盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響的預(yù)估

本文格式為Word版，下載可任意編輯——盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響的預(yù)估摘要:以杭州地鐵1號(hào)線過(guò)江隧道為背景,采用經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元數(shù)值模擬方法研究分析盾構(gòu)隧道施工引起的錢塘江北岸標(biāo)準(zhǔn)海塘地表沉降規(guī)律,比較兩種方法的計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了有限元數(shù)值模型的合理性,為隧道工程的順利實(shí)施提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;數(shù)值模擬;地層變形杭州地鐵1號(hào)線南起蕭山湘湖杭州樂(lè)園,穿過(guò)濱江新中心,至錢塘江時(shí)在最低沖刷高程以下通過(guò)江底,直達(dá)江北岸進(jìn)入婺江路下,并沿該路西行。過(guò)江隧道采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工,采用鋼筋混凝土管片單層裝配式襯砌。盾構(gòu)隧道外徑6.2m,內(nèi)徑5.5m,襯砌厚度35cm,環(huán)寬1.2m,襯砌環(huán)全環(huán)由6塊組成,環(huán)與環(huán)、塊與塊間均采用彎螺栓連接。過(guò)江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)不可避免地引起地層擾動(dòng),引起地層變形及地面沉降。擾動(dòng)導(dǎo)致土體強(qiáng)度和壓縮模量的降低,這將引起長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)和次固結(jié)。當(dāng)?shù)貙幼冃纬^(guò)一定范圍時(shí),會(huì)嚴(yán)重危及周邊建筑物的安全。因此,把握地層沉降規(guī)律并預(yù)先評(píng)估其影響程度,對(duì)工程的順利實(shí)施極為重要。本文采用經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元數(shù)值模擬方法對(duì)錢江通道盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中明清魚鱗石塘的地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究,以期對(duì)海塘的保護(hù)措施及隧道工程的順利實(shí)施提供參考依據(jù)。1盾構(gòu)隧道引起土層變形的發(fā)展過(guò)程盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面沉降分為5個(gè)階段[1-2]:1)初期沉降:即盾構(gòu)開挖面到達(dá)某一位置之前,在盾構(gòu)推進(jìn)前方的土體滑裂面以外產(chǎn)生的沉降。因初期沉降量較小,所以一般不被人們覺(jué)察。2)盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地面變形:為在開挖面靠近觀測(cè)點(diǎn)并到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)下方過(guò)程中所產(chǎn)生的沉降或隆起現(xiàn)象。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的正面土壓力等于開挖面靜止土壓力時(shí),掘進(jìn)對(duì)土體影響最小;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力不足,其正面土壓力小于開挖面的靜止土壓力時(shí),開挖面土體下沉;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)大則會(huì)引起開挖面土體的隆起。3)盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的地面變形:為盾構(gòu)機(jī)開挖面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)至盾構(gòu)機(jī)尾部通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)這一過(guò)程所產(chǎn)生的沉降。該沉降主要是由于盾構(gòu)機(jī)的通過(guò)破壞了原來(lái)的土體狀況,造成土體的擾動(dòng)所致。4)盾尾空隙沉降:由于盾尾通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)盾尾間隙,這個(gè)盾尾間隙的上方及周邊土體應(yīng)力釋放引發(fā)了彈塑性變形。5)長(zhǎng)期延續(xù)沉降:由于盾構(gòu)通過(guò)時(shí)對(duì)地基土產(chǎn)生了擾動(dòng),再加上上面的各種剩余影響,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),地基將繼續(xù)發(fā)生固結(jié)沉降和蠕變沉降。2地層隆沉估算2.1地面沉降橫向分布計(jì)算地表沉降橫向分布曲線的形狀可用peck[3]公式合理地表達(dá),這一概念已被人們所接受,上海地區(qū)的大量盾構(gòu)施工實(shí)例也充分證明白它的實(shí)際使用效果[4-5]。peck假定施工引起的地面沉降是在不排水狀況下發(fā)生的,沉降槽的體積等于地層損失的體積。地層損失在隧道長(zhǎng)度上是均勻分布的,隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為一正態(tài)分布曲線:

式中:s(x)為距離隧道中心線處的地表沉降(m);smax為隧道中心線處最大地面沉降(m);x為距隧道中心線的距離(m);i為沉降槽寬度系數(shù)(m);vs為盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度地層損失(m3/m)。peck公式中的vs(地層損失)與盾構(gòu)種類、操作方法、地層條件、地面環(huán)境、施工管理等因素有關(guān),目前尚難給出確定的解析式。根據(jù)統(tǒng)計(jì),在采用適當(dāng)技術(shù)和良好操作的正常施工條件下,地層損失vs可表示為:vs=vlπr2(3)式中:vl為地層體積損失率,即單位長(zhǎng)度地層損失占單位長(zhǎng)度盾構(gòu)體積的百分比;r為盾構(gòu)機(jī)外徑(m)。沉降槽寬度系數(shù)i決定了盾構(gòu)施工對(duì)周邊土體的影響范圍,一般而言,沉降槽半寬為2.5i。研究說(shuō)明,i取決于接近地表的地層的強(qiáng)度、隧道埋深和隧道半徑,其計(jì)算式如下:

2.2地面沉降縱向分布計(jì)算劉建航[6]院士在peck法的基礎(chǔ)上,提出了負(fù)地層損失概念,并將地層損失分成開挖面和盾尾后的地層損失兩部分,得出了地面沉降量的縱向分布預(yù)計(jì)公式:

式中:s(y)為距原點(diǎn)距離y的地面沉降量,負(fù)值為隆起量,正值為沉降量(m);vl1為

盾構(gòu)開挖面引起的地層損失,欠挖時(shí)為負(fù)值(m3/m);vl2為盾構(gòu)開挖后,以盾尾空隙壓漿不足及盾構(gòu)改變推進(jìn)方向?yàn)橹鞯乃惺┕ひ蛩匾鸬牡貙訐p失(m3/m);y為沉降點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)的距離(m);yi為盾構(gòu)推進(jìn)點(diǎn)處盾構(gòu)開挖面至坐標(biāo)原點(diǎn)的距離,yf為盾構(gòu)開挖面至坐標(biāo)原點(diǎn)距離(m):yi′=yi-l;yf′=yf-ll為盾構(gòu)長(zhǎng)度(m);φ(y)為正態(tài)分布函數(shù)的積分形式?？v向沉降槽寬度系數(shù)iy和橫向沉降槽寬度系數(shù)ix可通過(guò)修正系數(shù)k聯(lián)系起來(lái):iy=kix(6)隨著盾構(gòu)隧道的推進(jìn),魚鱗石塘地表沉降發(fā)展過(guò)程如圖2所示。由圖2可知,盾尾空隙沉降和長(zhǎng)期延續(xù)沉降占總沉降的比例為50%～80%。

3有限元分析法預(yù)計(jì)地層沉降隨著有限元法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬法在預(yù)計(jì)分析盾構(gòu)隧道引起的地層變形中被廣泛應(yīng)用。錢江通道過(guò)江隧道采用雙管單層雙向六車道盾構(gòu)方案,傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法無(wú)法很好地完成地層變形評(píng)估,而有限單元法不僅可以模擬雙線隧道,而且可以考慮地層結(jié)構(gòu),適應(yīng)繁雜邊界條件,提供更為豐富全面的計(jì)算成果,更適合地層