【导语】“阿长的山海经”通过精心收集，向本站投稿了2篇盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究论文，这次小编在这里给大家整理后的盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究论文，供大家阅读参考。
篇1：盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究论文
盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究论文
摘要:研究目的:探明盾构隧道施工中各制约因素取值差异对地表沉隆变位分布规律的影响。
研究方法:本文以某拟建地铁城市区间盾构隧道试验段为研究对象,引入荷载释放系数和纵向等效刚度系数,采用三维有限元法对盾构隧道施工引起的地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线进行了研究。
研究结果:揭示了围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素变化对盾构隧道施工引起地表沉隆变位的影响,运用三维曲线探讨了盾构隧道施工过程中的地表沉隆变位曲线空间分布变化规律。
研究结论:围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力增大都将导致施工引起地表沉隆变位影响的加剧,建议工程施工中采取调整顶推力等措施以降低施工对地表环境的影响。
关键词:盾构隧道;横向沉降槽;纵向沉隆曲线;三维有限元;顶推力
盾构隧道施工中盾构机每推进一环管片幅宽长度,毛洞即可在盾壳的支护下进行管片环拼装,并通过同步和壁后注浆向紧靠盾壳后部的开挖洞壁与脱离盾尾衬砌环间注入大量浆液,以防止由于周围土体向盾尾空隙移动而引起的较大地层扰动和地表沉降。
众多学者对盾构隧道施工引起地表沉隆变位分布变化规律进行研究并取得了大量成果。文献[1]采用现场监测和数值计算相结合的研究手段对广州地铁二号线区间隧道盾构法施工引起地表沉隆变位分布变化规律进行了总结分析;文献[2]结合上海地铁明珠线盾构隧道施工提出了地表沉降预测计算公式及参数确定方法;文献[3]在选用人工智能神经网络结构及相关预测模型基础上,对上海地铁明珠二期盾构隧道施工引起地表变形进行了小样本智能预测;文献[4]采用现场监测手段分析得出了掌子面与监测点距离对沉降量的影响规律,并对盾构顶推施工中的地表沉降进行了阶段划分。
现有研究成果主要是针对相关工程具体展开,缺乏对各影响因素的对比分析。因此,本文在盾构法施工隧道对围岩扰动影响基础上,结合装配式衬砌环向和纵向刚度等效特性,对围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素影响下的地表沉降槽(带)空间分布变化规律进行了三维有限元数值模拟和定性分析,研究成果可供工程设计和施工参考。
1 工程概况
某拟建地铁城市二号线试验段区间盾构隧道位于南北向交主干道下方,地表线路两侧为1~4层砖混结构民房。区间隧道纵断面两端高中间低,线路全长1408m,间距13m,隧道结构拱顶埋深7.8~14m,位于上第四系更新统风积新黄土、第四系上更新统冲击层和中砂层,地下水位较低且对混凝土结构无腐蚀性。试验段区间隧道穿越地层在地下水位附近断续分布5m厚的软化层,地层处于硬塑一软塑状态,地下水位以上土层具有湿陷性,隧道围岩分级为Ⅵ级、局部Ⅴ级。试验段区间盾构隧道穿越地层地质条件围岩相关物理力学参数如表1所示。
试验段区间盾构隧道衬砌环采用C50预制钢筋混凝土管片,管片环外直径6m,内直径5.40m,管片厚0.30m,标准管片幅宽1.50m。整环采用“1+2+3”模式(即1个封顶块,2个邻接块和3个标准块)构筑而成。
2 计算模型及施工模拟
2.1 计算模型
