盾构施工引起土体位移的空间计算方法

Word版本，下载可自由编辑盾构施工引起土体位移的空间计算方法盾构施工引起土体位移的空间计算办法有哪些呢，下面我为大家带来相关内容介绍以供参考。

为解决城市日益紧急的交通问题,天津市将对原有地铁举行扩建,因为市区内施工场地及交通因素所限,许多地段无法采纳明挖法施工,盾构法成为天津地铁建设中常用的施工办法。目前,对于盾构法施工引起的土体位移分析主要采纳阅历办法(Peck公式[1])和有限元数值计算办法,理论讨论滞后于工程实践,因此,加强对盾构法施工的理论讨论显得非常迫切。

1引起土体位移的主要因素

土压平衡盾构机是目前隧道工程中非常先进的一种施工机械,它具有施工速度快、平安程度高以及对土体扰动小等特点。盾构施工引起的土体位移主要包括盾构前方土体的隆起和盾构推过后土体的沉降。利用调整盾构前部密封舱内的压力值可以平衡因土体开挖而浮现的侧向土压力,基本保持盾构前方土体的应力状态,所以盾构前方的土体隆起值较小。盾构推过产生的土体沉降主要是由地层损失引起的,即隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工体积之差,地层损失的横断面(图1)可以利用空隙厚度g来表示:

g=U*3Dω2Δδ,(1)

式中,U*3D为因开挖面荷载释放使开挖面前方土体进入开挖面导致的超挖空隙厚度;ω为施工条件及操作技术影响因素;Δ为盾尾壳体的厚度;δ为安装衬砌所需的孔隙厚度。对于g的四个组成的计算与确定,由于土压平衡盾构可以很好地控制压力舱的压力值,U*3D基本可以忽视,而对于技术较为娴熟的施工工艺,ω的影响相对较小,所以盾构切口环直径与衬砌外径之差(2Δδ)是空隙厚度的主要组成部分。

2镜像办法原理

镜像办法是由Sagaseta提出[3,4],可以解决线弹性半无限体内因为空隙产生的位移场的求解问题,基本分析步骤如下(图2)。

a。忽视地面的存在,问题由半无限体转化为在无限体内的空隙问题,在原地面位置将产生正应力σ0和剪应力τ0。

b。在无限体内与原空隙镜像位置假想一大小相等的体积膨胀,该体积膨胀将在原地面位置产生正应力-σ0和剪应力τ0。

c。前两步在原地面位置产生的正应力相抵消,剪应力为2τ0,为符合实际自由边界条件,将产生的附加剪应力反号施加于半无限体表面。以上三步产生的位移之和即为实际问题的位移解答。

对于无限体内半径为a的空隙(图3),与其距离为r的任一点处将产生径向位移

式中,G为剪切弹性模量。τxz在y=y0时的分布及方向如图5,同理可知τyz的分布与方向,为符合实际边界条件,将τxz和τyz反方向作用于地表,利用对已知的由地表水平力产生的位移的解答(Cerruti解答)举行数值积分[5],即可求得第三步的位移解答,其中竖向位移为

在x和y方向上的位移Sx及Sy也可以同样求得。以上求得半径为a的空隙引起的任一点位移,对于单位体积的空隙产生的位移在以上基础上除以体积4πa3/3,它们均是x,y及z的函数。

3土体位移计算

隧道推动产生的土体位移可以利用对单位体积空隙产生的土体位移解答积分得到,如图6,设隧道开挖断面中心线深度为h,自(0,0,h)点沿x轴正方向掘进,推动到(l,0,h),空隙厚度为g。地层损失为两个长度相同,半径不同而且侧壁相连的圆柱体之间的空隙,即V=V1-V2,其中外圆柱体V1轴线深度h,半径为盾构切口半径R,长度l;内圆柱体V2轴线深度hg/2,半径为衬砌外径r(r=R-g/2),长度l。半无限体内任一点(x,y,z)处的单位体积空隙产生的位移可以表示为x,y,z的函数,比如竖向位移sz=sz(x,y,z),则隧道掘进产生的土体竖向位移可以利用以下积分求得

