软土地区盾构施工对地表沉降的影响规律研究

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总第318期交 通 科 技
SerialNo.318
 2
023第3期TransportationScience&Technology
No.3June.2023
DOI10.3963/j
.issn.1671 7570.2023.03.026收稿日期:2023 01 28
第一作者:苟学登(1985-),男,高级工程师。

通信作者:田野(1992-)
,男,工程师。

软土地区盾构施工对地表沉降的影响规律研究
苟学登 杨 琛 田 野 张 强 彭 斌
(中国水利水电第四工程局有限公司 西宁 810007
)摘 要 为研究盾构施工引起的地表沉降规律,利用PLAXIS 3D建立深厚软土地区盾构施工的数值模型,并结合实测数据进行分析,将二者进行对比验证。

结果表明,土体变形存在空间效应,沿着隧道中心线对称分布且向外递减扩散,最大变形值发生在盾构隧道正上方,最小变形值发生在正下方。

横断面地表沉降曲线近似正态分布,
纵向地表沉降曲线经历缓降-陡降-平稳3个阶段,沉降主要发生在缓降和陡降阶段,约占总沉降值的95%。

通过数值模拟和实测数据对比,结果表明二者最大误差约1mm,验证了数值模拟的准确性。

关键词 深厚软土 盾构施工 数值模拟 土体变形中图分类号 U455
目前盾构法是地铁隧道施工的主要方法,
但盾构在快速前进过程中必然会破坏土体原有应力场和位移场,引起上方地表发生变形,需要有效控
制地面沉降,保证地上城市交通正常运行[1]。

国内外学者对盾构引起的地表沉降开展了相
关研究,其中O′Reilly等[2]
基于P
eck公式并结合不同土质情况,分析实际工程的数据,从沉降槽宽度、
体积、最大沉降量等进行归纳总结,研究发现,土质条件不会影响沉降区域的槽宽,但与隧道埋深相关性较大,经过大量的实例统计和分析,归纳总结出了考虑深度的数学经验模型。

Attewel p
ll[3]
指出横向地表沉降曲线符合正态分布,认为地质条件会影响曲线峰值与宽度,在Peck公式基础上获得了考虑地质条件的沉降计算公式。


靖[
4]
基于随机介质理论对地表沉降进行预测,预测结果与Peck公式的计算结果在变化规律上基本一致,可以引入该理论进行后续研究。

郑俊
等[5 6]
从路面平整度角度切入研究,发现车速与路
面沉降存在关系,并提出了考虑车速的路面沉降公式。

在数值模拟方面,李曙光等[7
]利用研究地层
变化的时空效应,发现变形速率很大,固结较长。

朱正国等[8
]通过数值模拟软件建立单线隧道下穿
模型,分析了路面沉降的变化规律,提出沉降槽宽
度系数以改进现有公式。

武科等[9 11]
认为盾构上
方的覆土层厚度与净距会对路面沉降产生影响。

综上,国内外学者在土体变形方面取得了一定的成果,但对于软土地层的盾构下穿沉降研究较少。

本文依托绍兴轨道交通2号线的盾构施工区间,通过数值模拟和实际监测数据来对软土地区盾构施工引起的路面沉降规律进行研究。

1 工程背景
本工程位于绍兴市袍中路站-越王路站区间,区间剖面见图1。

图1 越王路-袍中路站区间的地质剖面图
该区间长度为11
97m,采用盾构法施工,下穿重要构筑物,变形控制要求高。

设计方案中盾构管片采用C50、抗渗等级为P10钢筋混凝土进
行制作,管片内径5.9m、外径6.7m、壁厚400mm。

隧道区间穿越淤泥质粉质黏土和淤泥质粉质黏土夹粉砂,最高水位高程为3m。

2 软土地区盾构施工三维数值模拟
2.1 计算参数
根据地质勘探资料显示,盾构隧道主要处于⑤1淤泥质粉质黏土层,
数值模型中所采用的土层参数见表1。

表1 数值模型参数表
土层名称犺/m犈
/MPaυ
γ
/(kN·m-3)犮/kPaφ
/(°)杂填土2.8100.317.1510黏质粉土3.2140.317.515.520 淤泥质黏土
15.6100.31713
13
 淤泥质粉质黏土层10.2110.31713.913.5黏土层17.9160.317.41824黏质粉土10.3
18
0.3
18.520
25
盾壳0.352.3×105
0.
2120
管片
0.43.45×10

