地鐵盾構(gòu)頂進(jìn)力對(duì)地層移動(dòng)影響的數(shù)值分析

汪 洋，方 勇，何 川，葛蔚敏

(1.西南交通大學(xué) 地下工程系，成都 610031;2.浙江臺(tái)金高速公路有限公司，浙江 臨海 317000)

目前，修建地鐵隧道的方法主要有明挖法、淺埋暗挖法和盾構(gòu)法。其中盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機(jī)切削土體在地層中推進(jìn)，用泥土加壓或泥水加壓等方法來(lái)抵抗掘削面的土壓力和水壓力以維持掘削面的穩(wěn)定，在盾構(gòu)外殼的保護(hù)下拼裝管片，以形成隧道結(jié)構(gòu)的施工方法。盾構(gòu)法具有施工進(jìn)度快，無(wú)噪聲及振動(dòng)公害，對(duì)地面交通及沿線建筑物、地下管線、商業(yè)活動(dòng)和居民生活影響較少等眾多優(yōu)點(diǎn)，在城市地鐵區(qū)間隧道的施工中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)掘削面的穩(wěn)定方式，盾構(gòu)工法又分為土壓平衡式盾構(gòu)(包括加泥式土壓平衡盾構(gòu)，下同)、泥水平衡式盾構(gòu)等不同類型，其中以土壓平衡式盾構(gòu)應(yīng)用最多［1-2］。

土壓平衡式盾構(gòu)隧道施工不可避免地引起周?chē)貙右苿?dòng)，在地表則體現(xiàn)為地面沉降。從縱向看地面沉降的發(fā)展可以分為早期沉降、掘削面變形沉降、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)沉降、盾構(gòu)尾部空隙沉降以及后期固結(jié)沉降等五個(gè)階段［3-6］。在土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，其中盾構(gòu)頂進(jìn)力對(duì)掘削面變形沉降有著重要影響。盾構(gòu)頂進(jìn)力的主要作用是平衡掘削面前方的水土壓力，若頂進(jìn)力過(guò)大，會(huì)引起前方土體的隆起;若頂進(jìn)力過(guò)小，則會(huì)引起掘削面坍塌。尤其是在穩(wěn)定性極差的松軟地層中，盾構(gòu)頂進(jìn)力的大小與掘削面變形息息相關(guān)，對(duì)頂進(jìn)力的控制顯得尤為重要［7］。因而，將盾構(gòu)頂進(jìn)力控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，有利于土壓平衡盾構(gòu)的順利掘進(jìn)。

1 模型建立

1.1 模型邊界及參數(shù)取值

計(jì)算模型縱向長(zhǎng)78 m，其中盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)7.5 m，盾尾距后邊界為19.5 m，掘削面距前方邊界為51 m。在縱向(y方向)0 m＜y＜18 m和42 m＜y＜78 m范圍內(nèi)，網(wǎng)格y方向長(zhǎng)度為 6 m，在縱向18 m＜y＜42 m范圍內(nèi)，網(wǎng)格y方向長(zhǎng)度為1.5 m。模型的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示，共9 100個(gè)實(shí)體單元。

圖1 三維有限差分網(wǎng)格

模型中土體的分層情況以及各種材料參數(shù)的取值如表1所示。其中管片由于是由螺栓連接在一起的拼裝式結(jié)構(gòu)，在模型中采用均值體進(jìn)行模擬時(shí)需對(duì)其等效剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)取為0.8［8］。盾構(gòu)機(jī)的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 模型中的材料參數(shù)

表2 盾構(gòu)機(jī)材料參數(shù)

1.2 盾構(gòu)機(jī)的模擬

盾構(gòu)機(jī)采用實(shí)體單元模擬，同時(shí)考慮開(kāi)口率的影響，并在盾構(gòu)機(jī)殼體及刀盤(pán)處設(shè)置Interface單元來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)與周?chē)馏w的接觸關(guān)系。計(jì)算模型的開(kāi)口率為36.7%，在該開(kāi)口率下，盾構(gòu)機(jī)的視密度變?yōu)?4.39 kg/m3。Interface單元的抗拉強(qiáng)度設(shè)為0(即不抗拉)，法向和切向剛度取為周?chē)貙觿偠?，摩擦系?shù)取為盾構(gòu)機(jī)的摩擦系數(shù)。劃分好的盾構(gòu)機(jī)網(wǎng)格如圖2所示(為了便于觀看，將盾構(gòu)機(jī)的另一半一并繪出)。本次計(jì)算中不考慮盾構(gòu)機(jī)超挖量及機(jī)體楔型量的影響，將盾構(gòu)機(jī)近似為剛體處理(彈性模量較大)。

