桥式盾构施工中路基沉降影响因素分析

章 坤 陈 力

(华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

桥式盾构施工中路基沉降影响因素分析

章 坤 陈 力

(华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

为研究桥式盾构施工中路基沉降影响因素，基于数值模拟，采用强度折减法对土体的物理性质参数、盾构与土体间摩擦系数及列车荷载位置进行了建模分析，得出了各个因素改变过程中路基沉降影响曲线，模拟结果表明：①在土体物理性质参数中，内摩擦角对路基沉降影响较大，为主要影响因素，增大内摩擦角有利于控制路基沉降；②摩擦系数大小与列车荷载位置对路基沉降影响并不明显。研究成果可为桥式盾构优化提供参考。

桥式盾构； 路基沉降； 数值分析； 影响因素

路基沉降变形一直是实际工程中关心的问题，在研究桥式盾构施工中路基沉降以及确定其主要影响因素时，可借助数值分析的方法。岩土工程相关学者Ito、Resendiz、Rowe等采用有限元法分析了盾构法施工引起的周围地层土的动态特征[1-5]，将盾构施工数值分析这一技术推向了一个新的高度。在有限元分析中，改变模型中土体强度折减系数、弹性模量、泊松比以及内摩擦角等参数，会对土体沉降变形产生影响[6]。因此本文从土体物理性质参数、盾构与土体间摩擦系数及列车荷载3个方面展开了对桥式盾构施工中路基沉降影响因素的分析。

1 桥式盾构三维动态仿真模型

1.1 模型建立

桥式盾构箱涵顶推工程实际是一个复杂的三维问题，故在数值分析中需建立三维实体模型对此进行分析。本文结合某框架桥下穿铁路工程建立实体模型，由于重点研究的是路基沉降影响因素，因此将实体模型做了简化处理，在ABAQUS有限元分析软件中只建立了土体、盾构体以及框架桥3个模型，如图1～图3所示。模型均采用C3D8R单元，土体划分为34 038个单元，盾构体划分为11 396个单元，框架桥划分为2 950个单元，共计48 384个单元。其中框架桥与盾构均依据原型尺寸建模，框架桥顶面与路基顶面的距离为1.8 m。模型四周为水平约束，底部为全部约束，顶部为自由面。

图1 土体模型(m)

图2 盾构体模型

图3 框架桥模型(m)

1.2 土体材料本构模型

经比较分析，本文有限元模拟采用适用于岩土工程数值计算的摩尔—库伦本构模型，且只考虑一种土层，土体的物理力学性质参数基础值分别是：容重γ=18 kN/m3，粘聚力c=25 kPa，内摩擦角φ=25°，弹性模量E=60 MPa，泊松比为0.3，土体与盾构体及框架桥的摩擦系数均为0.5。其他相关材料物理参数如表1所示。

表1 其他相关材料物理参数

由于没有建立轨道、轨枕、道砟床等模型，故根据TB 10001-2005《铁路路基设计规范》采用等效荷载代替，重载I级铁路列车静载按等效土柱高度取值[7]。

1.3 工况拟定

为探讨盾构施工中路基沉降影响因素，在建立有限元模型后，取盾构体上方的路基中点，即位于开挖面正上方点进行分析。将土体物理性质参数、盾构与土体间摩擦系数及列车荷载位置作为模拟工况特征，采用控制变量的方式，依次通过改变特征参数(保持其他参数不变)获得路基沉降值[8]。工况拟定如下：

(1)强度折减对路基沉降影响分析中，分别选取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5作为土体折减强度系数；

(2)土体内摩擦角对路基沉降影响分析中，内摩擦角分别选取10°、15°、20°、25°、30°；

(3)土体粘聚力对路基沉降影响分析中，粘聚力依次选取10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa；

(4)土体弹性模量对路基沉降影响分析中，弹性模量由20MPa增加至60 MPa；

(5)土体泊松比对路基沉降影响分析中，泊松比分别取0.2、0.25、0.3、0.35；

(6)核心土与侧壁摩擦系数对路基沉降影响中，摩擦系数分别取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；

