大直径软土盾构隧道工程地层沉降规律分析.pdf

'第1期(总第144期)2010年2月中圄千后麦=钷CHINAMUNlCIPALENGINEERlNGNo．1(Ser．aINo，144)Feb．2010大直径软土盾构隧道工程地层沉降规律分析蒋睿(上海黄浦江大桥建设有限公司，上海200090)摘要：以上海长汀隧桥巾的隧道为背景，研究地层沉降规律。首先建立二维有限元计算模型来模拟盾构推进阶段对地层沉降的影响．得出该阶段地层沉降的规律。然后对同步构件浇注、设备安装及车辆运行荷载引起的地层沉降进行了计箅和分析。最后将计算结果与实测数据进行比较，得出规律：要注意盾尾注浆阶段注浆液的体积必须大丁盾尾空隙的体积：盾尾开脱阶段极易发生沉降。必须做好同步注浆；运营阶段车辆荷载对地层沉降影响不大。关键词：盾构隧道：地层沉降：盾构推进；运营阶段中图分类号：U456文献标识码：A文章编号：1004—4655(2010)01—0048—03盾构隧道施1：技术在城市地下工程中得到越来越多的应用。盾构掘进时将不可避免地扰动地层，引起地层变形及地面沉降。地表的变形一般取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深、盾尾I"口J隙和盾构推力等因素【11。引起地表变形的基本原因可以归纳为开挖面土体的移动、土体挤入盾尾空隙、土体与衬砌的相互作用、改变推进方向以及受扰动土体的再固结⋯。对于大直径隧道而言．管片拼装后内部构件的浇注以及有关设备的安装都会增大结构自重．加剧地层沉降：车辆运行之后亦会对结构和地层产生一定的影响．也将引起地层沉降。当地层沉降超过一定范围后．会严重危及周围建筑物的安全。因此掌握大直径隧道地层沉降规律，对工程的顺利实施以及工程建成后的维护极为重要。许多学者【"]都对盾构施工引起的地表沉降规律进行了研究．有些学者还建立了地表沉降预测模型⋯，但是对大直径软土盾构隧道的地层沉降分析还不多见．缺少实测数据检验．此外对运营阶段的地层沉降也较少讨论。本文采用有限元数值模拟方法对大直径软土盾构隧道地表沉降规律进行研究．以期对大直径软土盾构隧道亡程实施以及隧道运营维护提供参考依据。1工程概况上海长江隧桥(崇明越江通道)工程位于上海东北部长江口南港、北港水域。是一项特大型交通基础设施项目。上海长江隧桥工程全长25．5km。采用“南隧北桥”方案．即以隧道形式穿越长江口南港水收稿日期：2009一12—2848域。长约8．9km；以桥梁形式跨越长江口北港水域，长约16．6km。隧道采用2台直径15．43m的泥水加气平衡盾构机由浦东向长兴岛掘进。该项目于2004年12月28日正式启动．并于2009年10月31日正式投入运营。2盾构推进阶段地层沉降分析上海长江隧道里程2475m处属于隧道竖曲线埋深最大的地方．此处隧道要承受最大的水土压力，使得隧道承受最不利的外荷载。以该处为分析断面。建立二维平面应变有限元模型。土体采H3四边形等参元模拟．衬砌管片采用梁一接头元模拟．在衬砌与土层之间设置了接触面单元模拟管片壁后注浆。计算范围以盾构隧道为中心，水平方向取150m、垂直方向取70m。左右边界两侧采用水平向约束．下部采用竖向约束。上部边界取为自由边界。计算模型如图l所示。一图1计算模型简图2．1地层参数，里程2475m处地层自上至下依次为江底淤泥、灰色淤泥质黏土、灰色黏质粉土、灰色粉质黏土和灰色砂质粉土。盾构主要穿越的地层为灰色粉质黏土。计算采用的土层参数见表l。 中两千盛暑柱蒋容：大直径软土盾构隧道工程地层沉降规律分析2010年第1期表1计算采用的土层参数土层名称土层厚度／m弹性模量／kPa泊松比∥重度∥kN·In．3黏聚力c，kPa内摩擦角叫(。)侧压力系数‰江底淤泥2．3214000O．4017．31214．5O．55灰色淤泥质黏土14．748lO480O．4l16．8lI11．00．66灰色黏质粉土2．