陶連金, 高玉春, 王文沛, 王 楓, 彭 坤

(北京工業(yè)大學(xué) 巖土與地下工程研究所,北京 100022)

盾構(gòu)出洞凍結(jié)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(xué) 巖土與地下工程研究所,北京 100022)

運(yùn)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(gòu)出洞凍結(jié)法施工過程進(jìn)行了模擬,對盾構(gòu)出洞過程中施工穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。施工豎井為地下四層結(jié)構(gòu),圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻。數(shù)值模擬凍結(jié)壁水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力、沿隧道開挖方向位移的變化,將模擬得到的應(yīng)力與凍結(jié)壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比,并對隧道軸線方向地表沉降位移進(jìn)行預(yù)測,同時(shí)采用安全系數(shù)法對施工的安全性進(jìn)行了評價(jià)。安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步說明了凍結(jié)法在軟土地區(qū)地下工程施工中的優(yōu)越性。

盾構(gòu);出洞;凍結(jié)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(jié)法多應(yīng)用于地鐵旁通道的開挖、盾構(gòu)進(jìn)出洞工程。土體凍結(jié)后封水可靠,加固強(qiáng)度較高,且能隨時(shí)控制凍土溫度以達(dá)到所需控制強(qiáng)度,所以凍結(jié)法施工應(yīng)用于盾構(gòu)進(jìn)出洞工程非常適合且行之有效。另外,凍結(jié)法施工對環(huán)境保護(hù)有利,無異物進(jìn)入土壤,對周圍環(huán)境擾動較小。

盾構(gòu)的進(jìn)出洞工序是盾構(gòu)法建造隧道的關(guān)鍵工序。該工序施工技術(shù)直接影響建成后隧道軸線質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)、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(qiáng)度太高,就給大刀盤切削帶來困難,引起機(jī)器故障并影響工程進(jìn)度。

針對盾構(gòu)進(jìn)出洞的難題,很多學(xué)者基于實(shí)際工程對洞周土體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,主要有理論計(jì)算和數(shù)值模擬兩種方法。理論計(jì)算方面建立了不同的力學(xué)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(jì)算。數(shù)值模擬方面,劉豐軍等通過有限元計(jì)算程序 MSC.MAR對凍結(jié)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(jìn)行分析,認(rèn)為盾構(gòu)進(jìn)出洞凍結(jié)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(gòu)出洞凍結(jié)法加固土體進(jìn)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(gòu)進(jìn)出洞工程為背景,運(yùn)用三維有限差分軟件 FLAC3D對上海軟土地區(qū)凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞施工進(jìn)行穩(wěn)定性分析,從時(shí)間和空間上對凍結(jié)壁穩(wěn)定性及地表沉降進(jìn)行研究,分析凍結(jié)法施工盾構(gòu)出洞中凍結(jié)壁位移及地表沉降規(guī)律,以其為盾構(gòu)出洞施工安全提供指導(dǎo)[3-5]。

1 工程概況

該區(qū)間隧道上下行各設(shè)置一座中間風(fēng)井,其中下行線與出入場線中間風(fēng)井結(jié)合設(shè)置。下行線中間風(fēng)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(jié)構(gòu)。中間風(fēng)井結(jié)構(gòu)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(gòu)成,結(jié)構(gòu)立面圖如圖 1所示。盾構(gòu)出洞前,盾構(gòu)機(jī)向風(fēng)井推進(jìn),距連續(xù)墻約 10 m時(shí)控制盾構(gòu)推進(jìn)速度。當(dāng)凍結(jié)壁凍結(jié)達(dá)到 28 d時(shí),凍結(jié)壁厚度及平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)壁與連續(xù)墻完全膠接,開始破壁拔管盾構(gòu)出洞,鑿除中間風(fēng)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(hù)結(jié)構(gòu)開洞立面Fig.1 Front elevation of holing enclosure structure

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

圖 2 盾構(gòu)推進(jìn)剖面Fig.2 Profile of shield advance

2 計(jì)算方法

計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)模型和強(qiáng)大計(jì)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(hù)單元。