圖2 盾構(gòu)機(jī)模型

2 模型加載

2.1 盾構(gòu)機(jī)推力的施加

盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)阻力主要有三部分:機(jī)殼摩阻力、刀盤(pán)貫入阻力和刀盤(pán)開(kāi)口處的土壓力(土艙內(nèi)壓力)。故模型中的推進(jìn)阻力分兩部分施加:一是施加在盾構(gòu)機(jī)后方，該推力用于平衡機(jī)殼摩阻力和刀盤(pán)的貫入阻力，另一部分直接施加在開(kāi)口處的掘削面上，模擬土艙壓力。盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)時(shí)的總推力為這兩者之和。計(jì)算中施加的開(kāi)口處壓力為 p=0.15 MPa，盾尾推力為 F=5.0×106N，那么可以計(jì)算出模型中對(duì)盾構(gòu)機(jī)施加的總推力約為F=6.6×106N。

2.2 盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)阻力

當(dāng)盾尾施加約5 000 kN的推力時(shí)，在刀盤(pán)上將產(chǎn)生約0.1～0.2 MPa的正面支護(hù)壓力，且分布較為均勻。而殼體上的法向壓力分布則呈現(xiàn)上下大(0.3～0.5 MPa)，兩側(cè)小(0.05～0.20 MPa)的特點(diǎn)，故盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中殼體受到的摩阻力主要在殼體上部和下部。其中下部的摩阻力略大于上部，而兩側(cè)的摩阻力相對(duì)較小。

2.3 地層變形

在盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)作用下，地表將會(huì)呈現(xiàn)前隆后沉的變形趨勢(shì)。圖3顯示了隧道正上方地表的縱向沉隆情況，可以看出，本次計(jì)算中地表在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方約1.5D的地方就開(kāi)始產(chǎn)生隆起了，而在盾尾后方約2D的地方，大部分沉降都已完成了。若加上盾構(gòu)機(jī)本身的長(zhǎng)度約1.25D，可以認(rèn)為，盾構(gòu)隧道頂進(jìn)引起的空間效應(yīng)的縱向影響范圍大概為5D左右。

圖3 縱向沉隆曲線

3 盾構(gòu)機(jī)推力對(duì)地層移動(dòng)影響

3.1 地表Z方向位移

圖4清晰地顯示了不同盾構(gòu)機(jī)推力作用下地表的沉隆大小和范圍。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力不足時(shí)，地表沒(méi)有隆起區(qū)域，如圖4(a)所示，而且隨著推力的減小，盾構(gòu)機(jī)前方的沉降范圍和量值均變大。當(dāng)推力＞9 600 kN后，盾構(gòu)機(jī)前方地表開(kāi)始產(chǎn)生隆起區(qū)，且隨著盾構(gòu)機(jī)推力的增大，隆起區(qū)的范圍和量值都增大，在圖中體現(xiàn)為等值線變密，但盾構(gòu)機(jī)推力對(duì)后方的沉降區(qū)基本上沒(méi)有影響，如圖4(b)、圖4(c)所示。從圖中還可以看出，隨著盾構(gòu)機(jī)推力的增加，前方地表的最大隆起點(diǎn)位置有逐漸后退并向盾構(gòu)機(jī)靠攏的趨勢(shì)，不過(guò)總的看來(lái)，最大隆起點(diǎn)位置基本上位于盾構(gòu)機(jī)前方2D處。

圖4 不同推力下的地表沉隆(單位:mm)

3.2 地表Y方向位移

圖5清晰地顯示了不同盾構(gòu)機(jī)推力作用下地表沿推進(jìn)方向(縱向)移動(dòng)的大小和范圍。與地表沉隆的分布圖類似，地表縱向移動(dòng)也分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是盾構(gòu)機(jī)后方區(qū)域，以地表的向后(與推進(jìn)方向相反)移動(dòng)為主，另一個(gè)是盾構(gòu)機(jī)的前方區(qū)域，以地表的向前(推進(jìn)方向)移動(dòng)為主。前者主要由盾尾地層移動(dòng)引起，為地層沉降的附屬移動(dòng);后者則主要由盾構(gòu)機(jī)的推力引起。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力不足時(shí)，地表的縱向移動(dòng)以向后為主，基本上沒(méi)有向前移動(dòng)區(qū)，如圖5(a)所示。當(dāng)推力大于9 600 kN后，盾構(gòu)機(jī)前方地表開(kāi)始產(chǎn)生向前的縱向移動(dòng)，且隨著盾構(gòu)機(jī)推力的增大，縱向移動(dòng)區(qū)域的范圍和量值都增大，在圖中體現(xiàn)為等值線變寬、變密，向前縱向移動(dòng)的最大值點(diǎn)基本上位于盾構(gòu)機(jī)前方2D處，這和最大隆起點(diǎn)位置相同，如圖5(b)、圖5(c)所示。在地表前方縱向移動(dòng)的范圍和量值逐漸增大的同時(shí)，地表后方縱向移動(dòng)的范圍和大小卻隨著盾構(gòu)機(jī)推力的增大而逐漸減小。當(dāng)推力達(dá)到13 600 kN時(shí)，盾構(gòu)機(jī)前方縱向移動(dòng)的范圍開(kāi)始大于后方。

