土压平衡盾构施工引起公路地表沉降分析

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1、2014年1月第1期城市道桥与防洪科技研究123土压平衡盾构施工引起公路地表沉降分析牟其海，李帅，魏晨慧，荣晓洋(1．沈阳市市政工程设计研究院，辽宁沈阳110015；2．东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004)摘要：该文针对沈阳地区的水文地质特征，采用岩土工程分析软件MIDAs—GTs，基于Mohr--Coulomb本构模型理论，考虑砂土体的线弹性变形特征，建立了隧道开挖过程的二维及三维模型。通过地表沉降横向和纵向规律分析，发现：盾构法隧道施工过程中地面沉降与隧道覆土厚度日，盾构外径D，以及相对埋深H／D有关；隧道地表土体的水平向位移隧道中心处最小，随着覆土厚

2、度的加大，水平位移影响区域也逐渐变大；地表最大沉降量随着覆土厚度与隧道外径之比H／D的增大而减小。关键词：盾构施工；数值模拟；地表沉降中图分类号：U455．43文献标识码：A文章编号：1009—7716(2014)01—0123—07本文采用MIDAS-GTS有限元软件来模拟隧0引言道盾构开挖过程，研究隧道盾构施工中的材料包城市地铁建设中，盾构法施工已成为主要的括结构构件和土体。其中结构构件为隧道衬砌，其施工方法，在砂土地层中开挖隧道过程中，会改变材料为钢筋混凝土，还有注浆浆液，均可视作弹性地层的原始应力状态，周围的土体出现卸载或加材料处理。因此，它的本构关系均为线弹性

3、本构关载等复杂力学行为，应力路径在盾构施工过程中系。而土体材料则较为复杂，因为土作为天然地质将随盾构所处位置不同、时间不同而发生变化，对材料在组成及构造上呈现出高度的各向异性、非周围地层产生一定程度的扰动。土体扰动使土体均质性、非连续性和随机性，在力学性能上表现出结构、性质发生变化，是地层变形的原因⋯。强烈的非线性、非弹性和粘滞性【。目前，各国学者盾构施工对周围土体的扰动有两种形式：已提出的土体本构模型多达百种，目前常用的有(1)开挖面或侧向土体受挤压作用引起土体压Mohr—Coulomb模型、D—P模型、Duncan—Chang模型缩并使土体前移和隆起。和修正剑桥模型

4、等。其中，Mohr—Coulomb模型适用(2)开挖面超挖和盾尾间隙的存在引起土体的于松散状和粘结状的粒状散体材料(如土体、岩石、松动、塌落而导致地表沉降。混凝土1，可应用于一般的岩土体的力学行为，如地数值模拟是目前科学研究中有利的研究手下隧道开挖、边坡稳定等。Mohr—Coulomb模型应用段，尤其是地下工程中不可预见因素众多，工程施于土体数值分析已很成熟，且模型中的相关参数工具有隐蔽性，采用数值模拟手段对结构、设备和都可由常规三轴实验求得。本文采取的土体本构土体的物理力学性质进行分析和预测显得尤为重模型便是该模型。要。在隧道盾构开挖引起地表变形的预测分析中，1理论模

5、型数值模拟方法作为一种有效的计算分析手段，在隧道盾构设计与施工中已经得到了广泛应用。虽目前，关于盾构施工引起的地表横向沉降规律然目前常用的数值方法，能够模拟某些工况，以及研究，已经取得了大量的研究成果。R．B．Peck通过某些影响的相互作用，可重复性好，是研究地表沉对隧道地表面沉降槽形状的观察，以及对大量的降非常重要的工具，如目前应用比较广泛的有限实测数据数据分析之后，于1969年在墨西哥土力元数值方法，但是在对实际工程的模拟分析过程学及地基基础工程国际会议上首次提出了地表沉中，仍存在以下几点不足：降曲线近似呈概率中的正态分布曲线的概念[3]，如(1)难以准确模拟盾构的

6、分步开挖过程、壁后图l所示。地层移动由地层损失引起、并认为施工注浆、支护、加固，以及与邻近结构基础相互作用。引起的地表沉降是在不排水条件下发生的，所以(2)不能精确反映土体材料的非均质性、非线沉降槽的体积等于地层损失的体积。横向分布的性、大变形、大应变等特性。地面沉降估算公式为：2．．S(x)=Sm~exp(一)(1)收稿日期：2013—11-18作者简介：牟其海(1966一)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，设计所所长，从事道路工程设计工作。式中：S(x)——离隧道中线X处的地面沉降量；124科技研究城市道桥与防洪2014年1月第1期槽宽度的计算，虽然大家对沉降的机理有不

7、同的认识，但是横向沉降曲线的正态分布曲线形状一直得到了认可，目前随着计算机和有限元的发展，计算逐渐采用数值模拟等手段。地表纵向沉降槽是反映盾构推进时，沿推进轴线方向对地层的扰动影响情况，同时它也能反映盾构推进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用，包括正面土压力、摩擦力及盾尾空隙等。长期以来人们对盾构推进时形成的纵向沉降曲线作了大量的研究，传统研究的纵向变形曲线的模式图1地表横向沉降示意图如图2所示。大多数人认为由于盾构推进正面压s一横向地面最大沉降量；力的影响盾构机切口前方的土体隆起，盾构机后——距离隧道中线的距离；方，由于盾构姿态的改