(7)列车荷载位置对路基沉降影响分析中，将列车荷载换算为等效土柱高度的静载，用荷载左边界至子盾构前端的距离表示荷载所在的位置，列车荷载位置分别取-3.7、0、+3.7、+7.4 m，共计模拟4种工况，如表2所示。

表2 模拟工况

2 结果分析

2.1 强度折减对路基沉降影响分析

Zienkiewicz等人最早提出了强度折减法，该方法被学者所认可并广泛应用于边坡稳定性分析[9]，且对路基沉降问题也具有较好的适应性。经数值计算得出路基沉降与强度折减系数之间关系曲线，如图4所示。根据路基沉降速率变化规律可将其失稳变化过程大致分为三个阶段：Ⅰ阶段为稳定阶段，即路基沉降基本无变化；Ⅱ阶段为持续沉降阶段，即路基沉降不断发展增大；Ⅲ阶段为急剧沉降阶段，即路基沉降量急剧增大。在Ⅱ阶段，开挖面核心土体因变形而挤出，由于受到盾构体侧边摩擦力的作用，暂不会急剧变形失稳，因此抑制了路基沉降量骤然增大。但随着折减系数的增大，沉降量也随之增大。路基沉降进入Ⅲ阶段之后，由于开挖面核心土体彻底失稳破坏并贯穿至地表，最终导致路基沉降量急剧增加[10]。

图4 强度折减对路基沉降影响影响曲线

2.2 土体内摩擦角对路基沉降影响分析

土体内摩擦角由10°递增至30°，对路基沉降量增加速率影响各不相同，影响主要产生在Ⅱ和Ⅲ两个阶段，如图5所示。随着土体内摩擦角的增大，路基沉降量增加速率减小，Ⅱ阶段的影响区间越大。可见土体内摩擦角越大，越有利于控制路基沉降的发展。

图5 土体内摩擦角对路基沉降影响曲线

2.3 土体粘聚力对路基沉降影响分析

土体粘聚力由10 kPa递增至30 kPa，对Ⅱ和Ⅲ两个阶段的路基沉降量增加速率影响稍有不同，主要表现为路基沉降量增加速率随着土体粘聚力的增大而稍有减小，但对Ⅱ和Ⅲ阶段作用区间变大，如图6所示。土体粘聚力对路基沉降的影响作用稍小于内摩擦角的影响。

图6 土体粘聚力对路基沉降影响曲线

2.4 土体弹性模量对路基沉降影响分析

由图7的影响曲线可知，当土体弹性模量由20 MPa递增至60 MPa时，在Ⅱ阶段的路基沉降增加速率逐渐减小，即弹性模量越大路基沉降越小。且在Ⅱ阶段当弹性模量小于30 MPa时，路基处于失稳阶段，沉降量明显增大，Ⅱ和Ⅲ阶段在沉降递增速率的区分并不明显，如当弹性模量等于20 MPa时，两阶段的变化速率非常接近，可认为是一致的。

图7 土体弹性模量对路基沉降影响曲线

2.5 土体泊松比对路基沉降影响分析

土体泊松比由0.28增至0.38的变化过程中，由图8可知，泊松比增量对路基沉降变化影响甚微，即可认为泊松比对路基沉降无影响。

图8 土体泊松比对路基沉降影响曲线

2.6 摩擦系数对路基沉降影响分析

核心土体与侧壁摩擦系数由0.2递增至0.6过程，Ⅱ阶段沉降变化过程基本保持不变，只有Ⅲ阶段发生了小幅变化，如图9所示。即摩擦系数的增加对路基沉降持续发展阶段并无影响，而在核心土体失稳阶段小幅度地减小了沉降速率，总体来说对路基沉降影响不显著。

图9 摩擦系数对路基沉降影响曲线

2.7 列车荷载位置对路基沉降影响分析

类似于摩擦系数对路基沉降的影响，在仅改变列车荷载位置且不考虑路基面动荷载作用的情况下，Ⅰ、Ⅱ两个路基沉降阶段基本不受影响，主要影响发生在Ⅲ阶段，如图10所示。即当荷载作用位置离开挖面越近，路基失稳后沉降速率越大，但影响并不显著。

