蘭慶男

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

0 引 言

地表沉降在盾構(gòu)施工中難以避免，過大的地表沉降會(huì)影響臨近建筑物及管線的正常使用。為了減小這種不良影響，必須對(duì)地表沉降進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，及時(shí)加以控制。Flac3d軟件能較好的模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的三維力學(xué)行為，也可用來(lái)模擬三維的土體和巖體的力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限時(shí)，能更好的模擬塑性流變特性[1]。把Flac3d軟件和盾構(gòu)隧道施工過程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，模擬盾構(gòu)隧道施工所引起的地表沉降，可以達(dá)到良好的效果，也可為類似工程問題提供經(jīng)驗(yàn)。

趙耀強(qiáng)等[2]針對(duì)北京、杭州、南京和上海4個(gè)典型地區(qū)，利用Flac3d軟件建立盾構(gòu)始發(fā)三維模型，總結(jié)出各典型地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)施工對(duì)地表變形的影響規(guī)律。劉繼峰等[3]彈塑性力學(xué)的Lame公式和Kiersch公式及摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，得出適合淺埋隧道地表沉降預(yù)測(cè)的彈塑性計(jì)算式。朱才輝等[4]針對(duì)盾構(gòu)施工工藝誘發(fā)地層沉降規(guī)律的影響，提出了間隙參數(shù)計(jì)算方法及修正等代層模型。李小青等[5]分析盾構(gòu)隧道引起的土體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)變化，對(duì)比分析不同的地層損失、不同的土體本構(gòu)模型、土體排水和不排水條件下隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律，提出了盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降計(jì)算模型。劉文黎等[6]利用Flac3d軟件模擬始發(fā)段不同加固長(zhǎng)度下土體應(yīng)力分布，得出隨著土體加固范圍的增加，始發(fā)井周圍土體受到擾動(dòng)而產(chǎn)生的位移、應(yīng)力等呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化的結(jié)論。王國(guó)才等人[7]利用三維非線性有限元軟件對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道施工開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得到了隧道地表沉降分別沿縱橫向分布隨盾構(gòu)推進(jìn)的變化規(guī)律和不同深度處地層的沉降變化規(guī)律。

本文采用Flac3d軟件模擬盾構(gòu)隧道施工過程，開展隧道不同圍巖性質(zhì)影響地表沉降變形的數(shù)值分析研究，基于摩爾-庫(kù)倫模型分析不同土體參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，從而有針對(duì)性地采取措施控制地表沉降，最大程度減小施工對(duì)周圍建筑物的不良影響。

1 計(jì)算過程

1.1 模型尺寸及參數(shù)的選取

本文主要用控制變量法針對(duì)不同土的壓縮模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力、膨脹角和泊松比等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。模型中以實(shí)體單元模擬實(shí)際土體，以殼單元模擬盾構(gòu)管片。模型范圍為X×Y×Z=42 m×36 m×39 m，垂直隧道軸向自隧道中心水平向外各取3D (D為隧道外徑)，自隧道底部垂直向下取3D，隧道上覆層15 m，盾構(gòu)隧道開挖36 m。模型上表面無(wú)約束，底面施加Z方向約束，左、右面施加X方向約束，前、后面施加Y方向約束。盾構(gòu)管片參數(shù)設(shè)置：外徑6.0 m、厚度0.30 m、容重25 kN·m-3、泊松比0.17、彈性模量30 GPa，采用鋼筋混凝土C50。模型共有19 200個(gè)單元、21 300個(gè)節(jié)點(diǎn)。距原點(diǎn)沿開挖面方向12 m處設(shè)置23個(gè)橫向地表沉降觀測(cè)點(diǎn)。沿隧道軸線縱向截取計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 整體盾構(gòu)隧道模型圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1圍巖性質(zhì)對(duì)地表沉降影響

對(duì)于埋深和盾構(gòu)半徑都已確定的隧道，影響地表沉降的參數(shù)分別為E、μ、c、φ和ψ。用Flac3d軟件模擬盾構(gòu)隧道施工過程，對(duì)計(jì)算結(jié)果描述曲線分別如圖2至圖6所示。

圖2 μ對(duì)地表沉降的影響

圖3 E對(duì)地表沉降的影響

圖4 φ對(duì)地表沉降的影響

圖5 ψ對(duì)地表沉降的影響

圖6 c對(duì)地表沉降的影響

圖2為E=15 MPa，ψ=5°，c=30 kPa，φ=20°時(shí)泊松比對(duì)地層沉降的影響，顯示地表最大沉降隨μ的增大而增加。圖3為c=30 kPa，ψ=5°，φ=20°，μ=0.2時(shí)彈性模量對(duì)沉降的影響，E越大，地表最大沉降越大。圖4為E=15 MPa，ψ=5°，c=30 kPa，μ=0.2時(shí)內(nèi)摩擦角φ對(duì)地層沉降的影響。圖5為E=15 MPa，c=30 kPa，μ=0.2，φ=20°時(shí)剪脹角ψ對(duì)地層沉降的影響。圖6為E=15 MPa，ψ=5°，μ=0.2，φ=20°時(shí)粘聚力c對(duì)地層沉降的影響。結(jié)果顯示，E、c與地表沉降成反比，ψ、μ、φ與地表沉降成正比；即隨著E、c的增大，地表沉降減小，隨著ψ、μ、φ的增大，地表沉降增大。相比而言，E、c、ψ對(duì)地表沉降的影響程度相對(duì)較大，μ、φ的影響相對(duì)較小。

2.2 淺埋盾構(gòu)隧道地表沉降控制機(jī)理

由上節(jié)分析圍巖性質(zhì)對(duì)地表沉降的影響可以看出：增大圍巖的E和c，或者降低圍巖ψ、μ以及φ，均能減小淺埋盾構(gòu)隧道的地表沉降，由此得出控制地表沉降的兩種方法。

(1)減少圍巖擾動(dòng)的方法:通過合理選擇施工參數(shù)減少盾構(gòu)施工對(duì)周圍土層的擾動(dòng)程度，包括掘進(jìn)速度和支護(hù)壓力比、盾尾注漿加固土體等，使圍巖的E和c無(wú)明顯降低或ψ、μ以φ無(wú)明顯增大[3]。

(2)提高圍巖性質(zhì)的方法:通過錨桿加固、樁基托換等措施對(duì)受影響建筑物進(jìn)行加固，以此提高土體物理參數(shù)，使圍巖的ψ、μ和φ降低或E和c增大，達(dá)到減小淺埋盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致的地表沉降的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)利用Flac3d軟件模擬分析隧道圍巖參數(shù)變化對(duì)地表沉降影響，結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)，隨著圍巖ψ、μ以及φ的增大，地表沉降值增大；隨著圍巖E和c的增大，地表沉降值減小。相比較而言，土層各參數(shù)對(duì)地表沉降的影響程度不同，E、c、ψ對(duì)地表沉降的影響程度相對(duì)較大，μ、φ的影響相對(duì)較小。

(2)在分析隧道圍巖性質(zhì)對(duì)淺埋盾構(gòu)隧道地表沉降影響的基礎(chǔ)上，提出控制地表沉降的兩種方法：通過選擇合理施工參數(shù)減少盾構(gòu)對(duì)周圍土體擾動(dòng)程度的主動(dòng)方法和通過工程加固措施提高圍巖性質(zhì)的被動(dòng)方法。