盾構(gòu)施工對土體應(yīng)力擾動過程的三維數(shù)值分析

馬 元，宋錦虎，付 浩

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200080;2.東南大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 210096;3.河南城建學(xué)院土木與材料工程系，河南平頂山 467044)

城市地下空間的開發(fā)利用，是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。城市地下交通工程深埋隧道工作面一般位于地下水位以下，施工過程必然會受到地下水的影響，同時盾構(gòu)施工擾動土體從而對環(huán)境造成影響。蔣洪勝等［1］經(jīng)過現(xiàn)場測試得知在盾構(gòu)掘進(jìn)接近、穿越以及遠(yuǎn)離測孔區(qū)3個施工階段，隧道周圍不同區(qū)域的土層呈現(xiàn)出各自不同的特征;易宏偉等［2］通過現(xiàn)場測試分析了盾構(gòu)在推進(jìn)過程中對周圍土體的擾動機(jī)理;袁大軍等［3］對超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍土體的擾動進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。由于施工現(xiàn)場條件復(fù)雜，造成孔隙水壓力變化的因素有多種，僅根據(jù)實(shí)測值難以判斷主要原因，需綜合采用數(shù)值模擬和理論分析方法進(jìn)行對比分析。

本文應(yīng)用ABAQUS軟件，采用有限元流固耦合計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際盾構(gòu)施工過程，建立計(jì)算模型，分析盾構(gòu)施工過程對周圍土體的應(yīng)力擾動，為減小盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響提供參考。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 流固耦合計(jì)算基本原理

耦合場計(jì)算大致分為間接耦合法和直接耦合法［4］。間接耦合法分別計(jì)算滲流場和應(yīng)力場，通過兩場的交叉迭代分析兩者的耦合效應(yīng);直接耦合法針對應(yīng)力場的節(jié)點(diǎn)位移和滲流場的孔隙水壓力建立數(shù)學(xué)模型，通過求得解析解分析兩場完全耦合的效應(yīng)。本文應(yīng)用基于比奧固結(jié)理論的直接耦合方法［5］進(jìn)行模擬計(jì)算。

在滲流—應(yīng)力耦合場求解過程中，在一個時間步長Δt內(nèi)，平衡方程和滲流方程形成了迭代求解基礎(chǔ)，同時需滿足位移邊界條件和滲流邊界條件，當(dāng)單元進(jìn)入塑性區(qū)后，只需將彈性矩陣用彈塑性矩陣代替并進(jìn)行塑性迭代計(jì)算即可。

1.2 盾構(gòu)隧道施工過程的模擬

盾構(gòu)的實(shí)際施工過程較為復(fù)雜，本文對分析模型進(jìn)行簡化，見圖1，模型包括管片、注漿層、盾構(gòu)、注漿壓力、開挖面推力等影響因素，不考慮盾構(gòu)與土體之間接觸面的摩擦力、刀盤對土體的扭矩等影響因素。開挖面推力一般取1.1～1.2倍靜止土壓力，在本文的分析中，中心處開挖面推力取0.29 MPa;注漿壓力取0.15 MPa;泥漿密度取1.3 t/m3。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型示意

1.3 有限元模型

盾構(gòu)隧道的開挖會造成開挖面附近土體主應(yīng)力大小和方向的改變，需采用三維模型計(jì)算分析，并綜合考慮單元數(shù)量、計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時間劃分模型單元。模型縱向長度為60 m，分40步開挖，共有單元17 600個，單元格長度1.5 m，每步開挖1.5 m，開挖速度5 m/s。在模型的中部設(shè)監(jiān)測斷面。管片與土體單元之間建立接觸面，以模擬兩者之間的相互作用關(guān)系。地下水位取于地表。計(jì)算時首先計(jì)算初始地應(yīng)力狀態(tài)，此時的孔隙水壓力分布即為靜止水壓。

1.4 模型邊界條件

對于流固耦合分析，邊界條件分為力學(xué)邊界條件和滲流邊界條件。模型的力學(xué)邊界條件為:四周表面和底面為法向位移約束，上表面為自由面。滲流邊界條件為模型四周表面和底面均為透水邊界;襯砌處為不透水邊界;對于隧道開挖面，在基本模型分析中為不透水邊界，在參數(shù)分析中設(shè)定為不同邊界條件以進(jìn)行對比分析。

