黄土地区隧道盾构法施工引起的地表沉降分析.pdf

第3 卷第7 期2 0 0 7 年1 2 月地下空间与工程学报C h i n e s eJ o u r n a lo fU n d e r g r o u n dS p a c ea n dE n g i n e e r i n gV 0 1 3D e e 2 0 0 r 7黄土地区隧道盾构法施工引起的地表沉降分析刘银利(西安建筑科技大学建筑设计研究院西安7 1 0 0 5 5)摘要：盾构法施工在城市地下工程建设中有着广泛的应用前景。选取西安地铁二号线隧道，建立了盾构施工三维有限元模型，分析了隧道盾构法施工引起的地表沉降，并对影响地表沉降的有关因素进行了研究。所得到的结论对地铁隧道盾构施工具有一定的指导意义。关键词：黄土；隧道；盾构法；地表沉降；数值模拟中图分类号：T U 4 7 1文献标识码：A文章编号：1 6 7 3-0 8 3 6(2 0 0 7)0 7 1 2 2 4-0 4A n a l y s i so nG r o u n dS u r f a c eS u b s i d e n c eo fM e t r oT u n n e lI n d u c e db yS h i e l dC o n s t r u c t i o ni nL o e s sL I UY i n 1 i(舭概删脑切I n a i z 砒-瓜矾U n l v e r s i l yo f A r c h 胁a n dT e c h n o l o g y-X i 7 1 0 0 5 5-C h i n a)A b s t r a c t：S h i e l dt u n n e li sa r ta t t r a c t i v ee x c a v a t i o nm e t h o di nt h ec o n s t r u c t i o no fm u n i c i p a lu n d e r s r o u n d 伽|g i-n e e r i n s At u n n e li nt h el i n eN o 2o fX i a ns u b w a yw t a k e na se x a m p l ea n d3 DF E Mm o d e lw a 9u s e dt Oa n a l y z et h eg r o u n d 蜘h s u b s i d e n c e T h ec o n d u s i o n sd r a w nf r o mt h ea n a l y s i sc a np r o v i d ev a l u a b l eI 彘r e n f o rt h ep r a c-r i c e K e y w o r d s：l o e s s；t u n n e l；s h i e l d d r i v e n；g r o u n d8 u d 如s u b s i d e n c e；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n1引言盾构法施工引起的地表沉降成为值得关注的问题之一，围绕这一问题已做了不少研究工作【1 5】。盾构法在黄土地区修建隧道尚属首次，本文以西安地铁二号线某区间地质资料为例，研究了地基土压缩模量、内摩擦角、粘聚力、覆土厚度、隧道直径、开挖面压力、盾尾空隙填充率、注浆压力、盾构机推力、开挖步长等因素对地表沉降的影响，可为类似工程施工提供参考。2 计算模型的建立西安地铁二号线隧道盾构法施工的基本情况为：盾构机长8 0 m，外径6 3 5 m，管片宽l m，厚3 5 c m，衬砌为通缝拼装，盾尾空隙宽7 c m，盾构刀盘外径比盾构壳外径大1 c m。地基土主要由填土、黄土及古土壤层组成，粉粒含量一般在6 0 以上，富含碳酸盐，垂直节理发育。地下水位5 5 m，隧道轴线埋深1 2m，各土层厚度及有关物理力学参数见图1。3 地表沉降影响因素分析3 1 隧道覆土厚度和外径的影响覆土厚度分别取H=1 2 0 m、1 5 0 m、2 0 0 m、2 5 0 m、3 0 0 m，对于每种覆土厚度，盾构外径分别取为D=4 0 m、6 0 m、8 0 m、1 0 0 m、1 2 0 m 进行计算。不同覆土厚度(此时隧道直径取为4 0 m)情况下，地表最大沉降与隧道覆土厚度H 的关系如图2 所示。不同覆土厚度情况下地表沉降都随着盾构外径的增加而增加，也基本呈线形关系，这说明在相同地层损失情况下隧道覆土厚度越大，沉降槽范围越大，最大地表沉降就会越小。收稿日期：2 0 0 7-0 8 1 0(修改稿)。+作者简介：刘银利(1 9 7 0)，女，陕西渭南人，工程师，主要从事建筑结构设计工作。