反映注浆的影响, 通过等代层参数反映浆液的性质。211计算模型及参数根据实际地质情况并参考以往施工经验数据, 确定

7、隧道开挖影响范围11,12在距离开挖中心3倍隧道直径范围内, 2条隧道轴线相距13m 。从而确定模型范围为:上至地面、下至隧道底部以下3倍洞径, 横向取2条隧道中心线两侧各2715m , 开挖方向取66m 。附加荷载:既有结构引起的附加荷载施加在既有结构的筏型基础上面, 取为60kPa , 道床引起的地表附加荷载施加在线路上面, 取为10k Pa 。本次计算模型共划分单元77660个, 节点数总共80192个, 图2为数值模型横断面图。计算中所采用的地层参数见表1 。图2数值模型横断面图(单位:m 表1地层计算参数地层地层厚度/m弹性模量/MPa容重/(kN m -3泊松比黏聚力c /kPa内

8、摩擦角</(°杂填土318710171001421010粉质黏土13151110191501303130粉质黏土24171310201001343616粉细砂210121520100130830砂砾层3010401019150134640盾构衬砌管片采用C50混凝土材料参数, 但考虑到接头以及错缝拼装方式的影响, 对管片的刚度进行修正, 折减系数为0185, 弹性模量取30GPa , 泊松比取0117。注浆产生的等代层根据不同的模拟过程确定。212模拟过程根据已经开挖部分隧道的监测数据, 推断出盾构施工盾尾脱出时围岩荷载释放率大约为0125, 盾构正面土压力为0118M Pa

9、, 注浆形成的等代层厚度取为0115m , 等代层采用弹性体, 弹性模量为415M Pa , 泊松比取为013。以此为参数进行模拟计算, 分析盾构穿越既有车站结构对其沉降的影响规律, 以及双条隧道穿越既有车站引起既有车站结构变形是否在控制要求之内。如果在安全控制值内, 不会引起既有结构过大的沉降和轨道变形, 并与现场监测数据吻合, 就可以认为此参数可以直接应用于施工。如果引起既有结构变形超过警戒值, 就必须采取措施, 调整施工参数, 重新进行模拟分析。在重新进行模拟分析时, 利用数值模拟探讨各施工参数对既有结构变形的影响, 主要考虑初期围岩荷载释放率、盾构开挖面土压力、等代层的厚度133个参数

10、。根据这3个参数对既有结构变形的影响推断出合理的施工参数, 然后进行盾构2次穿越既有结构的模拟分析, 探讨盾构掘进参数改变后既有车站结构的变形。55第6期盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析 213数值模拟结果分析21311盾构掘进参数对既有车站结构的影响穿越前, 按照事先设定的盾构参数进行模拟计算, 单条隧道穿越既有车站结构的模拟结果如图3和图4所示。由模拟结果可知, 单条隧道穿越施工产生的既有车站结构差异沉降达到118mm , 既有车站结构最大沉降达到1311mm , 显然过大, 要是在此基础上再开挖第2条隧道势必会产生更大的沉降, 不满足变形要求, 因此需要采取一定的土体加固措施。21

11、312不同地基土变形模量的影响开挖前对既有车站结构基础下土体注浆可以提高土体的承载力, 这里通过提高土体的变形模量进行分析, 按照原来土体模量的2倍、4倍、8倍进行分析, 既有车站结构最大沉降如图5所示, 东西侧差异沉降如图6所示 。图5 既有车站结构最大沉降与地基变形模量的关系图6既有车站结构基础差异沉降与地基变形模量的关系由图5和图6可以看出, 地基变形模量的提高改善了地基的承载力, 从而使既有车站结构最大沉降量变小。最大沉降量与模量变化并不成正比的关系, 随着变形模量的提高, 最大沉降减小变慢。地基变形模量的提高对差异沉降也有利, 差异沉降会减少, 。23。如果能做到注浆与应力释, 注浆