计算采用三维有限元法进行,计算模型如图1(a)所示。为缩短计算时间,消除边界效应并满足较高计算精度要求,模型长48m,宽60m,高36m,单次循环进尺3m,共完成16组(原型32环)管片拼装施工,已拼装完成管片环、注浆层和盾构机如图1(b)所示。
计算围岩土体采用实体单元模拟,本构关系符合摩尔-库仑准则,相关材料参数如表1所示。盾构隧道是由若干环向和纵向接头连接而成的复杂带状空间体,计算中衬砌管片环、壁后注浆层及盾构机头均采用实体单元进行模拟,其中由文献[5]取管片环环向刚度折减系数0.7,由文献[6]取管片环纵向等效刚度折减系数0.01,泊松比和容重不折减,计算选用各结构材料参数如表2所示。由文献[7]取隧道施工引起围岩荷载释放系数0.25。
2.2 施工过程模拟
计算采用生死单元法[8]进行盾构隧道开挖过程的模拟,即通过单元的“杀死”来模拟隧道核心土体的开挖,通过单元的“激活”来模拟盾构隧道盾尾注浆和管片支护的形成。
根据盾构隧道施工特点,采用三维有限元模拟隧道的施工全过程主要包括如下几个步骤:(1)求解土体初始应力场,明确各单元的初始应力状态;(2)“杀死”单元,模拟核心土体开挖,形成洞周径向荷载释放;(3)“激活”单元,模拟管片环拼装和注浆层的形成;(4)循环进行,直至整条隧道贯通。
3 成果与分析
3.1 横向沉降槽
计算得盾构隧道分别完成第4环、第8环、第12环管片拼装和全隧道贯通后,不同围岩条件和隧道埋深下,顶推力改变所引起的目标断面1和目标断面2的地表横向沉降槽分布变化规律分别如图2和图3所示。
对比分析图2和图3可以看出:盾构机到达前,受刀盘顶推力对前方土体的挤压效应影响,掌子面前方一定距离处地表形成隆起;盾构机通过时,受脱离盾壳管片环和土壁间隙引起地层应力损失影响,地表形成较大沉降量且该沉降速率较大,同时隧道两侧土体向隧道中线移动,施工影响范围扩大,地表形成较大横向沉降槽;随着掌子面的逐渐远离,施工对地表沉隆变位的影响逐渐减小,地表横向沉降槽渐趋稳定且不再变化。
盾构隧道施工过程中,围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素差异都在较大程度上制约着地表横向沉降槽的变化和沉降量的增加。以目标断面1地表横向沉降槽为例对各影响因素作用下的地表沉降量进行分析,计算得Ⅴ类围岩、2D埋深和0.3MPa顶推力作用下掌子面下穿目标面时的地表沉降量为0.62cm,约占隧道贯通后总沉降量的40%;围岩条件减弱,Ⅵ类围岩地表沉降量为0.57cm,约占隧道贯通后总沉降量的20%;埋深减小,1D埋深地表最大沉降量为0.39cm,约占隧道贯通后总沉降量的27%;顶推力增大,0.40MPa顶推力引起的地表沉降量为0.57cm,约占隧道贯通后总沉降量的40%。由此可以看出,修建盾构隧道所引起的地表沉降量更多地产生于施工后期,即长期固结期,而受施工阶段盾尾孔隙、壁后注浆和施工围岩扰动等影响相对较小。
3.2 纵向沉隆曲线
点绘计算所得各影响因素作用下,盾构隧道分别完成第4环、第8环、第12环管片拼装和全隧道贯通时的`隧道纵轴线正上方地表纵向沉隆变位分布曲线如图4所示。由图中可以看出,受顶推力等因素影响,掌子面前方一定距离处地表形成隆起,随后逐渐下沉,但下沉趋势不断减缓并最终趋于稳定。分析计算数据可以看出,Ⅴ类围岩、2D埋深和0.3MPa顶推力作用引起前方地表最大隆起点距掌子面约15m,围岩条件减弱,Ⅵ类围岩中该距离约为13.5m;隧道埋深减小,1D埋深下该距离约为6m;顶推力增加对地表最大隆起量出现位置几乎没有影响,由此可以看出,该隆起点位置受掌子面顶推力影响较小,而隧道埋深和围岩条件差异是制约地表纵向沉隆曲线变化规律的关键因素,而其中又以隧道埋深的影响最大,如当埋深由2D减小为1D后,该最大隆起量出现位置可缩短约40%。
由各影响因素作用下地表纵向沉隆曲线随施工进程的分布变化规律可以看出,隧道所处围岩条件、埋深和顶推力等因素均将在较大程度上影响和制约着地表沉隆曲线的变化规律。围岩状况恶化或隧道埋深的减小都将引起隧道纵轴线正上方地表沉隆变化区域及变位量的显著增加;顶推力降低,隧道施工对地表的影响相应削弱。
