软土盾构隧道纵向沉降的三维有限元分析

软土盾构隧道纵向沉降的三维有限元分析

目前，软土隧道通常采用结构法进行建设，长期沉降非常显著。通过对大量隧道长期沉降数据的研究，得出以下结论：在正常情况下，隧道的长期沉降占总沉降时间的30%90%，并已得到证明。《上海地基建设规范》提出，结构隧道垂直沉降的影响不容忽视，尤其是隧道底部土层特征的层压结构变化和覆土厚度急剧下降。隧道纵向速度的结构复杂，隧道纵向变形的结构性能和计算模型也是许多科学家的研究重点。有限单元法作为一种通用的结构分析方法,已经成为研究分析隧道纵向结构性能的主要手段之一.AKAQI等采用二维、三维有限元研究土体开挖时隧道纵向问题;同济大学的胡坚应用SUPERSAP91程序分析了盾构平行推进、立体交叉推进等情况下隧道纵向位移和应力的空间分布规律;黄钟晖运用三维有限元对拼装衬砌的环间剪切力的传递规律进行了分析;张凤祥等运用MARC大型三维有限元分析系统,分析了不同工况下盾构衬砌的受力和变形,并计算出了盾构衬砌的纵向接缝张开量;张志强建立了模拟盾构机掘进隧道的三维有限元力学模型,获得了随盾构推进引起的地表沉降、隆起等变形以及隧道围岩、管片的变形规律.尽管以上研究都取得了较好的成果,但如何准确模拟隧道在使用阶段的纵向变形仍然是目前研究的难点,本文利用摩尔-库伦准则确定土的本构关系,用ADINA建立三维隧道模型,对局部均匀荷载作用下的隧道变形进行了数值分析,更好地为研究隧道的纵向沉降提供参考.1模型的构建1.1材料的均质、相向性体对计算模型进行如下假设:1)土体为理想弹塑性体,同一层土体为均质、各向同性体,周围土体用摩尔-库仑材料模拟,混凝土为线性材料;2)岩体的初始应力场仅考虑其自重应力,不考虑构造应力;3)计算中不考虑隧道衬砌与土体的脱离现象,认为它们始终是协调变形的.1.2面周围岩土体的位移由圣维南原理可知,研究断面离开挖面越远,隧道开挖对研究断面周围岩土体的影响越小,因此建立有限元模型时只分析一个有限的区域即可.实践证明,在进行有限元分析时,当计算范围为开挖范围的3～5倍时,认为由开挖引起的土体位移值为零.1.3模型的选择由于摩尔-库伦准则物理概念简单,参数少,且较为符合岩土和混凝土材料的屈服和破坏特征,因此本文采用摩尔-库伦准则.1.4土体及结构物理力学参数某隧道处于灰色淤泥质黏土地层中,隧道结构外径6.2m,内径5.5m,管片混凝土等级为C50,隧道中心埋深为12.0m.土体及结构的物理力学参数见表1.1.5隧道支护结构在有限元计算中,采用3D-Solid八节点等参单元来模拟岩体;采用四节点壳单元模拟隧道支护结构.模型上边界为自由边界,其他均为约束边界.其中四周受水平方向约束,底部为竖向约束.整个计算模型在X、Y、Z三个方向尺寸为100m×40m×35m,整个模型有21900个实体单元和2000个壳单元.三维模型、支护结构如图1所示.2垂直沉降分析的下层性质变化2.1下卧土层弹性模量对沉降的影响在地表范围作用均布荷载为50kPa时,隧道纵向刚度不进行折减.将下卧土层的弹性模量E分别取为10、15、20、25、30MPa,其他参数同算例.取隧道计算长度中心为原点,隧道到原点的距离用r表示,隧道纵向沉降用s表示,隧道最大沉降用smax表示,荷载集度用q表示,以下表述相同.当下卧土层的弹性模量不同时,隧道的纵向沉降曲线如图2所示.由图2可知,当隧道上覆土层表面大范围作用均布荷载时,如果下卧土层性质一致,则隧道纵向沉降值相等,且随着下卧土层弹性模量的增大,沉降值逐渐减小.