1.5 計(jì)算參數(shù)取值

計(jì)算模型中土體采用摩爾—庫倫材料模型，管片為彈性材料模型，力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)

1.6 計(jì)算模型的驗(yàn)證

文獻(xiàn)［5］對上海外灘觀光隧道南京東路—東方明珠區(qū)段施工時地下孔隙水的變化進(jìn)行了監(jiān)測分析，該區(qū)段覆土厚度為5.2～7.0 m。圓形隧道采用鋼筋混凝土單層襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌內(nèi)徑為6.76 m，外徑7.42 m，襯砌厚度0.33 m，采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工。數(shù)值計(jì)算模型將土層簡化為粉質(zhì)黏土層，土體重度為18 kN/m3，黏聚力為 15 kPa，摩擦角為 25°，彈性模量為5 MPa，滲透系數(shù)為2×10－9m/s。監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比如圖2所示，可知，計(jì)算值與實(shí)測值吻合得較好，得到的最大超孔壓接近，約為35 kPa。由于實(shí)際盾構(gòu)施工存在漿液向周圍土體的滲透以及盾構(gòu)刀盤對土體的切割和擠壓作用，會加大盾構(gòu)施工對周圍土體孔壓的擾動范圍，因此數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果會有一定差別。

圖2 上海觀光隧道孔隙水壓力計(jì)算值與實(shí)測值對比

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 隧道周圍土體孔壓變化過程

隧道頂部、底部、右側(cè)土體孔隙水壓力在隧道開挖過程中的變化過程如圖3所示。模型中盾構(gòu)開挖面為不透水邊界，因此對周圍土體孔壓擾動較小。

圖3 隧道周圍超孔壓變化過程

開挖面前方土體中孔隙水壓力分布結(jié)果見圖4，可見，隨著隧道開挖，開挖面前方土體中的水頭分布將會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即開挖面前方地下水滲流達(dá)到穩(wěn)態(tài)，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［6］一致，說明模型計(jì)算方法合理。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道右側(cè)測線上超孔隙水壓力分布的變化過程見圖5，隧道右側(cè)土體中的孔隙水壓力先增大，后又減小至接近初始值;在隧道開挖面通過監(jiān)測斷面6 m時，超孔壓達(dá)到最大值。

圖4 開挖面前方孔隙水壓力分布

圖5 隧道右側(cè)測線孔壓變化示意

在開挖面透水時，監(jiān)測斷面處隧道周圍土體的孔壓降低，當(dāng)隧道開挖面通過之后，由于襯砌為不透水邊界，孔壓又恢復(fù)至初始靜水壓力狀態(tài)。

2.2 測點(diǎn)主應(yīng)力大小和方向的變化過程

各測點(diǎn)主應(yīng)力大小和方向［7］、孔隙水壓力WP的變化過程見圖6～圖9，其中S1，S2和S3分別為第1、第2和第3主應(yīng)力，WP為孔隙水壓。

圖6 測點(diǎn)1主應(yīng)力大小和方向變化過程

圖7 測點(diǎn)2主應(yīng)力大小和方向變化過程

圖8 測點(diǎn)3主應(yīng)力大小和方向變化過程

由圖6可見，隧道右側(cè)土體(測點(diǎn)1)在開挖過程中最大主應(yīng)力逐漸增大，方向不變，S2和S3逐漸減小，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn);孔隙水壓力在開挖過程中持續(xù)增大，通過開挖面之后隨時間逐漸減小，直至恢復(fù)至初始孔壓。由于盾構(gòu)的開挖使測點(diǎn)1處于加載狀態(tài)，從而導(dǎo)致其孔壓升高，之后由于固結(jié)使超孔壓很快消散(土體滲透系數(shù)較大)。

