盾构隧道施工对富水软弱地层的扰动分析
2014-07-02王洪德戴陆
王洪德,戴陆
(1.大连交通大学 土木与安全工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 环境与化学工程学院,辽宁大连116028)*
0 引言
作为地下空间开发中的核心技术之一,盾构隧道施工技术己在能源、交通等领域的隧道建设中得到广泛运用[1].在复杂地层或富水软弱地层开挖过程中,盾构施工具有安全、可靠、劳动强度低,以及环境影响小等显著优点.随着地下工程项目增多,盾构开挖隧道时所遇到的岩土环境问题也越来越多样化.其中,盾构开挖引起土体扰动一直是国内外学者研究的重热点问题,主要表现为盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土岩性能的变异、地表隆起与下沉等[2].而土体的扰动往往引发一系列环境病害,如造成周围房屋构筑物开裂、倒坍,邻近管线断裂、破损等[3].欧洲部分国家在20世纪初开始重视对软弱地层中开挖隧道产生地面沉陷和地层变形问题的探讨[4].国内外学者对这一问题的研究方法可归纳为经验公式、室内模型试验、数值模拟和理论分析等[5-9].随着计算机技术的发展,数值模拟的优势突显,成为研究盾构施工地层位移一种非常重要的方法[10-11].本文以大连地铁某盾构施工作业为研究对象,在充分考虑隧道开挖过程中地下水影响的前提下,采用修正剑桥模型对盾构隧道开挖过程进行仿真,并与实测数据进行对比分析,以期为盾构隧道施工提供指导性建议.
1 工程概况
该标段采用盾构施工,区间隧道全长1.6 km,隧道结构的最大土厚34.4 m.盾构衬砌管片内径为5 400 mm,外径为6 000 mm,管片宽为1200 mm,每环由6片管片拼装而成.根据设计地勘资料,区间地貌为马栏河阶地,地层自上而下依次为素填土、卵石、强风化碎裂岩、中风化碎裂岩、强风化钙质板岩、中风化钙质板岩.且地下水量丰富,具承压性,属水量极丰富区,易造成局部流砂、涌水等现象.本次勘察期间地下水位埋深2~5 m.沿线地下水类型主要是第四系孔隙水和基岩裂隙水、岩溶水两种,水位高程6.36~7.78 m.经取样分析,地下水对混凝土结构无腐蚀性;对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性;对钢结构具中等腐蚀性.研究区域工程地质如图1所示,各土层物理力学参数如表1所示.
表1 各土层物理力学参数表
图1 施工区间的地质柱状图
2 模型选取
2.1 土体本构模型
英国学者Rosco提出的应用于正常固结粘土或超固结粘土的修正剑桥模型是一个计算土体应力—应变性能的弹塑性本构模型,能够反映土体的弹性非线性、硬化/软化以及屈服特性等土体特有性质,适用于描述含水率较高的软弱地层.
针对修正剑桥模型需要输入的参数主要有M、λ、k、PCo等参数,其修正剑桥模型在e-p-q空间坐标如图2所示.
图2 修正剑桥模型示意图
图2中,ACEF是状态边界的一部分,AC是三向等压力固结线,EF线是q为最大值各点连线,即临界状态线.对于正常压密粘土σ1/σ3=(1+sinΦ')/(1-sinΦ')可得到摩擦常量M,式中Φ'为有效内摩擦角
正常固结曲线及等压膨胀曲线(λ,k)根据式(2)、(3)确定
式中,CC是正常压缩曲线在e-logp平面上斜率,CB是在卸荷状态下回弹曲线在e-logp平面上斜率,如图2所示.通常可在(1/5~1/3)λ范围内选取k值.
前期固结应力Pc0为
式中,OCR为超固结比,p0,q0分别为现有土体应力状态.
屈服方程为
关于剪切模量G与最大体积弹性模量Kmax,修正剑桥模型中定义土体单元的实际计算时的体积模量与其平均有效应力、孔隙比容相关.弹性模量K随着土体的应力应变状态而自动改变,K表示为
2.2 管片支护模型
采用岩土工程的shell隧道管片结构单元模拟隧道管片.每个壳型结构单元是由其几何形状与材料参数来定义的,一个壳构件被假定为由3节点组成的均匀厚度的三角形,由这些三角形壳型构件组成的面可以形成一个任意形状的壳.每个壳构件可视为各向同性或异性的线性弹性材料,并且无破坏极限.