0.1525 注:犮为黏聚力;φ为内摩擦角;
犈为弹性模量;υ为泊松比;γ为天然重度。

2.2 几何模型及边界条件
结合实际工程参数,采用PLAXIS 3D进行建模计算,同时为降低边界效应的影响和提高计算效率,模型整体尺寸为长×宽×高=180m×150m×50m,数值模型图见图2。

模型犣max方向
上打开约束,其余方向皆关闭。

模型采用Mohr Coulomb模型,
水位为-2m。

图2 数值模型图(单位:m)
盾构推进示意图见图3。

图3 盾构推进示意图
在盾构推进过程中,在开挖面施加垂直且沿竖向深度增长的掌子面推力,
在掌子面推力设置上结合土层厚度和水位进行确定,参考点面荷载
σn,ref=160kPa,σn,inc=1
8kPa。

在第犖环(盾尾位置)上设立注浆压力0.3MPa。

由于盾壳成楔形,设立0.5%的收缩,在第犖+5环管片上设立向后的千斤顶推力,设为0.6MPa,模型全过程共推进80环。

2.3 数值模拟结果
通过数值模拟分析土体变形性状,从而获得软土地区中盾构施工对土体的影响。

分别获取盾构土体犡、犢、犣向变形分布,见图4,图中盾构环数为40环。

图4 土体变形分布图
由图4可见,盾构推进过程中,土体变形在空间上是沿隧道中心线左右对称,
地表最大沉降变形发生在盾构隧道的上方土体中,地表沉降呈椭圆形向四周递减扩散。

为进一步研究土体变形,在图4c)中过沉降最大点形成纵横断面,即犃 犃和犅 犅剖面,分别见图5和图6。

图5 犃 犃剖面图
图6 犅 犅剖面图
由图5可知,土体最大沉降发生在盾壳后方土体之中,沉降呈现扇形向周边递减分布,最大沉降值为12.1mm。

开挖隧道下方的土体发生隆起,最大隆起值为5.3mm,这是因为土体弥补盾壳厚度导致。

盾构掌子面前方的土体变形较小,表明掌子面应力设置较为合理,可以有效控制前方土体变形。

由图6可知,横断面的土体最大沉降发生在盾构隧道正上方位置,最大隆起发生在盾构隧道正下方,成左右对称分布且向外递减扩散分布,表明土体沉降存在空间效应。

为了进一步分析不同位置的地表沉降,在犃 犃剖面和犅 犅剖面上采集不同位置的地表沉降数据,犃 犃剖面不同位置的地表沉降曲线图见图7,取狔=21~99m范围的地表沉降,共计26个取样点,间距3m。

图7 犃 犃剖面的地表沉降曲线图
由图7可知,在狔=21~42m范围的地表沉降稳定,最大值为15.1mm;在狔=42~84m范围的地表沉降值变化较大,变化率为0.24mm/m,这是因为土体和管片之间的空隙导致沉降发生;在狔=84~99m范围的地表沉降值变化较小,主要是受到掌子面推力和土体侧向压力发生沉降。

犅 犅剖面不同位置的地表沉降曲线图见图8,以隧道中心线为0点,负值表示位于中心线左侧,正值表示位于中心线右侧,两侧各选取11个点,间距3m。

为了分析掌子面 断面距离与地表沉降的关系,分别选取了掌子面距离犅 犅断面为12,6,0,-6和-30m时的地表沉降数据,横坐标的负值表明犅 犅断面位于掌子面后方,正值表明位于掌子面前方。

图8 犅 犅剖面的地表沉降曲线图
由图8可知,不同掌子面 断面距离下地表沉降曲线类似于正态分布曲线,其中盾构机中心位置的正上方(测点位置为0m)沉降量最大,随着与中心线距离的增大而减小。

