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1、2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)395土压平衡盾构隧道施工引起的地面沉降分析龚旭,慎乃齐,李标(中国地质大学<北京>工程技术学院,北京100083)摘要:土压平衡盾构隧道施工对周围岩土体产生的扰动会引起地表下沉变形,从而对地面建筑物,地下管线3D设施等构成威胁。以广州地铁三号线某隧道工程为例,采用FLAC对盾构施工引起的地表沉降进行了数值模拟。重点讨论了隧道横、纵向沉降分布规律,并结合实际施工过程分析了产生沉降的原因,对隧道工程信息化施工提出具有实际意义的指导。关键词:土压平衡盾构;隧道施工;地面沉降;数值模拟中图分类号:U4554
2、3文献标识码:A文章编号:1672-7428(2009)S1-0395-051引言表1盾构区段地层岩土力学参数值地铁隧道工程主要建设于城市人口密集地区,变形模量内摩擦角凝聚力静侧压力土层名称厚度/m城市地下隧道工程的开挖不可避免地会对周围岩土/MPa/()/kPa系数K0体产生扰动,导致地下岩土应力重分布,从而引起素填土4931317501880054地面沉降,对地面建筑物、地下管线等设施的安全粉质粘土6138116101925043构成威胁。因此,地铁施工地面沉降预测是城市地砂土207223000000039[1~6]铁建设中的研究热点
3、。目前,对盾构法隧道施可塑残积土70100024161954047工引起的地表沉降分析及预测的方法主要有:经验硬塑残积土73180024012109043公式法、解析法、模型试验研究法、数值模拟法全风化层80350023302440043等。其中数值模拟法被国内外学者应用的较[3,4]多。土压平衡盾构作为一种新型盾构有着非常2工程概况广泛的应用前景。它是在局部气压及泥水加压广州地铁三号线隧道工程由左右两线组成。左盾构基础上发展起来的一种适用于含水饱和软线隧道全长47174m,右线全长47321m。隧道平弱地层中施工的新型盾构。它通过不断调
4、整开面最小转弯半径为800m,埋深一般在5~31m之挖面的土舱压力来尽可能地降低对地层的扰动间。沿线多为建筑物密集的居民区、商业区,要求影响。土压平衡法施工固然有很多优点,但其隧道开挖不能对地表环境有较大影响。本文选择其也避免不了对原始地层的应力扰动,并进一步中的一个盾构区段为数值模拟研究对象,该区段地[5]导致地表沉降与变形。因此,就土压平衡盾面高程为692~910m,相对高差为218m,地下构施工对地层变形的影响做出评价和预测是十水位埋深为010~600m,标高165~748m。地3D分必要的。本文采用FLAC软件对广州地铁三下水按赋
5、存方式分为第四系孔隙水和基岩裂隙水二号线某区间隧道施工进行地面沉降数值模拟,种。该区段地层岩土力学参数如表1所示。隧道工并结合数值模拟的结果分析各种施工因素对地程主要位于含水饱和软弱地层中,故而采用土压平面沉降的影响。衡盾构施工比较合理。收稿日期:2009-08-30作者简介:龚旭(1986-),男,浙江人,中国地质大学(北京)硕士研究生在读,岩土工程专业,主要研究方向为地下建筑工程,gx1492@vt.edu;慎乃齐(1956-),女,浙江人,中国地质大学(北京)教授,主要从事岩土及地质灾害方面的研究工作,nqshen@cugbeduc
6、n;李标(1987-),男,江苏人,中国地质大学(北京)硕士研究生在读,岩土工程专业,主要研究方向为岩体力学及边坡工程,jiangbiao66@163com。396探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊4地面沉降分析3三维地层数值模拟41盾构开挖推进模拟3D3D用FLAC建立三维地层计算模型时,首先根用FLAC建立地层模型并进行初始地应力平据地层岩性分层可得知整个模型可分为6层,为了衡计算后可进行盾构开挖推进模拟。第一阶段为盾考虑模型底部边界效应的影响,将整个土体单元模构推进直到全部进入土体;第二阶段为盾构继续推型Z方向高度设为40m,土
7、体单元模型的X轴方进直至通过整个隧道。整个开挖模拟流程如图3向尺寸设为40m,Y轴方向(隧道轴线方向)设为所示。45m。隧道轴线到地表的距离为20m,即整个隧道开挖是在可塑残积土和硬塑残积土地层中进行。然3D后通过FLAC命令流来建立几何模型,把整个模型区域分为20640个单元,22103个网格结点,如图1所示。由于整个隧道以隧道轴线为对称轴,应力、应变等力学效应,地表、拱顶沉降等都以隧道轴线对称,因此在进行三维数值模拟的时候以半模型为基础,这样可以有效地加快计算速度。半模型图如图2所示,其中盾壳厚度为0115m,盾尾空隙为0075m,管
8、片衬砌厚度为03m。图3盾构开挖推进模拟流程图42隧道纵向沉降分析本文选择在盾构开挖到225m处时进行分析研究。图4为盾构开挖到225m处隧道轴线处水平位移云图,从图中可以看出在开挖面前方的土