2 0 0 7 年第7 期刘银利，等：黄土地区隧道盾构法施工引起的地表沉降分析Y=1 6 k g m t上覆层黄土E=7 1 M p au=0 3o 墨o膏土、古壤土Y-_ 17 8 k g E=1 4 M p av=0 3Y=1 9 k g w古壤土E=4 M p av=0 3图1 地层剖面及隧道位置F i g 1P r o f i l e0 ft h es o f ta n dt u n n e l图2 地表最大沉降与盾构外径的关系F i g 2T h er e l a t i o nb e 晰嘲S a n dD不同隧道外径(此时覆土厚度为1 0 0 m)情况下，地表最大沉降与隧道外径D 的关系如图3 所示。不同盾构外径情况下地表沉降都随覆土厚度的增加而减小，且基本呈线性关系，这说明在相同覆土厚度情况下沉降槽宽度不变，盾构隧道外径越大由盾构施工引起的单位长度的地层损失就越大，在相同沉降槽宽度的情况下最大地表沉降也越大。图3 地表最大沉降与覆土厚度的关系F i g 3T h er e l a t i o nb e t w e e nS。a n dH最大沉降和覆土厚度与盾构外径之比H D 的关系如图4 所示。可以看出，地表最大沉降随覆土厚度与盾构外径之比H D 增加而减小。隧道覆土厚度和隧道盾构机外径对地表沉降的影响非常大，可以看出在地层条件允许的情况下，隧道设计时增加隧道埋深是减小地表沉降的有效途径。图4 地表最大沉降与H D 的关系图F i g 4T h er e l a t i o nD e t w e e l tS。a n dH D3 2 黄土粘聚力C 的影响盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 时，地表最大沉降与地基土粘聚力的关系如图5 所示。可以看出，土体粘聚力对地表最大沉降有一定影响，随着土体粘聚力增加，地表最大沉降逐渐减小。图5 土体粘聚力与地表最大沉降的关系F 强5T h er e l a t i o nb e t w e e nS。a n dC3 3 黄土地基土压缩模量E s 的影响盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 时，地表最大沉降与土层压缩模量的关系曲线如图6所示。从图中可以看出，随着土层模量的增加，地表沉降逐渐减小，当土层模量较小时地表沉降随模量的变化明显，土层模量较大时地表沉降随模量的变化不大。3 4 土体内摩擦角9 的影响盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 时，地表最大沉降与土体内摩擦角的关系如图7 所示。可以看出，土体内摩擦角对地表最大沉降影响显地下空间与工程学报第3 卷图6 地表最大沉降与黄土压缩模量的关系F i g 6T h er e l a t i o nb e t w e e nS a n dE s图7 土体内摩擦角与最大沉降值的关系F i g 7T h er e l a t i o nb e t w e e nS a n d 妒著，随着土体内摩擦角增加，地表最大沉降逐渐减少，但当土体内摩擦角超过2 5 0 后，再增大内摩擦角对减少地表沉降的效果减弱。3 5 开挖面压力变化量P 的影响盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 时，开挖面压力变化量A P 与地表最大沉降的关系如图8 所示。图8 中正值代表土压仓压力大于开挖面土体静止土压力，负值则代表土压仓压力小于开挖面土体静止土压力。从图8 中可以看出，开挖面压力变化量与地表最大沉降呈近似线性关系。随着P 的增大，地表最大沉降不断减小，但地表沉降的变化量很小，如P 增大了2 8 0k P a，地表最大沉降只减小了0 6 m m。3 6 壁后注浆的影响在盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 的情况下，本文取盾尾末端后5 0 O m 处横断面进行计算，该断面地表下5 O m 及1 0 0 m 处横向沉降曲线如图9。可以看出，同步注浆的效果十分明显，很大程度上减少了土体的沉降。3 7 盾尾注浆填充率的影响在盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 的情况下，分别取填充率弩=2 0、4 0、6 0、8 0、-伽1 0 0-6 001 0 01 5 0雕R O图8 地表最大沉降与开挖面压力变化量的关系F i g 8T h er e l a t i o nb e t w e e nS Ea n dAP距罐道轴缱水平距毫(a)地表下5 0 m 深度处(b)地表下1 0 O m 深度处图9 注浆压力对沉降的影响F i g 9T h ei n f l u e n c e0 fi n j e c t i n gB 1 e 昭o nt h es e t t l e m e n t1 0 0、1 2 0、1 4 0、1 6 0、1 8 0 进行计算，地表最大沉降与盾尾注浆填充率的关系曲线如图l O 所示。从图1 0 中可以看出，地表最大沉降随注浆填充率基本呈线性关系，随着注浆填充率的增加，地表沉降逐渐减小，盾尾注浆填充率对地表沉降的影响很大。