掌子面 断面距离与地表沉降量有关,从距离为12m到30m的过程中,每个测点对应的沉降值皆在不断增大,曲线中线位置的增大速率最快,越往曲线两端,地表沉降的增大速率越慢。

3 实测数据
3.1 现场监测布置
盾构过程会破坏土体原本的应力场,同时由于盾构位于土质较差的淤泥质地层,需要通过监测严格控制变形要求。

地表沉降监测点沿着盾构中心线等距均布,间距为6m,地表横断面监测点间距为3m,盾构监测平面布置图见图9。

选取测点中DBC 12 2~DBC 12 7(包含DBC L 230)和DBC 13 2~DBC 13 7(包含DBC L 260)2个横断面,每个监测断面共有7个监测点,纵断面选取左线测点(即DBC L系列)。

图9 地表监测点的平面布置图
3.2 横断面地表沉降分析
为了分析不同掌子面 横断面之间距离下各横断面的沉降规律,分别获取了2个横断面在距掌子面12,6,0,-6和12m时各测点沉降值,DBC 12横断面上不同距离的地表沉降曲线见图10,DBC 13横断面上不同距离的地表沉降曲线见图11。

为了便于分析,将测点DBC L 230和测点DBC L 260的位置定义为0点位置。

图10 DBC 12
横断面不同距离下地表沉降曲线
图11 DBC 13横断面不同距离下地表沉降曲线
从图10和图11皆可看出:不同掌子面 横断面距离下的曲线的变化类似于正态分布,各曲线变化率不同,隧道中心线位置(距离为0m)的地表沉降值最大;测点位置相同时,随着掌子面 横断面距离的变化,沉降差值不同。

3.3 纵向地表沉降分析
为了分析纵向地表沉降,获取不同掌子面 横断面下各测点的沉降值,测点DBC L 230的地表沉降曲线见图12,测点DBC L 260的地表沉降见图13。

为了便于分析,将测点DBC L 230和测点DBC L 260的位置设置为0m,
图中横坐标为负值表示横断面位于掌子面后方,横坐标为正值表示横断面位于掌子面前方。

图12 测点DBC L 230的地表沉降曲线
图13 测点DBC L 260的地表沉降曲线
由图12和图13皆可知:掌子面与横断面距离从24m变化至54m的过程中,地表沉降值不断增大,沉降曲线经历缓降-陡降-平稳3个阶段。

其中掌子面与横断面距离为0~24m的阶段为曲线的缓降阶段,
掌子面没有达到测点位置,该阶段产生的沉降值占据最终沉降值约20%,这表明盾构过程中,掌子面前方24m范围内的地表土体已经发生沉降;掌子面与横断面距离在
-20~0m时,
为曲线的陡降阶段,该阶段沉降值占总沉降值的75%左右;掌子面与横断面距离在-54~-20m时,
为曲线的平稳阶段,该阶段沉降值变化很小,约占总沉降值的5%。

4 模拟数据和实测数据对比分析
为了将二者进行对比分析,选取DBC 12横断面中与掌子面为0m时地表沉降数据与数值模拟数据进行对比,形成横断面模拟和实测对比图见图14,纵断面模拟和实测对比图见图15。

从图14和图15可以看出,横、纵断面的对比曲线皆呈现如下规律:数值模拟数据和实测数据的曲线变化趋势基本一致,其中横断面上最大沉降值相差0.23mm,纵断面上最大沉降值相差1.5mm,可认为模拟结果与实测基本一致。

图14 横断面上模拟和实测对比图
图15 纵断面上模拟和实测对比图
5 结语
本文以绍兴轨道交通2号线区间工程为依托,采用PLAXIS 3D建立了软土地层盾构施工数值模型,通过数值模拟结果和实测数据分析了地表变形的变化规律,最后对比数值和实测数据进行验证,主要结论如下。

