陶連金, 高玉春, 王文沛, 王 楓, 彭 坤

(北京工業(yè)大學 巖土與地下工程研究所,北京 100022)

盾構出洞凍結法加固土體的穩(wěn)定性分析

陶連金, 高玉春, 王文沛, 王 楓, 彭 坤

(北京工業(yè)大學 巖土與地下工程研究所,北京 100022)

運用三維有限差分軟件 FLAC3D對上海軌道交通某區(qū)間隧道盾構出洞凍結法施工過程進行了模擬,對盾構出洞過程中施工穩(wěn)定性進行評價。施工豎井為地下四層結構,圍護結構采用地下連續(xù)墻。數(shù)值模擬凍結壁水平應力、最大主應力、沿隧道開挖方向位移的變化,將模擬得到的應力與凍結壁強度設計值進行對比,并對隧道軸線方向地表沉降位移進行預測,同時采用安全系數(shù)法對施工的安全性進行了評價。安全系數(shù)滿足設計要求,進一步說明了凍結法在軟土地區(qū)地下工程施工中的優(yōu)越性。

盾構;出洞;凍結法;數(shù)值模擬

Abstract:This paper introduces the use of finite difference software—FLAC3Dto the simulation of tunnel tunneling reinforced by ground freezingmethod for shield launching,as in the case of a Shanghai tunnel constructed with vertical shaft of underground four-layer structure,and enclosure structure of diaphragm wall.The paper features the numerical simulation of horizontal stress,maximum principal stress of frozen wall,and the changes of displacementwith the construction progress,the comparison between the stress value of numerical simulation and strength design value of the frozen wall,and the prediction of the displacement of the ground surface settlement occurring along the tunnel axis,together with evaluation of safety of construction using safety factor method up to the design requirements.This study confirm s the advantage of ground freezing method used in the underground construction of soft soil.

Key words:shield;launching shaft;ground freezing method;numerical s imulation

近年來,隨著地鐵等地下工程的迅猛發(fā)展,凍結法多應用于地鐵旁通道的開挖、盾構進出洞工程。土體凍結后封水可靠,加固強度較高,且能隨時控制凍土溫度以達到所需控制強度,所以凍結法施工應用于盾構進出洞工程非常適合且行之有效。另外,凍結法施工對環(huán)境保護有利,無異物進入土壤,對周圍環(huán)境擾動較小。

盾構的進出洞工序是盾構法建造隧道的關鍵工序。該工序施工技術直接影響建成后隧道軸線質量、環(huán)境保護、周圍土體與工程施工效果。如果不對洞口土體加固,洞周土體和地下水將向工作井內(nèi)坍陷,地表土體就會下沉,危及地下管線和附近的建筑物。相反,如果土體加固強度太高,就給大刀盤切削帶來困難,引起機器故障并影響工程進度。

針對盾構進出洞的難題,很多學者基于實際工程對洞周土體穩(wěn)定性進行了研究,主要有理論計算和數(shù)值模擬兩種方法。理論計算方面建立了不同的力學模型,其中主要有板理論模型、黏性土滑移失穩(wěn)模型、土體擾動理論計算。數(shù)值模擬方面,劉豐軍等通過有限元計算程序 MSC.MAR對凍結法、攪拌樁以及攪拌樁 +S MW工法加固條件下出洞段的加固土體進行分析,認為盾構進出洞凍結法加固土體位移小于其他加固方法[1]。吳韜采用有限元軟件 Ansys對盾構出洞凍結法加固土體進行模擬[2],筆者針對上海軟土地層,以上海某區(qū)間隧道盾構進出洞工程為背景,運用三維有限差分軟件 FLAC3D對上海軟土地區(qū)凍結法盾構進出洞施工進行穩(wěn)定性分析,從時間和空間上對凍結壁穩(wěn)定性及地表沉降進行研究,分析凍結法施工盾構出洞中凍結壁位移及地表沉降規(guī)律,以其為盾構出洞施工安全提供指導[3-5]。

1 工程概況

該區(qū)間隧道上下行各設置一座中間風井,其中下行線與出入場線中間風井結合設置。下行線中間風井平面凈尺寸為 13.9 m×22.0 m,基坑深 32.2 m,為地下四層結構。中間風井結構由地下連續(xù)墻 (厚度 1 200 mm)及地下連續(xù)墻內(nèi)襯 (厚度 600 mm)構成,結構立面圖如圖 1所示。盾構出洞前,盾構機向風井推進,距連續(xù)墻約 10 m時控制盾構推進速度。當凍結壁凍結達到 28 d時,凍結壁厚度及平均溫度達到設計要求,凍結壁與連續(xù)墻完全膠接,開始破壁拔管盾構出洞,鑿除中間風井內(nèi)襯及連續(xù)墻,需保留的連續(xù)墻厚度不小于 0.3 m。