114128000．3818．11125．O0．40灰色粉质黏上24．05324000O．4018．O1718．5O．48灰色砂质粉土5．50022720O．4219．21224．0O．37灰色粉砂11．ooO24800O．4217．71632．OO．382．2结构参数隧道衬砌外径15．0m、内径13．7m、环宽2m、壁厚650mm，采用通用楔形管片错缝拼装．混凝土强度等级C60。衬砌圆环共分10块．即标准块7块．邻接块2块和封顶块l块。环间采用38根M30mm纵向螺栓连接．块与块之间以2根M39mm环向螺栓连接。根据上述衬砌结构参数，衬砌管片弹性模、截面积和惯性矩取为E=3．6×107kN／m2，A=O．65m2。J『=O．022885m4；管片环向接头转动刚度、法向刚度和切向冈0度取后o=5×108kN·舶d，J|}。=3×109kNh2，后。=4×105kMn2。2．3接触面参数接触面参数随施工阶段或增量步的不同而改变．如表2所示。其中移曲接触面单元的最大容许嵌入量。表2采用的接触面单元计算参数表剪切刚度法向刚度黏聚力施工阶段内摩擦角／(o)卵。，m^。，l‘N-m4☆。／l【N·m一2c，l【Pa十体开挖管片拼装100190000．O0．0O．02盾构推进124()oo41400020．O100．O0．02壁后注浆2470Ooo5230【)o()50．O3【X)0．O0．022．4施工过程的模拟依据盾构隧道施工过程的工序．采用地层结构法可分为4个施工步骤。第一施丁步骤挖土阶段。盾构开挖面压力与后方的支护压力以及盾构机与土层之间的摩擦力保持平衡。由于盾构机的冈0性支护。周围土层的应力释放系数很小．取为0．1。第二施r步骤衬砌阶段．施工完毕后．衬砌周围的环问空隙被土层填满．周围土体产生大的变形。由于开挖产生的释放荷载在此阶段大部分释放，此时应力释放系数取为O．5。第三施工步骤盾构推进、注浆阶段．在盾尾脱开后为了减少因空隙引起的土体变形．从盾尾向衬砌外围进行注浆，应力释放系数取为0．3。第四施T步骤壁后注浆．随着盾尾的离开，注浆影响范围内土体力学性质的改变，应力释放系数取为O．1，至此开挖产生的释放荷载全部释放。2．5计算结果及分析从图2最终的计算结果可以看出．隧道正上方的地层沉降量最大，为32．5mm。向左右沉降量分别减少。两隧道中点处上方土体沉降计算值为26．5mm，从每一个施工过程的计算结果来看．第一施工步骤地层沉降3．5mm，第二施工步骤地层沉降11．4mm．第三施工步骤地层隆起4．2mm．第四施工步骤地层沉降15．8mm。图2盾构推进阶段地层沉降图监测结果显示盾构推进结束后两隧道中点处上方土体沉降量为39．9mm。计算结果与实际有一定偏差的主要原因是由于这里仅考虑了衬砌网环自重．与实际结构形式有所差别。后面运营阶段的计算值应该与实际情况更加接近．地层沉降的最大原囚还是土体扰动和盾尾空隙的释放引起了周围土体应力释放后的弹塑性扰动。盾构通过后。隧道左右土体有靠近盾构的水平移动。隧道上方的地层沉降随深度增加而增加。在接近隧道衬砌顶端位置达到最大．在隧道下方土体出现向上的位移。在隧道衬砌底端达到最大。3同步构件浇注和车辆活载引起的地层沉降分析为了了解衬砌拼装完全后同步构件浇注以及运营阶段车辆活载引起的地层变形情况．将上述施工阶段的最后工况作为初始施工阶段．将车辆活载和构件横载等效成均布荷载添加到衬砌上作为一个施工步骤。1)荷载模拟。车辆荷载按公路桥涵设计规范，每车道标准值取牮。=10，5kN加。在构件中车道板是主要荷载，按厚度0．6m、宽度12．8m计算。其他构件49 中两千跋暑张蒋睿：大直径软土盾构隧道工程地层沉降规律分析2010年第1期(口型构件、牛腿)、设备、预埋管线等，最终将荷载增量等效成下半圆环16kN／m和上半圆环6kN／m的等效荷载。同步构件浇注和车辆活载引起的地层沉降计算模型如图3所示。