3.3 沉隆变位分布
由计算所得地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线,点绘Ⅴ类围岩、2D埋深、0.3MPa顶推力作用下盾构隧道分别完成第8环管片拼装和隧道全长贯通后的地表沉隆变位三维分布曲线如图5所示。由图中可以看出,盾构隧道顶推施工将引起掌子面后方地表形成较大沉降量,受沉降围岩带动影响,两侧围岩拥向隧道中轴线,从而形成沉降槽。受顶推力影响,掌子面前方围岩产生向上、向前移动趋势,从而形成地表隆起,远侧围岩受隧道施工影响较小,地表沉隆变位不明显。隧道贯通后,地表形成沿纵轴线对称沉降槽,受围岩次固结效应影响,早期施工完成管片环上方形成较大沉降量。
4 结论与建议
结合广州地铁三号线大-沥区间盾构隧道施工,采用三维有限元法对隧道施工过程中的地表沉隆变位分布变化规律进行了深入研究和定性分析,揭示和探讨了围岩条件、隧道埋深、顶推力等因素变化引起的地表沉隆变位差异,通过本文研究可得出如下结论:
(1)盾构隧道施工地层应力损失导致后方及掌子面附近地表横向形成类似于Peck沉降曲线的单一沉降槽,刀盘顶推力挤压效应引起前方地表横向隆起。地表沉降量主要产生于施工后期的长期固结期而受施工期影响相对较小。
(2)施工地层应力损失、后期固结沉降和掌子面顶推力导致地表纵向呈前隆后沉趋势变化。掌子面前方最大隆起点出现位置受隧道埋深影响较大,而隆起量则受围岩条件影响较大。
(3)分析不同影响因素作用下的地表沉隆变位分布变化规律可知,围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力的增大都将导致施工对地表影响的增加,工程设计中应在结合围岩差异基础上适当调整隧道埋深,并在施工中适时调整顶推力以降低施工对地表环境的影响。
参考文献:
[1]刘招伟,王梦恕,董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报,2003(8):1297-1301.
[2]沈培良,张海波,殷宗泽.上海地区地铁隧道盾构施工地表沉降分析[J].河海大学学报(自然科学版),2003(5):556-559.
[3]安红刚,孙钧,胡向东,等.盾构法隧道施工地表变形的小样本智能预测[J].成都理工大学学报(自然科学版),2005(4):362-367.
[4]高俊强,胡灿.盾构推进和地表沉降的变化关系探讨[J].南京工业大学学报.2005(4):44-48.
[5]道t合技g研究所.道造物等O省ね解h(シル?ドトンネル)[M].丸善株式会社,1997.
[6]曾东洋.盾构隧道衬砌结构力学行为及施工对环境的影响研究[D].成都:西南交通大学,2005.
[7]松井春.都市トンネルのH(合理的なO?施工法をめさし)[M].鹿岛出版社,1998.
[8] 潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社,1995.
篇2：盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析论文
盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析论文
摘 要： 不同的地质条件、施工方法、隧道埋深以及衬砌刚度等条件的差异， 会不同程度地影响隧道衬砌上荷载的分布。结合上海软土盾构法隧道设计和施工的具体情况， 分析影响软土隧道衬砌荷载的影响因素， 可为地铁隧道的设计和施工提供参考。
关键词： 隧道； 衬砌； 刚度
隧道设计时， 只有在准确估计作用在衬砌上荷载的基础上才能正确地进行隧道衬砌设计， 然而由于地层条件的变化和不确定性、盾构推进前后的地层变形导致的应力重分布， 以及施工条件的差异， 很难做到准确地估计作用在衬砌上的荷载。本文结合上海盾构隧道具体情况， 讨论影响软土隧道衬砌荷载的影响因素。