从图1 0 中还可以看出，即使注浆填充率大于1 0 0，地表仍会发生沉降，改变盾尾注浆量是控制地表沉降非常有效的途径。3 8 推进步长的影响在盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 的情况下，推进步长分别取1 2 m、2 0 m、6 0 m 时进行分析。地表最大沉降量与推进步长的关系如图2 0 0 7 年第7 期刘银利，等：黄土地区隧道盾构法施工引起的地表沉降分析图1 0 地表最大沉降与填充率的关系F i g 1 0T h er e l a t i o nb e t w e e nS。锄d 审1 1 所示。可以看出，总体来说大步长较小步长的沉降量大，但当断面距刀盘面大于2 倍盾径时，步长对沉降的影响很不明显。2 01 8侣1 41 231 086420图1 1 步长对地表沉降的影响F i g 11T h ei n f l u e n c eo fs t e pl e n g t l lO nt h es e t t l e m e n t3 9 盾构机长度L 的影响在盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 的情况下，盾构机长度分别取1 2 m 和8 0 m 进行计算。盾构机长度L 与地表最大沉降S 一的关系如图1 2 所示。可以看出，盾构机长度较大时引起的最大地表沉降量相对变化不大，而盾构机长度较小时地表沉降沉降量变化显著，这是由于盾构机长度过短时，在推进中易于蛇行，纠偏扰动大，工作性能不稳定。3 1 0 盾构机推力P 的影响在盾构半径r=2 0 m，覆土厚度H=1 2 0 m 的情况下，盾构机推力与地表沉降的关系如图1 3 所示。可以看出，当开挖面作用的水平均布推力分别为0 2 5 M P a 和0 3 M P a 时，盾构推进引起的最大地表沉降量变化不大，当盾构推力为0 6 M P a 时，上部地层随着盾构的推进而出现显著的隆起现象，并且隆起量随着盾构的推进步数的增加而增加。：-2一：耙1：1 6图1 2 盾体长度对地表沉降的影响F i g 1 2T h ei n f l u e n c eo fLO i lS。图1 3 推进力对地表沉降的影响F i g 1 3T h ei n f l u e n c eo fp u s h i n gf o r c eo nt h es e t t l e m e n t4 结语盾构施工引起的地表沉降是由多种因素共同作用的结果，地表沉降的大小既与地层情况、地下水、隧道的埋深及截面特性等客观因素有关，也与施工方法、技术水平等主观因素密切相关。本文计算结果表明，即使地层情况相同，但采用的施工参数不同，地表沉降也会有很大的差异，如施工开挖时土压平衡力的大小、衬砌后注浆是否及时及盾构机的长度等因素对地表沉降具有重要的影响。因此，在盾构法施工时，应综合考虑各种因素的影响。参考文献：1 张海波地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟 D 河海大学博士论文，2 0 0 5(Z H A N GH a i b o N u m e r i c a lS i m u l a t i o no ft h ee f f e c to ft h em e t r os h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o no ns u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t D D o c t o r a t ed i s s e r t a t i o no fH o h a iU n i v e r s i t y，2 0 0 5(i nC h i n e s e)2 黄宏伟，臧小龙盾构隧道纵向变形性态研究分析 J (下转第1 2 3 1 页)2 0 0 7 年第7 期于维刚，等：对拉塞梅尔隧道P K 2 6 某段围岩大变形的认识1 2 3 1图5 岩体特性曲线与支护特性曲线相互作用图F i g 5I n t e r a c t i o nb e t w e e nr o c kf e a t u r ec u r v ea n ds u p p o r t i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e变形的原则分别可能出现大变形问题的段落采取以下措施J：短台阶法施工改为微台阶法，除为掌子面围岩稳定考虑外，同时尽可能缩短开挖支护封闭成环的时间；隧道开挖后，及时喷射混凝土，封闭暴露岩面，减小由于隧道通风使裸露岩体过分的失水干缩；初期支护采用喷射混凝土、超前锚杆、扩大钢架拱脚等；选择适当的时机施做永久衬砌。拉塞梅尔隧道在P K 2 6+9 6 0 一+9 8 0 段出现大变形后及时分析原因，调整施工方法和施工工艺后再未见出现此大变形问题，使围岩变形控制在设计及规范要求内，为后期永久衬砌的顺利施做提供了优越条件。