图10 列车荷载对路基沉降影响曲线

3 结束语

本文采用有限元分析软件ABAQUS对桥式盾构施工中各因素对路基沉降影响进行了数值模拟，综合计算结果分析可得：

(1)土体物理性质参数中，内摩擦角越大，土体强度折减系数越大，越有利于控制路基沉降，为主要影响因素。粘聚力的作用效果较内摩擦角较小，属次要影响因素。弹性模量、泊松比对路基沉降会产生影响，但效果并不明显，可作为一般影响因素考虑；

(2)核心土体与侧壁摩擦系数与列车荷载只在路基沉降中核心土体失稳阶段产生微小影响，可作为一般影响因素，在施工过程中采取减阻措施可对路基沉降起到一定的控制作用。

[1] Ito. T. and Histake K. [美]. Analysis of three dimensional ground subsidence caused by tunnel excavation [J]. Tunnel of the Translations,1985, 1 (9): 46-55.

[2] Lee, K. M and Rowe, R. K. [加]. Finite element modeling of the three-dimensional ground deformations due to tunneling in soft cohesive soils. Part 1. Methods of analysis[J]. Computers and Geotechincs, 1990, (10): 87-109.

[3] Mrouch H, Shahrour I. [美]. A full 3-D finite element analysis of tunneling-adjacent structures interaction[J]. Computers and Geo techniques, 2003， 30(3): 245-253.

[4] Shinichiro Imamura, Toshiyuki Hagiwara, Kenji Mito， et al. [日]. Settlement trough above a model shield observed in a centrifuge [A]. Centrifuge 98[C], Tokyol998, 2(1): 713-719.

[5] Gordon T K L, Charles W W N. [美]. Effects of advancing opening face tunneling on an existing loaded pile[J]. Journal of Geotechnical and Geo environmental Engineering, 2005, 131(2): 193-201.

[6] Vermeer P A, Ruse N. Marcher T. [德]. Tunnel heading stabllity in drained ground [J]. Felsbau, 2002. 20(6): 8-18.

[7] TB 10001-2005 铁路路基设计规范. [S]. TB 10001-2005 Code for design on subgrade of railway. [S].

[8] 陈力. 框架桥下穿铁路路基沉降控制标准与桥式盾构优化研究[D]. 江西: 华东交通大学, 2016. CHEN Li. Study on Subgrade Settlement Control Criterion of Box Culvert Underpass Existing Railway and Bridge-shield Optimization Design[D]. JiangXi: East China Jiaotong University, 2016.

[9] 乔金丽, 张义同, 高健, 等. 强度折减法在盾构隧道开挖面稳定分析中的应用[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2010, 43(1): 14-20. QIAO Jinli, ZHANG Yitong, GAO Jian, et al. Application of strength reduction method to stability analysis of shield tunnel face[J]. Journal of Tianjin University(Natural Science and Engineering Technology Edition, 2010, 43(1): 14-20.

[10]熊健民, 金生吉, 余天庆. 路基沉降试验研究及数值模拟[J]. 华中科技大学学报(城市科学版), 2008, 25(4): 54-56. XIONG Jianmin, JIN Shengji, YU Tianqing. Numerical simulation on roadbed settlement of highway[J]. Journal of HUST(Urban Science Edition), 2008, 25(4): 54-56.

Analysis on Influencing Factors of Subgrade Settlement in Bridge-shield Construction

ZHANG Kun CHEN Li

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In order to study influencing factors of subgrade settlement in bridge-shield construction, based on numerical simulation, by adopting strength reduction method, modeling analysis on soil physical property parameters, friction coefficient between shield and soil and the train load position is performed. Influence curves of subgrade settlement during various factors change process are obtained. Results of the simulation indicate that in physical property parameters of soil, the internal friction angle has great influence on the subgrade settlement, which is the main influencing factor, and increasing the internal friction angle is beneficial to the control of subgrade settlement; the influence of friction coefficient and train load position on the settlement of subgrade is not obvious. The study results can provide theoretical reference for the optimization of bridge-shield construction.

bridge-shield; subgrade settlement; numerical analysis; influence factor

2016-04-12

章坤(1989-)，男，在读硕士研究生。

1674—8247(2016)04—0012—04

U455.43

A