1 衬砌荷载的分布
衬砌是直接支承地层、保持规定的隧道净空、防止渗漏， 同时又能承受施工荷载的结构。衬砌在施工阶段作为隧道施工的支护结构， 起保护开挖面、防止土体变形、土体坍塌及泥水渗入， 并承受盾构推进时的千斤顶顶力以及其他施工荷载的作用； 竣工后， 衬砌单独或与内衬一起作为隧道永久性支撑结构， 可以防止泥水渗入， 同时支承衬砌结构周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载， 以满足结构使用要求（ 图1） 。
当隧道衬砌半径与其埋深比r/H≤1/5时， 可视衬砌受无限远的边界力， 如图1（a）所示。与此同时， 当衬砌在上述主动土压力作用下发生压扁变形时， 还引起介质的被动土压力kδA（k为介质基床系数）， 它只分布在水平轴上下45°的范围。其全部荷载简化如图1（b）所示。从图中很容易得到衬砌上任意点的径向土压力[1]：
式中， pr为角θ1处的径向压力， pV、pH分别为垂直和水平压力。
衬砌设计时必须考虑的荷载包括[2]： 土层压力、地下水压力、结构自重、超载以及地层抗力。根据具体情况还要考虑内部荷载、施工荷载以及震动影响， 特殊情况还要考虑相邻隧道的影响和沉降的影响。
2 衬砌荷载的影响因素
由于土拱作用， 隧道衬砌上的荷载很少情况下等于上覆土重， 很多因素影响着衬砌上荷载的分布。为正确估计作用在衬砌上的荷载， 就必须深入理解这些影响因素。
2。1 地质条件
地质条件是影响隧道施工的最主要的因素， 要找到完全相同地质条件的隧道几乎是不可能的。沿隧道截面的水平方向和垂直方向， 地质条件经常在不断变化。通常在垂直方向， 随着深度的增加， 土的内聚力和强度不断增加， 所以作用在衬砌上的荷载也会减小。在不同的土层中作用在衬砌上的土压力不同， 在淤泥质地层中， 当覆盖层不是特别厚时， 垂直地层压力PV等于隧道埋置深度H和周围土层密度γ的乘积， 即PV=γH。但当地层为强度及刚性较大的硬粘土及有粘性的密实砂土， 而覆盖层又有一定厚度时， 土层会与岩层相仿， 顶部有起拱作用， 此时PV<γH。
2。2 衬砌和土层的相对刚度
隧道衬砌既受到周围地层的荷载， 又受到它的约束。主动荷载使衬砌形状改变， 产生地层给衬砌的被动抗力， 地层位移后会产生相应的剪力， 而把重力传到更远的地层中去， 这样就会减少传给衬砌的垂直荷载。图2表示土层中刚性和柔性衬砌的应力分布和变形情况，地层中的原始垂直应力为σ， 水平静止侧压力系数为K0， 则原始水平应力为K0σ。刚性衬砌几乎不变形， 故原始应力维持不变， 这样刚性衬砌受到较大的弯矩， 其数值的大小取决于垂直应力和水平应力之差。相反， 柔性衬砌大致变形呈椭圆， 垂直方向的向内变形会调动地层中的剪应力， 而使垂直应力减小； 水平方向的向外变形会产生被动抗力， 而使水平应力增加， 直至作用在柔性衬砌上的地层压力接近均匀， 故柔性衬砌的弯矩比刚性衬砌小得多[3]。
因此， 衬砌对于周围地层的相对刚度必然会影响衬砌上荷载的分布。相对刚度越大， 作用在衬砌上的荷载也就越大。衬砌的刚度大小主要取决于衬砌的厚度、管片的拼装方式、接头刚度。工程实践表明： 在保证接头放水要求的情况下， 尽可能减小衬砌厚度和降低接头刚度的作法可以增加结构的柔性， 大大减小结构所受的弯矩， 而轴力却会得到提高， 偏心矩进一步减小。在同等条件下， 错缝拼装衬砌比通缝拼装衬砌具有较高的整体刚度。
2。3 施工方法
尽量减少对土层的扰动是减少衬砌上荷载的有效方法。不同的施工方法对土层的扰动是不一样的， 例如在软土地区， 通常采用土压平衡式盾构（EPB） 和挤压盾构， 但两种方法对地层的扰动程度不同， 所以作用在衬砌上的荷载也是不一样的[4]。
