蘭 宇/LAN Yu
(廣東華隧建設(shè)股份有限公司,廣東 廣州 530300)
現(xiàn)代城市的各種地下交通和設(shè)施越來越復(fù)雜,若在市區(qū)進(jìn)行明挖隧道施工,會(huì)對(duì)居民生活造成嚴(yán)重影響,采用盾構(gòu)法施工隧道具有很大的優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)法施工時(shí)采取地層與襯砌結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式進(jìn)行施工,隨著盾構(gòu)的推進(jìn),在管片和土體之間會(huì)出現(xiàn)空隙,為了對(duì)這些空隙進(jìn)行填充,必須在盾構(gòu)空隙處注入漿體,剛注入的漿體還是流體,隨著時(shí)間的推移不斷固化,力學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生變化,從而對(duì)地層位移和襯砌土壓力造成一定的影響。以下探究注漿體固化過程對(duì)土壓力和地層位移造成的影響。
由于盾構(gòu)施工過程中測(cè)試條件的限制及各種外界因素的影響,注漿體的力學(xué)性能很難直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,要想通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)施工過程,同時(shí)觀察隨著施工進(jìn)行注漿體的力學(xué)性質(zhì)還不能實(shí)現(xiàn)。因此,對(duì)于這個(gè)問題的探究只能通過室內(nèi)試驗(yàn)來進(jìn)行研究。根據(jù)注漿體的特征,凝固過程主要是水與水泥反應(yīng)從而使得注漿體的強(qiáng)度逐漸增加,所以室內(nèi)試驗(yàn)可采用無側(cè)向抗壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究,筆者以參與的某工程實(shí)例進(jìn)行研究。工程中采用盾構(gòu)刀盤直徑、管片外徑分別為6.280m、6.0m,這樣施工過程中當(dāng)管片脫離盾尾后,管片與洞壁之間會(huì)出現(xiàn)大約0.14m的空隙,即可進(jìn)行注漿體的灌注,在工程中具體施工方式為同步注漿方式。漿液的成分與配比:砂875kg、水泥180kg、膨潤土37kg、粉煤灰310kg、水310kg。試驗(yàn)中采用的漿液試樣高度為H=8cm,D=3.91cm,對(duì)不同齡期漿體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合可以得出經(jīng)過8h、24h及28d漿體的彈性模量分別為0.9MPa、4MPa、400MPa。
在地下隧道施工中,由于巖土結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性及邊界條件的復(fù)雜性,對(duì)此類問題采用微分方程比較困難,因此在多數(shù)情況下都采用靈活、通用的有限元分析法。這種方法即適用于復(fù)雜的邊界問題,又能反映材料的不均勻性。同時(shí)由于隧道施工過程屬于長形結(jié)構(gòu),因此盾尾注漿對(duì)隧道土壓力和位移的影響問題,可以采用二維有限元進(jìn)行模擬。本文計(jì)算中采用ADINA通用商業(yè)有限元軟件,同時(shí)采用的是程序中自帶的Mohr-Coulomb彈塑性模型。
由于注漿過程的復(fù)雜性和特殊性,因此在采用有限元法進(jìn)行模擬時(shí),做了以下幾點(diǎn)近似:第一,注漿厚度小于盾尾空隙的理論值;第二,將漿體看作是變剛體。對(duì)于變剛體也進(jìn)行了近似化處理,將其看作是彈性材料?;诖?,變剛體的參數(shù)通常取厚度、彈性模量及泊松比。厚度通常按下式計(jì)算:
上式中,Δ、η分別表示盾尾空隙的理論值及折減系數(shù)。折減系數(shù)對(duì)于不同土質(zhì)取值不同,通常在0.7~1.5,對(duì)于硬土層,取0.7,對(duì)于極軟的土層,取1.5。彈性模量的取值要結(jié)合具體工程施工中洞周釋放荷載考慮,由于變剛體的組成主要包括水泥、砂及粉煤灰,同時(shí)泊松比的取值范圍比較小,因此參考水泥土的泊松比,取值為0.2。