U1为外圆柱体积分得到的竖向位移,U2为内圆柱体积分得到的竖向位移,土体内任一点的竖向位移是由内外两个圆柱体产生的竖向位移相减得到。同理,其它方向的位移也可利用同样的办法得到。

4壁后注浆

为了减小地面沉降量,在盾构推动同时举行同步注浆,在衬砌脱离盾尾时从盾尾的几个注浆孔喷射浆液以控制地面沉降量。注浆过程可以看作是产生盾尾空隙的逆过程,对它引起土体位移的计算可以按照上节的推导举行,只是位移方向相反。盾尾各个注浆孔的注浆压力不同,普通上面的注浆孔较大,下面注浆孔的较小或不注浆,这样实际衬砌外围的浆液并非匀称分布,而是上大下小,据此特点,本文提出注浆产生的体积膨胀与盾尾空隙的空间分布相像,也是半径不同而且侧壁相连的两个圆柱体之间的所夹体积,但是该体积膨胀并不等于实际的注浆体积,由于在实际注浆过程中存在浆液损耗,浆液损耗体积与土体孔隙率及渗透系数、注浆压力、隧道超挖状况及输送浆液管道长度紧密相关,普通来说浆液损耗体积随土体孔隙率及渗透系数、注浆压力、隧道超挖体积和管道长度的增大而增大。综合考虑,可以采纳损耗系数来描述浆液的损耗状况。

5工程应用及结论

天津地铁一号线工程总长26。2km,部分路段采纳盾构法施工。工程实测段位于小白楼站至下瓦房站区间盾构施工段的端头井附近,试验中采纳分层沉降仪来量测各层土体在盾构施工过程中竖向位移,采纳测斜仪来量测盾构施工过程中周围土体的水平位移,同时在各测点处加设地面点以量测盾构推动过程中地表的沉降逻辑,仪器埋设平面布置如图7,ZX1~ZX4和FC1~FC4为分层沉降测孔,CX1~CX4为测斜仪测孔。

实验中对盾构进洞掘进的囫囵过程举行监测。按照镜像办法计算原理及注浆压力影响的分析办法,编写程序对盾构推动过程中因为地层损失及同步注浆引起的土体位移举行计算,并和实际监测结果对照。隧道轴线位于地表以下11。85m,h=11。85m;盾构机切口环外径6。4m,衬砌外径6。2m,孔隙厚度g=20cm;盾尾每沿米的实际注浆量为3m3左右,浆液损耗系数约为0。6,每沿米有效注浆体积为1。2m3。

本文计算了盾尾末端到达100m时土体的位移状况,得到隧道中心线上方纵向地表沉降曲线(图8),从盾尾末端前40m至后40m范围内隧道中心线上方地表沉降逐渐增大,盾尾末端上方地表沉降约15mm,其后40m处中心线上方地表沉降约为31mm,之后地表沉降基本不变,即可认为沉降稳定。

本文取盾尾末端后50m处横断面举行计算,该断面地表及地表以下5m处横向沉降曲线如图9和图10。同步注浆的效果非常显然,很大程度上削减了土体的沉降值,计算得到的总体沉降曲线与实测值吻合良好。计算得到隧道横断面沉降等值线(图11),可以发觉隧道轴线上方沉降随深度增强而增大,最大沉降发生在地表以下8m左右,大约在衬砌顶部上方。衬砌下方土体向上隆起,隆起的最大值发生在衬砌底部。

图12为距轴线6m土体水平位移计算值与实测结果对照图,各深度水平位移均以地表处水平位移为参照。从图中可以看出计算和实测的最大水平位移发生在隧道中心线深度位置附近,大小为3cm左右,虽然计算得到的最大水平位移比实测大一些,但总体水平位移沿深度的分布趋势与实测全都。总体来说计算结果与实测结果较吻合,说明镜像办法及对注浆过程的计算办法较符合实际状况,计算结果牢靠。

土体产生位移的主要缘由是地层损失,按照地层损失的空间分布逻辑采纳镜像办法可分析计算隧道推动过程中的位移场分布。将注浆过程看成产生盾尾空隙的逆过程且浆液的空间分布与盾尾空隙的分布相像是