12、压力等于盾构脱出卸荷产生的释放应力, 浆液不失水收缩, 可以认为围岩的荷载释放率为零。这里以围岩荷载释放率分别为10%, 20%, 25%和35%进行既有车站结构最大沉降和差异沉降分析, 结果如图7和图8所示 。65中国铁道科学第30卷 由图7和图8可以看出, 围岩荷载释放率越小对控制既有结构基础沉降和变形越有利。最大沉降增大的速率比围岩的荷载释放率增大的速度快, 较低的荷载释放率可以将沉降降低到很小。围岩的荷载释放率越小, 差异沉降也越少, 如果荷载释放率过高, 将引起较大的差异沉降。21314不同开挖面控制压力的影响按照开挖面的控制压力分别为0118, 0122, 0126和0130M P

13、a 进行既有车站结构最大沉降和差异沉降分析, 结果如图9和图10所示 。由图9和图10可以看出, 开挖面控制压力的增大能有效地减低最终基础沉降, 过大的开挖面控制压力会使前方土体隆起, 产生负地层损失。更为重要的是, 随着开挖面控制压力的提高, 差异沉降明显增大, 当控制压力为0130M Pa 时, 将产生近7mm 开挖方向的差异沉降。这将使轨道2轨高差急剧变大, 影响行车安全。因此, 在看到开挖面控制压力提高有利作用时, 也要看到其不利作用的一面。在实际工程施工过程中, 不可设置过大的土压力。21315盾构掘进参数优化后对既有车站结构的影响根据上述数值模拟探讨的结果对盾构穿越既有车站施工参数

14、进行如下优化。对既有车站下土体进行注浆加固, 从地面一直加固到隧道底部3m , 使土体模量提高1倍, 加固范围为既有车站结构筏型基础范围, 盾尾脱出时围岩荷载释放率控制在20%以内, 盾构开挖面控制压力为0124M Pa , 注浆形成的等代层采用弹性体, 等代层厚度取为0115m , 弹性模量为610M Pa , 泊松比取013。以此参数再次进行模拟计算, 分析盾构穿越既有车站结构时对既有车站沉降的影响规律, 数值模拟结果如图11和图12所示 。由图11和图12图可知, 2条盾构隧道全部开挖完毕后既有车站整个筏板基础的最终沉降成1条直线, 由南侧的沉降值-1016mm 变化到北侧的沉降值-01

15、1mm , 比施工参数调整前1条盾构开挖完毕后的沉降还小。而在东西方向, 东西侧的最终差异沉降几乎为零。第2条盾构隧道穿越既有车站结构的施工过程中, 既有车站结构东西侧的差异沉降在第33施工步最大, 接近210mm , 此时盾构机处于筏板基础西侧下方。随后差异沉降慢慢减少, 到第45施工步(此时盾构已经距离基础西侧12m 差异沉降基本为零。由以上模拟结果可知, 2条隧道开挖完毕引起的既有车站结构最大沉降和差异沉降都符合要求。3实测结果通过数值模拟分析, 确定了盾构施工参数, 并在实际穿越过程中对既有车站结构进行了监测, 结75第6期盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析 果如图13和图14所示

16、。由图13和图14可以看出, 在6月14日既有车站东墙最大沉降达到-412mm , 约占最终沉降的84%, 而后沉降速率较小, 既有车站东墙的最终沉降为-418mm (测点d 106 ; 既有车站西墙的沉降速率在6月2日到6月13日较大, 其后速率较小, 西墙的最终沉降约为-416mm (测点x 506 ; 既有车站结构东西向差异沉降仅为-012mm 。4结论(1 盾构穿越既有车站时, 地基变形模量的提高可使地基的承载力得到改善, 既有车站的最大沉降量变小。最大沉降量与模量变化不成正比的关系, 随着变形模量的提高, 最大沉降减小变慢。地基变形模量的提高对既有车站结构的差异沉降也有利, 但是盾构

17、穿越过去之后会遗留差异沉降。(2 既有车站结构最大沉降增大的速率比围岩荷载释放率增大的速度快, 较低的荷载释放率可以将沉降降低到很小。围岩荷载释放率越小, 差异沉降越小, 如果荷载释放率过高, 将引起较大的差异沉降。(3 开挖面控制压力的增大能有效地降低最终既有车站结构的沉降, 但开挖面控制压力过大会使前方土体隆起, 产生负地层损失。更为重要的是, 随着开挖面控制压力的提高, 差异沉降明显增大。因此, 在实际工程施工过程中, 不可设置过大的开挖面控制压力。(4 实测资料表明, 施工参数优化前, 既有车站结构最大变形为-1311mm , 最大差异沉降为118mm ; 施工参数优化后, 2条盾构隧