圖 1 圍護結構開洞立面Fig.1 Front elevation of holing enclosure structure

盾構出洞處地面標高 +5.5 m,盾構出洞洞口中心線標高 -21.1 m,盾構直徑 7 m,盾構隧道位于灰色枌質黏土層內(nèi),如圖 2所示。

圖 2 盾構推進剖面Fig.2 Profile of shield advance

2 計算方法

計算分析采用美國 Itasca Consulting Group Inc.開發(fā)的顯式有限差分法程序 FLAC3D,它是目前世界上優(yōu)秀的巖土工程數(shù)值分析軟件之一。FLAC3D是直接針對巖土工程的軟件系統(tǒng),其完備的巖土材料、支護結構模型和強大計算功能與其他通用有限元軟件系統(tǒng)相比具有較大的優(yōu)勢。它能較好地模擬隧道襯砌 (管片)、錨桿、支柱和其他支護單元。

文中主要分析了盾構出洞前凍土帷幕結構的應力場及位移情況,進而可對凍結法盾構出洞施工進行安全性評估。數(shù)值分析計算采用地層—結構模型,認為盾構出洞處豎井支護結構開洞前地層處于初始平衡狀態(tài),最終得到的結果就是盾構出洞處凍土受力和變形狀態(tài)。

3 模型建立

3.1 土層參數(shù)的選取

巖土參數(shù)根據(jù)巖土勘察報告確定,見表 1。

表 1 地層物理參數(shù)Table 1 Parameters of soil property

3.2 模型尺寸

為了更好的模擬實際的施工過程,必須通過某種途徑取足夠的計算區(qū)域和劃分足夠精度的網(wǎng)格以便得到比較理想的結果。

模型簡化的原則就是在保證計算精度的前提下對模型進行合理的簡化,理論上,隧道修筑過程應屬于半無限空間問題,其橫斷面的左右以及下部邊界應該在無窮遠處,但這在數(shù)值模型中難以得到實現(xiàn)。文獻[6]認為,如果考慮盾構掘進的擾動,橫斷面上單邊計算域取隧道半徑外加 12D(D為隧道直徑),左右對稱,下部取為隧道直徑的三倍,求得的計算結果具有足夠的精度。文獻[7]認為,如果取橫斷面單邊計算寬度為 9D外加隧道半徑,下部深度取為2.5D,計算結果也具有很好的工程精度。結合已有數(shù)值模擬經(jīng)驗,該工程幾何模型尺寸長寬高分別取27.55 m(沿主隧道軸線方向)、120 m(平面上垂直于隧道軸線方向)、60 m(沿豎直方向),總共劃分了164 712個單元,176 076個節(jié)點 (圖 3)。

圖 3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.3 基本假定及相關參數(shù)

(1)地下土體采用彈塑性本構模型,摩爾 -庫侖強度準則。凍土假定為彈性材料,未考慮凍結土體產(chǎn)生的膨脹變形。豎井圍護結構地連墻采用實體單元,內(nèi)襯墻及隧道襯砌采用 FLAC3D結構 shell單元進行模擬。結構單元假定為線彈性。

(2)根據(jù)實驗,凍土彈性模量和泊松比分別為150 MPa和 0.3。凍結壁厚度為 2.6 m。黏性土凍土強度指標為:抗壓強度 3.5MPa,抗折強度 1.8 MPa,抗剪強度 1.5 MPa。砂性土凍土強度指標為:抗壓強度 4.0MPa,抗折強度 2.0MPa,抗剪強度1.8MPa。凍結壁頂面所受土壓力按上覆土體重量和超載計算,側面承受土壓力,按靜止側壓力系數(shù)k=1-sinφ=0.7計算 (其中,φ為土的有效內(nèi)摩擦角)。土的平均重度為 18 kN/m3[8]。

(3)為了更好的模擬及分析盾構出洞施工的過程,將盾構出洞分為七個開挖歩序。第一步為施工豎井地連墻及內(nèi)襯墻開洞,第二步為盾構隧道開挖至距凍結壁 10 m處,然后每 2 m為一開挖步,至凍結壁處,最后開挖 2.6 m厚凍土,盾構出洞。

(4)數(shù)值模擬未考慮盾構施工注漿壓力,盾構機對掌子面的頂推力取 1.1倍靜止土壓力。

(5)盾構主隧道襯砌及豎井支護結構彈性模量和泊松比均取為 30 GPa和 0.2。

(6)荷載。考慮地面活荷載 20 kPa,故土層頂面施加荷載為 20 kPa。

(7)邊界條件。在模型的底部施加豎向約束,在側面施加水平約束。

3.4 數(shù)值模擬計算

數(shù)值模擬與計算見圖 4。

圖 4 計算流程Fig.4 Computational flow

4 結果與分析

盾構施工是一連續(xù)過程,該模型簡化為七個步序。凍結壁最終變形是前面施工過程的疊加。盾構出洞過程中比較危險的工況有兩個:(1)地連墻開洞后,加固土體完全暴露,且盾構機頭未靠上之前,即歩序一;(2)盾構靠近加固土體,即歩序七。

