富水砂層中盾構(gòu)施工引起的土體應(yīng)力變化規(guī)律

王建軍 丁洲祥 劉 輝

1 工程概況

廣州市地鐵某施工段線含有富水砂層的達(dá)到上千余米，區(qū)間途經(jīng)農(nóng)田、魚塘及市政道路和綠化帶，地處廣花沖積盆地，由于地質(zhì)條件和環(huán)境條件的復(fù)雜，對工程安全和質(zhì)量以及對周邊環(huán)境的影響提出了很高的要求。本文將通過數(shù)值模擬方法對盾構(gòu)施工引起的土層應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，可供類似工程施工中減少地層擾動作參考。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體應(yīng)力變化數(shù)值模擬

2.1 有限元模擬的建立

地鐵斷面有限元模型尺寸為長80 m，寬25 m，高25 m的三維網(wǎng)格。左右兩邊限制單元節(jié)點(diǎn) X方向位移，下邊界限制節(jié)點(diǎn)Y方向位移，前后限制節(jié)點(diǎn)Z方向位移，經(jīng)過優(yōu)化后的有限元網(wǎng)格如圖1所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1)土壓力。由圖 2，圖3可以看出，數(shù)值模擬得出的土壓力變化規(guī)律與實(shí)測的變化規(guī)律大致相似，在整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，土壓力的變化共分為三個(gè)階段:a.顯著增長階段，切口臨近斷面至盾體通過斷面時(shí)，土體先后受到土倉壓力的擠壓作用，盾體的摩擦剪切作用使得其受擾動嚴(yán)重，土壓力上升;b.波動階段，盾尾脫離斷面時(shí)，受壁后注漿的影響，土體應(yīng)力有一定的波動，其峰值往往在這個(gè)階段產(chǎn)生;c.恢復(fù)階段，盾尾脫離斷面后盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的影響弱化，土壓力逐漸減小，但比盾構(gòu)通過斷面以前有一定增加。

2)孔隙水壓力。由圖 4，圖5可以看出，數(shù)值模擬的孔隙水壓力與實(shí)測得出的變化規(guī)律大致相同。從上面各圖中可以看出，孔隙水壓力的變化規(guī)律和土壓力大致一樣，整個(gè)掘進(jìn)過程中處于掘進(jìn)上升、停止下降的波動循環(huán)中。總體而言可分為三個(gè)階段:緩變段——盾構(gòu)切口距離斷面15 m時(shí)，波動范圍在 5 kPa之內(nèi);顯變段——切口臨近至盾尾過后3 m大概12 m范圍內(nèi)，波動峰值約20 kPa;消散段——盾尾遠(yuǎn)離，這時(shí)掘進(jìn)的影響已經(jīng)很微弱。

3 結(jié)語

1)當(dāng)切口達(dá)到斷面前，土壓力的變化值很小，但總體上呈現(xiàn)隨著盾構(gòu)的靠近土壓力增大的趨勢。切口經(jīng)過斷面時(shí)，土壓力達(dá)到一個(gè)較大的波動值，然后有小幅度回落。這主要是因?yàn)榍锌诒平鼤r(shí)對土體的擠壓和形成超孔隙水壓力致使土壓力大幅度上升，當(dāng)切口推進(jìn)一環(huán)時(shí)要停機(jī)進(jìn)行管片拼裝，對于砂土一旦停止掘進(jìn)，超孔隙水壓力會迅速消散，使得土壓力有所回落。而后再次推進(jìn)，到盾尾通過時(shí)，土壓力會再次波動到一個(gè)較大的水平，甚至超過切口達(dá)到時(shí)的土壓力值。從監(jiān)測情況來看，同一個(gè)孔埋深越大，土壓力的變化值也越大。同一深度土體，離隧道越近，土壓力變化值也越大。2)孔隙水壓力的變化規(guī)律與土壓力基本類似。切口接近監(jiān)測斷面時(shí)，孔隙水壓力呈現(xiàn)上升的趨勢。在盾構(gòu)到達(dá)并通過期間，孔隙水壓力有明顯的增加。盾尾通過后，孔隙水壓力還有一次較大的波動，并在此階段達(dá)到峰值。埋深越大，孔隙水壓力變化幅度也越大。與土壓力明顯的區(qū)別在于，孔隙水壓力的回落非常快，而且回落幅度也很大，基本在切口通過斷面25 m之后，能回落到初始水平附近。3)超孔隙水壓力和土壓力變化的實(shí)測結(jié)果表明:土壓力與孔隙水壓力是同步增加的，說明土體中土壓力增加是超孔隙水壓力產(chǎn)生的原因。隧道頂和肩部的土體擾動程度較大，隧道底部土體的應(yīng)力擾動程度較小，越往地表，土體的應(yīng)力擾動程度越小。

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