另外可以发现,随着土层弹性模量增大,弹性模量差值相同时,隧道沉降差值减小,说明随着土层弹性模量的增加,弹性模量对隧道沉降影响逐渐减小.2.2软土区域纵向长度l如果地层性质相同,则在荷载作用下隧道发生整体均匀沉降,常见病害将大大减少.但实际工程中隧道穿越的地层往往是不均匀的,下卧土层中会经常出现软弱夹层,导致隧道产生不均匀沉降、局部出现应力集中,产生极为不利的影响.当隧道穿越局部软弱土层时,如图3所示(其中E1、E分别表示土层、软弱夹层的弹性模量,L为软弱夹层的长度).以软土区域中心为原点,x轴表示隧道的纵向方向,z轴表示隧道的竖直方向.在地表作用均布荷载为50kPa,软土区域纵向长度L=6m,下卧土层硬土区域的弹性模量E1=30MPa,软土区域的弹性模量E分别取为5、10、15、20、30MPa,隧道纵向刚度不进行折减,其他参数同基本算例.下卧土层中软土夹层的弹性模量变化时,隧道纵向沉降曲线如图4所示,沉降最大值与弹性模量之间的关系如图5所示.由图4、5可知,当隧道穿越软弱土层时,随着软弱土层弹性模量E的减小,隧道沉降值增大;随着E1和E值的接近,隧道沉降影响范围逐渐减小.在均布荷载作用下,软弱夹层弹性模量E与隧道纵向最大沉降值呈线性关系.当软土夹层纵向长度发生变化时,隧道的纵向沉降曲线如图6所示.从图6可以看出,当软土夹层纵向越长,隧道的沉降值越大,且隧道所受影响范围越明显.当软土夹层的弹性模量过小或者长度过长时,隧道沉降值将超过允许沉降值,应通过理论计算得出隧道纵向变形值,然后采取相应的工程措施来控制其变形.3隧道垂直沉降分析是在当地均匀布置负荷变化期间进行的3.1隧道纵向沉降分别取荷载集度为1000、2000、3000、4000kN/m,分析荷载集度变化对软土盾构隧道纵向沉降产生的影响.局部荷载作用在隧道中间区域,宽度为20m,隧道纵向刚度有效率取1/20,隧道的纵向沉降曲线如图7所示.隧道纵向最大沉降值和地表作用的荷载之间的关系如图8所示.由图7、8可知,当局部荷载作用在隧道上方时,隧道所产生的纵向沉降曲线关于荷载中心对称分布,当荷载集度的作用宽度一定时,荷载集度的变化仅影响隧道沉降值的大小,不影响隧道的沉降范围,随着荷载的增大,沉降范围内各横截面上的沉降值也逐渐增大,并且隧道纵向最大沉降值与作用的均布荷载集度大小呈线性关系.3.2不同局部荷载作用宽度和长度对沉降值的影响图9为荷载作用宽度为40m、长度分别为6、18、30m时隧道的纵向沉降曲线,图10为荷载作用长度为6m、宽度分别为20、40m时隧道的纵向沉降曲线.由图9、10可知,当局部荷载作用宽度一定时,隧道整体的沉降范围基本一致,约为荷载作用宽度的1.5倍,作用长度仅影响隧道沉降值的大小,随着作用长度的增加,隧道沉降值不断增大;而当作用长度一定时,随着宽度的增加,隧道整体沉降范围逐渐缩小,但沉降值不断增大.同时,当隧道上方的均布荷载作用范围超过隧道直径后,隧道在纵向产生沉降和隆起,隆起值受作用宽度的影响大于作用长度.相比作用长度,局部荷载的作用宽度是影响隧道产生不均匀沉降的主要因素,在隧道的施工和运营阶段,应当避免在隧道上方作用大范围荷载.4土层厚度和作用长度对隧道沉降的影响1)下卧土层的性质直接影响隧道纵向沉降特性,隧道沉降值随着下卧土层弹性模量增大而减小,且随着土层弹性模量的增加,弹性模量的影响逐渐减小.2)非均匀的下卧土层是导致隧道产生纵向不均匀沉降的主要原因之一,隧道的纵向沉降随着软弱夹层弹性模量的减小、长度的增加而增加,沉降最大值与软弱夹层的弹性模量呈线性关系;软弱夹