4.1 內(nèi)力分析

由于篇幅限制,僅給出歩序一 (施工豎井地連墻及內(nèi)襯墻開洞)和歩序七 (盾構開挖至凍結壁處)凍結壁靠近地連墻面隧道軸線方向應力和最大主應力云圖 (圖 5)。由圖 5可知,由于地連墻局部鑿除及內(nèi)襯墻的開洞,在地連墻開洞處凍結壁出現(xiàn)臨空面,在土壓力的作用下,沿盾構隧道方向的應力在開洞面積內(nèi)呈圓環(huán)狀分布,且中間應力最小,沿開洞截面外一環(huán)由于地連墻對凍結壁的約束作用,應力達到最大值。隨著開挖的進行,盾構愈靠近凍結壁處,凍結壁沿盾構方向的應力和最大主應力愈大。盾構開挖到凍結壁處時,應力達到最大值,即這時的凍結壁處于最不利荷載工況。此時 FLAC3D模擬所得結果與強度指標比較后的安全系數(shù)匯總如表 2。由表2可見,凍土抗壓強度安全系數(shù)、抗剪強度安全系數(shù)均大于 2,故盾構出洞施工過程中凍土強度可以滿足要求。

圖 5 凍結壁靠近地連墻面應力Fig.5 Stress nephogram of frozen wall

表 2 安全系數(shù)Table 2 Parameters of safety factor

4.2 變形預測

由于篇幅有限,僅貼出歩序一 (地連墻開洞后)和歩序七 (開挖第六環(huán))凍結壁沿盾構隧道方向的位移云圖。由圖 6、7知,施工豎井內(nèi)襯墻及地連墻開洞后,凍結壁由于受到土層壓力作用,產(chǎn)生向豎井內(nèi)側的位移。隨著盾構機向施工豎井的推進,凍結壁位移 s增大。盾構機開挖時凍結壁向基坑內(nèi)位移13.6 mm,推進到凍結壁處時,最大位移為 15.9 mm。盾構出洞后地連墻外側地表沉降為 1.2 mm。由圖8知,盾構隧道軸線方向地表位移趨勢為,距離豎井距離 L越近,地表沉降值 V越小,最大沉降為 5.8 mm。

圖 6 凍結壁靠近地連墻面隧道軸線方向位移Fig.6 D isplacement nephogram of frozen wall along tunnel direction

5 結 論

(1)盾構出洞過程中,施工豎井圍護結構開洞。開洞外圍凍結壁的應力最大,中心部位應力最小,局部出現(xiàn)拉應力,為開挖時凍土受力最不利位置,在施工時此處應當引起足夠的重視。

(2)豎井支護結構開洞處,凍結壁受到土壓力的作用產(chǎn)生向豎井內(nèi)部的位移。中心處產(chǎn)生向豎井內(nèi)部的位移,最大值為 15.9 mm,小于 20 mm,且凍土抗壓強度安全系數(shù)、抗剪強度安全系數(shù)均大于2,說明盾構出洞凍結壁的 2.6 m厚度和設計溫度-10℃所產(chǎn)生的強度是滿足施工過程中強度與變形的要求。

(3)三維數(shù)值模擬顯示:加固土體在初始重力場作用下處于三向受壓狀態(tài),當?shù)剡B墻及內(nèi)襯墻拆除后,暴露的凍結土體雖然有向外張拉的趨勢,但大部分仍然處于受壓狀態(tài)。由此,加固土體四周的約束作用對的抗彎安全性是起作用的。

(4)FLAC3D軟件能夠準確的反映聯(lián)絡通道開挖后土體位移及內(nèi)力的變化趨勢,考慮到實際施工中土體暴露所產(chǎn)生的時間效應,數(shù)值還要偏大,故需要依靠合理的施工措施來確保盾構出洞的安全。

[1] 劉豐軍,閆兆強,廖少明.軟土地層大直徑盾構出洞段加固

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(編輯 晁曉筠)

Stability analysis of soil reinforced by ground freezing method for shield launching

TAO L ianjin, GAO Yuchun, WANG W enpei, WANG Feng, PENG Kun
(Institute of Geotechnical&Underground Engineering,BeijingUniversity of Technology,Beijing 100022,China)

TU472.9

A

1671-0118(2011)01-00048-05

2010-12-06

陶連金 (1964-),男,黑龍江省雞西人,教授,博士,研究方向:巖土與地下工程,E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。