1)横断面上的地表沉降曲线近似于正态分布,不同掌子面 横断面下的曲线变化率皆不同;地表沉降与掌子面 断面距离有关,不同距离下各测点沉降值皆不同。

2)纵向沉降曲线经历缓降-陡降-平稳3个阶段,沉降主要发生在陡降阶段,该阶段沉降量约占据最终沉降值的75%。

3)通过数值模拟和实测结果对比分析,验证了二者纵、横断面地表沉降曲线的变化规律基本一致,表明了数值模拟的合理性。

因此实际施工的盾构参数可以参考数值模拟中数据。

参考文献
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犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀狋犺犲犐狀犳犾狌犲狀犮犲犔犪狑狅犳犛犺犻犲犾犱犆狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀狅狀
犛狌狉犳犪犮犲犛犲狋狋犾犲犿犲狀狋犻狀犛狅犳狋犛狅犻犾犃狉犲犪狊
犌犗犝犡狌犲犱犲狀犵,犢犃犖犌犆犺犲狀,犜犐犃犖犢犲,犣犎犃犖犌犙犻犪狀犵,犘犈犖犌犅犻狀
(SinohydroEngineeringBureau4Co.,Ltd.,Xining810007,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Ineconomicallydevelopedcoastalcities,subwaynetworksareneededtomeetpublicneeds.Shieldtunnelingiswidelyusedbecauseofitsfastandeconomicalcharacteristics,butitwillcausesoildeformationindeepsoftsoilareas.Inordertostudythelawofgroundsettlementcausedbyshieldconstruction,anumericalmodelofshieldconstructionindeepandsoftsoilareaisestablishedbyPLAXIS 3D,andtheanalysisisconductedbasedonthemeasureddata.Finally,thesimulationresults
arecomparedwiththemeasureddatatoverifytheaccuracyofthenumericalsimulation.Theresultsshowthatthereisaspatialeffectofsoildeformation,whichissymmetricallydistributedalongthetunnelcenterlineanddiffusesprogressivelyoutwards.Themaximumsettlementvalueofsoildeforma tionoccursdirectlyabovetheshieldtunnel,whiletheminimumdeformationvalueoccursdirectlybe low.Thesurfacesettlementcurveofthecrosssectionshowsanapproximatepositivedistribution.Theverticalsurfacesettlementcurvegoesthroughthreestages:slowdrop,steepdropandsteadydrop.Thesettlementmainlyoccursintheslowdropandsteepdropstages,accountingforabout95%ofthetotalsettlementvalue.Thecomparisonbetweenthenumericalsimulationandthemeasureddatashowsthatthemaximumerrorbetweenthemisabout1mm,whichverifiestheaccuracyofthenu mericalsimulation.
soildeformation
犓犲狔狑狅狉犱狊:deepsoftsoil;shieldconstruction;numericalsimulation;
(上接第119页)
犆狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀犆狅狀狋狉狅犾犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犳狅狉犛犲狉犻狅狌狊犔犪狉犵犲
犇犲犳狅狉犿犪狋犻狅狀狅犳犛狅犳狋犚狅犮犽犻狀犇犲狊犺犲狀犵犜狌狀狀犲犾
犆犎犈犖犌狌犻犺狌
(ChinaRailwayErju2ndEngineeringCo.,Ltd.,Chengdu610091,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:DeshengTunnelislocatedintheregionallargefaultzoneandintheextremelyhighcrustalstressenvironment.Duringconstruction,seriouslargedeformationofsoftrockoccurredinthephyl litesection.Accordingtothecharacteristicsoflargedeformation,thecauseanalysiswascarriedout,andthecombinedmeasureswereadopted,suchascircularstructuresection,increaseofreservedde formation,combinationoflongandshortbolts,double layersteelarch,longlockinganchorpipe,andradialgrouting,etc.Inaddition,thereasonableconstructiontimeofsecondarysupport,longbolts,andsecondaryliningwasproposedtoeffectivelycontrolthelargedeformationofsoftrock.
犓犲狔狑狅狉犱狊:tunnel;highgroundstress;softrock;largedeformation;controltechnology。

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