圖5 不同推力下的地表縱向移動(dòng)(單位:mm)

3.3 對(duì)稱面Z方向位移

圖6顯示了不同盾構(gòu)機(jī)推力作用下地中的豎向位移情況?？梢钥闯觯诙軜?gòu)機(jī)后方，隧道上方土體向下移動(dòng)，隧道下方土體向上移動(dòng)，移動(dòng)的范圍和大小基本上不受盾構(gòu)機(jī)推力的影響。在盾構(gòu)機(jī)前方，土體的豎向移動(dòng)受盾構(gòu)機(jī)推力的影響較大:當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力不足時(shí)，前方土體以下沉為主，如圖6(a);當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力超過(guò)9 600 kN時(shí)，前方土體的豎向位移將會(huì)出現(xiàn)類似于“蝴蝶”形狀的區(qū)域，其中盾構(gòu)機(jī)上前方為土體的向上位移區(qū)，下前方為向下位移區(qū)，如圖6(b)、圖6(c)所示。向上位移區(qū)受周?chē)貙蛹s束較小，可以迅速發(fā)展至地表引起地表的隆起;向下位移區(qū)由于受到周?chē)貙拥募s束，其范圍和大小比向上位移區(qū)小。盾構(gòu)機(jī)前方的這種“蝴蝶”型豎向位移區(qū)主要由推力產(chǎn)生的地層縱向移動(dòng)引起，故其形狀和大小受盾構(gòu)機(jī)推力影響，一般來(lái)說(shuō)隨盾構(gòu)機(jī)推力的增加而變大。

圖6 不同推力下的對(duì)稱面豎向位移(單位:mm)

3.4 對(duì)稱面Y方向位移

圖7顯示了不同盾構(gòu)機(jī)推力作用下地層沿推進(jìn)方向(縱向)移動(dòng)的大小和范圍。與地表的縱向移動(dòng)分布類似，地層中的縱向移動(dòng)也大致分為盾構(gòu)機(jī)前方和后方兩個(gè)區(qū)域，不同的是地中縱向移動(dòng)的強(qiáng)度和范圍要遠(yuǎn)大于地表，只有當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力不足時(shí)，后方地層的縱向移動(dòng)才大于前方，如圖7(a)所示。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力大于9 600 kN后，后方地層的縱向移動(dòng)的大小和范圍都開(kāi)始小于前方土體的縱向移動(dòng)，而且前方土體的縱向移動(dòng)逐漸向地表發(fā)展，與遠(yuǎn)處未受擾動(dòng)或擾動(dòng)較小的地層形成一個(gè)弧形的接觸區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)部即為盾構(gòu)機(jī)推力的主要影響區(qū)域，隨著盾構(gòu)機(jī)推力的不斷增加，該區(qū)域的范圍不斷擴(kuò)大，如圖7(b)、圖7(c)所示。同時(shí)也可以看出，雖然該區(qū)域隨推力的增加而擴(kuò)大，但與地表交界處的最大隆起點(diǎn)的位置基本上沒(méi)有發(fā)生變化。雖然地表的縱向移動(dòng)較小，但對(duì)應(yīng)的地中縱向移動(dòng)，尤其是盾構(gòu)機(jī)正前方的縱向移動(dòng)是相當(dāng)大的。

圖7 不同推力下對(duì)稱面縱向移動(dòng)(單位:mm)

4 結(jié)論

1)土壓平衡式盾構(gòu)刀盤(pán)上的支護(hù)壓力分布較為均勻，盾殼上的徑向壓力分布不均，呈現(xiàn)頂部和底部大，兩側(cè)小的特征，這說(shuō)明盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)的摩擦阻力主要來(lái)自機(jī)殼的頂部和底部。

2)盾構(gòu)機(jī)推力會(huì)對(duì)地層的豎向移動(dòng)造成一定的影響，但盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的地層沉降，尤其是后方沉降，主要受盾尾地層損失控制。

3)盾構(gòu)機(jī)后方地層沉降可以引起一些地層的縱向移動(dòng)，但地層(尤其是地中)的縱向移動(dòng)主要受盾構(gòu)推力控制。

4)盾構(gòu)機(jī)推力的主要影響區(qū)域隨盾構(gòu)機(jī)推力的增大而擴(kuò)大，但地表最大隆起點(diǎn)、最大縱向移動(dòng)點(diǎn)的位置基本不變，它們的位置主要受地層性質(zhì)決定。

5)在正常施工情況下，前方地表的隆起和縱向移動(dòng)主要由盾構(gòu)機(jī)正前方土體的縱向移動(dòng)引起，故地表的最大隆起或縱向移動(dòng)的數(shù)值遠(yuǎn)小于正前方土體的縱向移動(dòng)。

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