某工程土壓平衡式盾構(gòu)直徑6.28m,管片外徑、厚度、寬度分別為6.0m、0.3m、1.2m。施工時(shí)采用混凝土的標(biāo)號(hào)為C50,采用同步注漿方式,施工開挖場(chǎng)地的土層分別為素填土、粉質(zhì)粘土、砂土、全風(fēng)化花崗巖。注漿組成配比如前所示,隧道深埋15m,計(jì)算時(shí)采用有限元分析法的Mohr-Coulomb彈塑性模型,襯砌材料為鋼筋混凝土,泊松比為0.17,折減系數(shù)為0.6,襯砌的彈性模量為20.7GPa。
在用有限元法進(jìn)行模擬分析時(shí),土層計(jì)算深度為40m,水平方向的計(jì)算寬度為60m,分4個(gè)階段進(jìn)行模擬:第一,開挖階段;第二,注漿和盾尾管片脫開階段;第三,短期固化階段;第四,長期固化階段。計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。
根據(jù)圖1、圖2可知,在同一水平面,位置不同的地方隧道地層豎向位移數(shù)值不同,隧道頂部最大,距離隧道軸線越遠(yuǎn)的地方越小,距離地表越深的位置越??;同時(shí)任何深度的豎向位移都不是固定的,而是隨著施工過程增加,其中第二階段豎直方向位移增加的幅度最大,隨后增幅逐漸減小。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,襯砌上豎直方向和側(cè)向土壓力隨著施工過程的進(jìn)行持續(xù)不斷增加,在施工的前兩個(gè)階段,地應(yīng)力、襯砌豎向和側(cè)向土壓力值都比較小,隨著時(shí)間的推移,逐漸進(jìn)入固化階段,此時(shí)地應(yīng)力、豎向和側(cè)向的土壓力都逐漸增加,但并不是等值分布。不同位置處壓力大小不同,對(duì)于豎向地層壓力來說,頂部壓力值大于水平直徑處;對(duì)于側(cè)向土壓力,頂部和底部壓力值小于水平直徑處。
圖1 隧道頂上方土層的豎向位移
圖2 隧道水平直徑處地層水平位移分布
現(xiàn)階段盾構(gòu)施工數(shù)值模擬中對(duì)于注漿體的考慮通常有以下2種:第一,作為彈性等剛體考慮,忽略施工過程注漿體力學(xué)性質(zhì)的變化情況;第二,完全忽略注漿體的影響,認(rèn)定隧道壁面土體產(chǎn)生徑向相等的位移,并且位移大小與盾尾空隙相等。下面筆者對(duì)上述2種方法及本文中提到的將注漿體作為變剛體的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,并和實(shí)際地表沉降測(cè)量值進(jìn)行比較。
第一種計(jì)算方法是將注漿體作為彈性等剛體考慮,因此注漿體的彈模為400MPa,泊松為0.2;
第二種計(jì)算法完全忽略注漿體的影響,因此將注漿體的彈模設(shè)為5kPa,泊松比取0.2;
第三種計(jì)算方法為本文將注漿體作為變剛體處理,參數(shù)與前面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同。
采用有限元分析法計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示,A、B、C分別表示上述3種方法。
圖3 不同計(jì)算方法的地表沉降與實(shí)測(cè)值結(jié)果
圖4 不同計(jì)算方法襯砌上土壓力分布
根據(jù)圖3結(jié)果可知,前2種方法計(jì)算出的地表沉降和實(shí)測(cè)值之間存在較大誤差,而本文提出的將注漿體看作變剛體的方法與實(shí)測(cè)值比較接近;根據(jù)圖4可知,B方法的計(jì)算結(jié)果小于A、C方法,若將注漿體作為彈性等剛體考慮,則施工時(shí)彈模相對(duì)較大,襯砌不易發(fā)生變形,因此豎向和側(cè)向壓力的差值變化較??;若將注漿體作為變剛體考慮,與彈性等剛體相比,襯砌的豎向土壓力變小而側(cè)向土壓力增加,這樣就導(dǎo)致豎向和側(cè)向的土壓力呈現(xiàn)比較均勻的分布狀態(tài)。
綜上所述,以往采用盾構(gòu)隧道法施工時(shí),很少考慮施工過程注漿體隨施工過程固化對(duì)位移和土壓力造成的影響。筆者根據(jù)參與的工程實(shí)例,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,提出了彈性變剛體模型,采用有限元分析法模擬盾構(gòu)隧道法的施工過程,分析了隨著施工過程的進(jìn)行,注漿體力學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)地層位移和襯砌壓力的大小、分布的變化規(guī)律,并對(duì)不同計(jì)算方法進(jìn)行了比較探討,希望能對(duì)同仁起到一定的借鑒作用。
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