18、道开挖完毕后既有结构最大变形为-418mm , 最大差异沉降为012mm , 满足设计要求, 达到了保护既有车站结构的目的。85中国铁道科学第30卷第 6 期 盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析 59 参 考 文 献 1 刘东亮 . EPB 盾构掘进的土压控制 J . 铁道工程学报 , 2005 (2 : 45250. 12 彭文斌 . FL AC3D 实用教程 M . 北京 : 机械工业出版社 , 2008. Journal of Tianjin U niversity , 2008 , 41 ( 6 : 7252730. in Chinese U niversity of Techno

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28、2 ( FAN G Yong , H E Chuan. Analysis of Influence of U ndercro ssing Subway Shield Tunneling Const ruction on t he O2 60 中 30 卷 国 铁 道 科 学 第 Line 10 cro ssing Line 13 at Shaoyaoju subway statio n in Beijing. The research result s indicate t hat t he sub2 sidence of t he existing subway statio n may d

29、ecrease gradually when t he deformatio n mo dulus of gro und soil is increased. The subsidence rate of t he existing co nst ructio n is faster t han t he load release rate of t he sur2 ro unding soil . The subsidence of t he existing co nst ructio n can be reduced o bvio usly t hro ugh increasing t

30、he co nt rol p ressure of t he excavatio n surface , but t he excessive co nt rol of p ressure may p roduce t he hunch of sure is co ntinually increased. On t he basis of t hese result s mentio ned above , t he existing subway statio n Key words : Tunnel ; Shield2driven met ho d ; Existing st ruct u

31、re ; Deformatio n ; Numerical simulatio n can be p rotected well by optimizing t he co nst ructio n parameters of shield2driven machine. ( 上接第 53 页 29 深孔台阶爆破地震效应研究 变化规律 , 各个方向爆破地震波峰值速度比较 , 水平方向爆破地震波峰值速度对比 , 拾振器安装方式对测试结果的影响 . 将惠更斯 菲涅耳原理和柯希霍夫衍射理论应用于爆破地震波传播和衰减规律的研究 , 按照现场测试数据 回归分析的研 究路线 , 在理论研究的基础上 , 研

32、究爆源与被保护物之间存在高程差条件下的爆破地震效应特征 , 建立适用于在深孔台阶 爆破的地震波传播与衰减的半理论 ,半经验公式 , 对萨道夫斯基公式在实际工程爆破中的应用提出了符合波动理论的修正 研究方法和表达式 .试验数据表明 , 超过一定距离后 , 水平质点振动速度有大于垂直质点振动速度的趋势 .对比分析了拾 振器采用不同安装方法所取得的测试结果 , 为工程中使用简便的测试方法提供了可靠依据 .目前 , 该项目的研究成果已成 在爆破地震波的幅值不超标的前提下使同时起爆的炮孔数量尽可能多 , 既保证了周围建筑物的安全 , 又满足了施工进度的 工程爆破协会组织的技术鉴定 . 项 .针对常见的工

33、程地质条件 ( 黏弹性介质 , 建立了爆破地震波主频率和距离 ,药量之间的关系式 , 提出了有理论依据的 功应用于深圳市一些大方量的石方爆破开挖工程 , 在极其复杂的环境中 , 尽量提高每次的爆破量 , 并为了改善爆破效果 , 要求 , 降低了爆破成本 , 为城镇复杂环境中实施深孔控制爆破提供了新技术 .该项目的研究成果于 2008 年 6 月通过了中国 30 海南西环线 160 km ·h - 1 提速工程线桥改造试验与评估研究 的动载测试数据 ,典型测试波形以及恒载下跨中裂缝宽度等数据 , 了解桥梁结构的动力系数 ,振动特征 ( 振幅 ,频率 ,阻 的差距 , 为既有桥梁的加固或改建提供依据 .通过对海南西环