3 数值模拟
3.1 模型设计及参数
模型取高24 m、宽20 m、长20 m,模型网格划分如图3所示.
图3 模型网格划分
图4 盾构开挖循环流程
隧道开挖过程(图4):首先,去除需开挖管片环的地层单元,添加管片单元模拟环管片支护,在开挖面上施加支护应力,关闭流体渗流分析部分,计算模型在单力学场中土体不排水变形量,迭代计算使模型在不排水状态下达到平衡;然后,开启流体渗流场,采用流固耦合计算土体在该环开挖时间内的固结变形量,耦合分析该开挖步完成后,进入下一环的开挖过程.如此往复循环,直至开挖完成.
3.2 监测点设置
采用FLAC3D的History命令对监测点位进行仿真分析.第一组5个测点,设置在模型上表面距离Y轴2 m处的X轴沿线,相距4 m,监测竖向位移即沉降变形,沿X轴正向依次点号为:No.001、No.002、No.003、No.004、No.005;第二组 1个监测点,设置在横断面管片内中心线B处y=5m如图3所示,对孔压进行检测.
4 计算结果验证及分析
提取模型数据,得到监测点1~5的变形曲线,如图5所示,并选择具有代表性的监测点No.001和No.004与工程实测数据进行对比验证如图6所示,证得该模型对于本工程有着实际指导意义.
图5 监测点沉降变量随开挖过程的变化曲线
图6 地表沉降监测点实测与模拟对比
基于FLAC3D仿真给出图7为开挖至第五环时地层变形云图及位移矢量图,当设置的开挖面支护压力小于地层原始静止土压力时,地层会发生较为显著的向隧道内部的位移,经过计算开挖面土体最大位移量为9.375 cm.
图7 地层变形云图及位移矢量分布
图8 地层孔压云图及孔隙水渗流矢量分布
如图8所示为开挖面第五环时地层中孔压云图及孔隙水渗流矢量图,可以发现由于开挖面附近土体的膨胀,引起开挖面附近形成负的超孔隙水压力,进而开挖面附近孔隙水的流动方向是由上部向下部流动.
开挖完成时的地层孔压云图及渗流矢量分布如图9所示,可以发现,扰动引起的地层中的孔隙水压力与原始地层静水位状态下的孔压分布明显不同,超孔压的产生引起了孔隙水在地层内部的渗透流动.从图9中流体矢量可发现孔隙水在开挖完成后仍持续发生向隧道方向的渗透.对照孔压云图(图9)及对B点的监测数据变化曲线(图10),孔压随着开挖过程经历了先降低再升高的过程;当开挖面接近B点时,B点孔压降至最低点;随着开挖推移,B点孔压渐渐回升,说明开挖面越接近的土岩层,其扰动越大.从开挖完成时的地层的沉降云图(图11)可看出,土岩层的变形趋势随着开挖隧道的接近而增大.
图9 开挖完成时地层孔压云图及孔隙水渗流矢量分布
图10 B点孔压随开挖过程的变化曲线
图11 开挖完成时地层变形云图
5 结论
以大连地铁201标段某区间盾构隧道施工为背景,基于数值仿真技术,分析盾构开挖对富水软弱地层的扰动影响,并针对土体沉降、孔压及渗流矢量进行具体分析,得到如下结论:
(1)土体开挖破坏其原始应力状态,使土体单元产生应力增量,引发周围地层产生不排水变形,且引起土体位移;同时,饱和土体随应力状态变化产生伴随的超孔隙水压力,使得粘土地层隧道周围土体开挖后的一段时间内产生持续位移,孔隙水仍持续发生向隧道方向渗透;
(2)地层的变形在距离隧道较近的区域沉降较大,而随着离开隧道距离的加大,沉降也逐渐缩小;
(3)修正剑桥模型能较精确地模拟土体性状,适用于含水率较高的软弱地层.
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