5 2 围岩大变形的处理尽管在拉塞梅尔隧道在P K 2 6+9 6 0 一+9 8 0段出现大变形后及时调整了施工方法，但是后期对P K 2 6+9 6 0+9 8 0 段大变形的处理还是采取了审慎的态度。考虑到永久衬砌的厚度将会由于变形量过大而受到影响，同时变形的速率虽然已有明显降低，但是变形依然延续，故在这方面对永久衬砌的厚度、钢筋的布置等由设计单位根据实际情况进行补充设计验算，同时通过继续量测选择适当的永久衬砌施做时间。6 结论(1)拉塞梅尔隧道P K 2 6+9 6 0 一P K 2 6+9 8 0段围岩大变形的原因主要为隧道地质条件所致，粘土岩的膨胀性及塑性流变岩体的变形是导致围岩大变形的根本原因，对有膨胀性及塑性流变岩体段的隧道应该从前期设计及后期施工各阶段都要提前予以重视和充分考虑。(2)从围岩出现大变形的机理方面分析考虑，要预防和处理隧道施工中出现的大变形问题，原则上要预留一定的变形量，减小开挖断面，快封闭暴露围岩，勤量测，适时施做具有一定柔性的支护和永久支护。(3)要掌握围岩与支护变形的时间效应，最可行的办法是通过现场量测。参考文献：1 (G B 5 0 0 8 6-2 0 0 1)S ；(G B 5 0 0 8 6 2 0 0 1)s (i nC h i n e s e)2 张祉道隧道工程设计中的若干岩石力学问题世界隧道 J 1 9 9 5(4)：2 1 1(Z H A N GT n i d a n S o m er o c km e c h a n i c sp r o b l e m si nt u n n e l i n ge n g i n e e r i n gd e-s i g n J W o r l dT u n n e l 1 9 9 5(4)：2 1 1)3 (T B l 0 2 0 4-2 0 0 2，J 1 6 3-2 0 0 2)S (T B l 0 2 0 4 2 0 0 2，J 1 6 3-2 0 0 2)S (i nC h i n e s e)-面K 胡h 疥疥司 电争电争1 矽协疥秽、面卜电争叫驴、驴、矽、廖、西h 疥疥务疥疥疥疥价疥疥移参疥西h 司h 司卜司 趔氏疥西h d 争电q 争电p 电尹q 穸、争(上接第1 2 2 7 页)地下空间：2 0 0 2，2 2(3)2 4 4 2 5 1(H U A N GH o n g-w e i，J I A NX i a o l o n g S t u d ya n dn l y s i so fl o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o np e r f o 咖a l 脱o fs h i e l dt u n n e l J U n d e r-g r o u n dS p a c e：2 0 0 2，2 2(3)，2 4 4 2 5 1(i nC h i-n e s e)3 刘祖典黄土力学与工程 M 陕西：陕西科学技术出版社1 9 9 7(L I UZ u d i a n L o e s sm e c h a n i c sa n de n o-n e e r i n g M S h a a n x i：S h n a n x iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP r e s s，1 9 9 7(i nC h i n e s e)4 鬻尚坤盾构法修建隧道地表变形计算研究 J 路基工程：2 0 0 5，6：2 3 2 6(X U A NS h a n g k u n R e s e a r c hf o rC o m p u t a t i o no fT u n n e lG r o u n dD d o r m a t i o nW h e nU s i n gS h i e l dM e t h o dC o n s t r u c t i o n J S u b g r a d eE n g i n e e r i n g，2 0 0 5，6：2 3 2 6(i nC h i n e s e)5 于宁，朱合华盾构施工地表变形分析与三维有限元模拟 J 华中科技大学学报：2 0 0 4，2 5(8)：1 3 3 01 3 3(Y UN i n g，Z H UH e h u a A n a l y s i so fe a r t hd e-f o r m a t i o nc a u s e db ys h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o na n d3 D F E Ms i m u l a t i o n J R o c ka n dS 0 i lM e c h a n i c s2 0 0 4，2 5(8)：1 3 3 0 1 3 3(i nC h i n e s e)黄土地区隧道盾构法施工引起的地表沉降分析黄土地区隧道盾构法施工引起的地表沉降分析作者：刘银利作者单位：西安建筑科技大学建筑设计研究院,西安,710055 本文链接：http:/