图3同步构件浇注和车辆活载引起的地层沉降计算模型2)计算结果及分析。由于这里不再考虑盾构推进的影响．因此计算结果就只是由构件恒载和车辆活载产生的地层沉降．如图4所示。可以看出，施工荷载引起的地层沉降与盾构推进引起的沉降有所不同．最大沉降量发生在两条隧道中点处．而不再是两条隧道的正上方。监测显示，在监测结果中从盾构推进结束后到现在这一断面沉降的累计变化为0．6mm，截止到2008年6月．此截面表面地层实际沉降量为39．9+0．6=40．5mm．计算结果比实际情况偏小，主要原因是这里没有考虑地层固结沉降的影响。4结语在盾尾注浆阶段。由于浆液的同结收缩、浆液流失和土层的扰动，会对地层沉降产生相当大的影响．因此所注浆液的体积必须大于盾尾空隙的体积。盾尾开脱阶段是沉降发生的主要时期．衬砌与土层之间的空隙将闭合．极易发生沉降．必须做好同步注浆的工作。运营阶段车辆荷载也会对地层沉降产生一定的影响．不过绝对值不大。但是，在地层条件变化、隧道曲率较大的区域会产生冲击荷载等原因导致隧道纵向的不均匀沉降，值得密切关注。参考文献：[1]于宁，朱合华．盾构隧道施工地表变形分析与三维有限元模拟[J】．岩士力学，20014，25(8)：1330一1334．[2]张云，殷宗泽，徐永福．盾构法隧道引起的地面变形分析[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(3)：388—392．[3]边金，陶连金，郭军．盾构隧道开挖引起的地表沉降规律[J]．地下空间与上程学报，2005，1(2)：247—250．图4由同步构件浇注和车辆活载引起的地层沉降计算结果[4]李国成，丁烈云．武汉长江隧道盾构施下引起的地表沉降预测【J]．本阶段隧道上方计算土层沉降量约为8．2mm。将铁道T程学报’2008(5)：59—62·盾构推进引起的地层沉降量和本次计算的增量葙加，瞪3主竺喜：蓊之晨薏竺_地表沉降数值分析研御朋·公路交得到运营阶段地层沉降的累计结果。两隧道中点处上[6]魏纲．盾构法隧道统一土体移动模型的建立[J]．岩土T程学报，方的地层沉降量最大，为26．5+8．2=34．7mm。实际2007．29(4)：554_559．．址JlLjILj‘L．址．址．址．址．jIlL．址4L．‘IL．址．址．址姒一lIL．蓦‘Lj屯．摹止J止．址．址．址．址．蓦ILjIL．址．‘ILJIL．址．址．址．|ILj‘-‘IL．‘ILj止j止．‘止舢．|止—止。屯．址j止|‘也．‘IL(上接第47页)的耕地超过35hm2、其他土地超过70hm2时，供地需号、交叉角度、所属单位、用途、拆迁长度、设备种要报送国土资源部批准，时间更是难以把握。部分重类和数量等(根据需要按电压进行分类合计)。点1二程往往是供地尚未批转，工程就要开始实施。在3．4详细列出其他工程数量项目实施中后期。为配合动迁，拆迁许可证显得尤其其他工程．包括改移道路、改移河道，应分别制重要。表列出桩号、工程名称、数量等。设计人员应积极配合建设单位，及时、准确提供3．5积极推进前期规划用地办证工作相关设计文件和资料，尽早完成规划用地办证jI：作。重点工程建设工期要求常常是十分紧迫．给规划3．6加强政府主管部门的协调用地办证手续的时间不足。随着用地审批的进一步规重大道路i[程项目的推进，离不开政府主管部门范。只有在设计方案确定以后才能申请用地规划许可的领导和协调。设计过程中，应分阶段向建设主管部证，明确用地红线范围。进而开展土地权属调查、门汇报设计原则和设计方案，及时提出需要协调的问“一书四方案”、办理供地批文、申请拆迁许可证、办题，并主动跟踪落实。理征地大包干、镇保、国有土地划拨、用地批准书、4结语工程规划许可证、施工许可证等前期手续。涉及部门工程前期费是设计概算的重要组成部分，做好设多、流程繁杂。特别是当有基本农田、基本农田以外计前期工作是控制：【程项目建设总投资的重要手段。'