EPB盾构正面为密闭状态， 能有效控制工作面的土压力和地表的沉降。其工作原理是： 由大刀盘切削土层， 切削后的泥土与开挖面的土压力取得平衡的同时，由隧道和土腔相通的螺旋输送机输出， 装于排土口的排土装置在出土量和进土量取得平衡的条件下， 盾构不断推进。挤压盾构的胸板上常开有可开启的进土孔，在极软弱的土层中， 胸板前方还常设有网格板。盾构推进时， 正面土体呈挤压状态， 被挤压的土体通过进土孔， 挤入盾构胸板内侧。进土孔的数量和大小按地质条件而定。为适应各种条件的变化， 常将胸板上的每个进土孔设计成可开闭的千斤顶闸门形式， 以此调整开口率。
EPB盾构和挤压盾构控制地层移动方式的不同，必然造成在隧道掘进的过程中以及施工后隧道周围土层的变化不同， 从而使得作用在隧道上的地层压力不同。
2。4 隧道直径和埋深
隧道埋深对于作用在隧道上的地层压力具有决定作用， 但要明确划分隧道深埋与浅埋的界限， 目前尚无公认的理论依据。一般认为， 对于大开挖施工的`大型地下管道以及埋深较浅的小直径顶管衬砌结构都属于浅埋隧道结构， 而对于矿山法暗挖或用盾构法暗挖的隧道常称为深埋隧道。深埋隧道与浅埋隧道在土压力计算上有两个不同点： 一是要考虑周围土体对隧道顶面以上土柱的摩擦力以及土体卸载拱效应， 从而减少了竖向土压力； 二是埋深的增加会使侧向土压力数值与竖向土压力数值趋向一致。浅埋圆形隧道地层土压力的计算通常如图3所示。
圆形隧道顶部作用的竖向土压力由土柱理论计算， 拱背弧形部分的土体重量可近似简化为均布荷载，侧向土压力一般也是按朗肯土压力理论计算， 地基反力也可由静力平衡条件确定。在地层的相对刚度较大的情况下， 侧向弹性抗力的作用将会明显地表现出来。在深埋的情况下， 由于考虑土体的成拱效应， 采用太沙基公式计算松弛压力， 使有效的土层高度减小， 结构受力降低。理论和实践都证明： 随着隧道的埋深不同， 地层压力的分布规律和数值大小也就不同， 因此， 确定划分浅埋和深埋的界限是十分必要的。
在埋深不变的情况下， 衬砌内力基本随着隧道外径的变化呈向下凸的抛物线形变化， 在外径不断变化的过程中， 其内力的增加量急剧增大， 且内力较大的截面在直径加大后其内力加大的幅度也最大。
2。5 地下水位的变化
对处于含水层和不透水层等复杂地层中的隧道来说， 在长期使用过程中， 地下水位的变化将导致隧道荷载的变化。在隧道开挖阶段， 为增加工作面的稳定性，常需要采取一定的降水措施。衬砌施工后， 地下水位随之上升。显然， 这两种情况下作用在衬砌上的荷载是不相同的， 通常后者要大于前者[5]。
2。6 外界环境的变化
隧道邻近范围内的各种施工活动， 如基坑开挖、增加地面荷载、新建高层建筑物及相邻隧道施工， 都会不同程度地扰动隧道周围的土体， 对土层施加新的附加荷载， 导致作用在衬砌上的荷载变化。
3 结束语
由于地铁隧道工程跨越区域大， 涉及面广， 同一条隧道需要经过不同的土层， 影响因素众多。为了准确估计衬砌上的荷载， 就必须结合工程实际情况， 认真分析各种影响因素， 从中甄别出主要因素， 最终为衬砌的准确设计打下基础。
参考文献
[1] 孙钧。地下工程设计理论与实践（M）。上海： 上海科学技术出版社，1996。
[2] Working Group No。2， ITA。 Guidelines for the design of shield tun―nel lining。 Tunneling and Underground Space Technology， 2000， 15（3） ： 303― 331。
[3] 刘建航， 候学渊。盾构法隧道（M）。北京： 中国铁道出版社， 1991。
[4] 蒋洪胜， 候学渊。软土地层中的圆形隧道载荷模式研究（J）。岩石力学与工程学报， 2003， 22（4） ： 651― 658。
[5] Hak Joon Kim。 Estimation for tunnel lining loads（D）。 Universityof Alberta， 1997： 1― 15。
盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究论文（精选2篇）