由圖7可見，隧道上部土體(測點(diǎn)2)在盾構(gòu)通過前，S1逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)達(dá)到監(jiān)測斷面時達(dá)到最大值;盾構(gòu)通過后，S1，S2，S3均急劇減小，且S1方向也發(fā)生了變化，由初始的豎直方向變化為水平方向;孔隙水壓力先發(fā)生了減小，后又恢復(fù)至初始值?？芍淼郎喜客馏w在盾構(gòu)開挖過程中產(chǎn)生了卸載，從而使土體產(chǎn)生負(fù)的超孔壓，之后由于滲流使孔壓又恢復(fù)至初始值。

由圖8可見，隧道右上部土體(測點(diǎn)3)在施工過程中S1逐漸增大，但增大值相對較小(＜50 kPa);孔隙水壓力逐漸增大，后同樣恢復(fù)至初始值?？芍獪y點(diǎn)3同樣也由于盾構(gòu)開挖產(chǎn)生了加載，使土體中產(chǎn)生了超孔壓，之后又很快消散。

由圖9可見，監(jiān)測斷面處隧道中心點(diǎn)(測點(diǎn)4)在施工過程中S1持續(xù)增大，孔隙水壓力逐漸減小。上述計(jì)算結(jié)果是在有開挖面支護(hù)力(294 kPa)、注漿壓力(154 kPa)作用下計(jì)算所得，因周圍土體得到較好的支護(hù)，所以土體受盾構(gòu)施工擾動相對較小。

2.3 位移計(jì)算結(jié)果

開挖過程中監(jiān)測斷面處隧道周圍和地表A，B，C三點(diǎn)的垂直位移見圖10，在盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面后，隧道頂部點(diǎn)下沉位移為14.5 mm，地表沉降為4.5 mm，隧道底部上浮28 mm。開挖面變形計(jì)算結(jié)果見圖11，此基本模型中，由于開挖面推力取值較大(294 kPa)，使開挖面上半部分土體產(chǎn)生了向前的凹陷位移，最大值為2.7 mm，下部土體發(fā)生了向后的凸出位移，最大值為2.3 mm。不同開挖距離時監(jiān)測斷面處地表沉降見圖12，可知在盾構(gòu)掘進(jìn)面接近監(jiān)測斷面時，在地表產(chǎn)生了輕微的隆起，在開挖距離為21.0 m時(距監(jiān)測斷面9 m)，地表隆起變形達(dá)到最大，為0.5 mm;之后地表逐漸發(fā)生沉降，最終隧道全部開挖后最大地表沉降為4.5 mm。

圖10 地表沉降、隧道頂點(diǎn)和底點(diǎn)位移變化過程

2.4 管片后期固結(jié)沉降結(jié)果

圖11 開挖面變形

圖12 監(jiān)測斷面處地表沉降變化過程

土體滲透系數(shù)較低時，由于隧道周圍土層中的超孔壓未能快速消散，造成土體的長期固結(jié)變形［8-9］，對管片的長期荷載產(chǎn)生影響。在土體滲透系數(shù)為1.0×10－8m/s時，隧道全部開挖后，監(jiān)測斷面處管片內(nèi)力(彎矩)隨時間的變化見圖13，可知管片荷載隨時間持續(xù)增大，在180 d后趨于穩(wěn)定。在隧道頂部建立局部坐標(biāo)系，周圍土體在局部坐標(biāo)系下的沉降變形見圖14，可知周圍土層相對于管片頂點(diǎn)產(chǎn)生了隨時間逐漸增大的不均勻沉降，使管片內(nèi)力發(fā)生變化。

圖13 管片長期荷載變化情況

圖14 局部坐標(biāo)系下隧道頂部不均勻沉降

3 結(jié)論

采用三維流固耦合有限元計(jì)算方法可合理模擬水下盾構(gòu)的施工過程，并可分析管片、注漿層、盾構(gòu)、注漿壓力、開挖面推力等影響因素對開挖面變形、地表沉降、管片荷載等的影響，模擬分析結(jié)果表明:盾構(gòu)開挖使隧道兩側(cè)土體處于加載狀態(tài)，孔壓升高;使隧道上部土體處于卸載狀態(tài)，孔壓降低;盾構(gòu)通過之后逐漸恢復(fù)至初始孔壓。在土層滲透系數(shù)較小時，盾構(gòu)施工之后土體中仍將存在較大的超孔壓，造成土體長期固結(jié)變形，使管片荷載隨時間增大。

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