文中主要分析了盾構(gòu)出洞前凍土帷幕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場及位移情況,進(jìn)而可對凍結(jié)法盾構(gòu)出洞施工進(jìn)行安全性評估。數(shù)值分析計(jì)算采用地層—結(jié)構(gòu)模型,認(rèn)為盾構(gòu)出洞處豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)開洞前地層處于初始平衡狀態(tài),最終得到的結(jié)果就是盾構(gòu)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(bào)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(shí)際的施工過程,必須通過某種途徑取足夠的計(jì)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(jié)果。

模型簡化的原則就是在保證計(jì)算精度的前提下對模型進(jìn)行合理的簡化,理論上,隧道修筑過程應(yīng)屬于半無限空間問題,其橫斷面的左右以及下部邊界應(yīng)該在無窮遠(yuǎn)處,但這在數(shù)值模型中難以得到實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為,如果考慮盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動,橫斷面上單邊計(jì)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(jì)算結(jié)果具有足夠的精度。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為,如果取橫斷面單邊計(jì)算寬度為 9D外加隧道半徑,下部深度取為2.5D,計(jì)算結(jié)果也具有很好的工程精度。結(jié)合已有數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn),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(gè)單元,176 076個(gè)節(jié)點(diǎn) (圖 3)。

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

3.3 基本假定及相關(guān)參數(shù)

(1)地下土體采用彈塑性本構(gòu)模型,摩爾 -庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。凍土假定為彈性材料,未考慮凍結(jié)土體產(chǎn)生的膨脹變形。豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻采用實(shí)體單元,內(nèi)襯墻及隧道襯砌采用 FLAC3D結(jié)構(gòu) shell單元進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)單元假定為線彈性。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn),凍土彈性模量和泊松比分別為150 MPa和 0.3。凍結(jié)壁厚度為 2.6 m。黏性土凍土強(qiáng)度指標(biāo)為:抗壓強(qiáng)度 3.5MPa,抗折強(qiáng)度 1.8 MPa,抗剪強(qiáng)度 1.5 MPa。砂性土凍土強(qiáng)度指標(biāo)為:抗壓強(qiáng)度 4.0MPa,抗折強(qiáng)度 2.0MPa,抗剪強(qiáng)度1.8MPa。凍結(jié)壁頂面所受土壓力按上覆土體重量和超載計(jì)算,側(cè)面承受土壓力,按靜止側(cè)壓力系數(shù)k=1-sinφ=0.7計(jì)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(gòu)出洞施工的過程,將盾構(gòu)出洞分為七個(gè)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(gòu)隧道開挖至距凍結(jié)壁 10 m處,然后每 2 m為一開挖步,至凍結(jié)壁處,最后開挖 2.6 m厚凍土,盾構(gòu)出洞。

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

(5)盾構(gòu)主隧道襯砌及豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)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(cè)面施加水平約束。

3.4 數(shù)值模擬計(jì)算

數(shù)值模擬與計(jì)算見圖 4。

圖 4 計(jì)算流程Fig.4 Computational flow

4 結(jié)果與分析

盾構(gòu)施工是一連續(xù)過程,該模型簡化為七個(gè)步序。凍結(jié)壁最終變形是前面施工過程的疊加。盾構(gòu)出洞過程中比較危險(xiǎn)的工況有兩個(gè):(1)地連墻開洞后,加固土體完全暴露,且盾構(gòu)機(jī)頭未靠上之前,即歩序一;(2)盾構(gòu)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(gòu)開挖至凍結(jié)壁處)凍結(jié)壁靠近地連墻面隧道軸線方向應(yīng)力和最大主應(yīng)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(jié)壁出現(xiàn)臨空面,在土壓力的作用下,沿盾構(gòu)隧道方向的應(yīng)力在開洞面積內(nèi)呈圓環(huán)狀分布,且中間應(yīng)力最小,沿開洞截面外一環(huán)由于地連墻對凍結(jié)壁的約束作用,應(yīng)力達(dá)到最大值。隨著開挖的進(jìn)行,盾構(gòu)愈靠近凍結(jié)壁處,凍結(jié)壁沿盾構(gòu)方向的應(yīng)力和最大主應(yīng)力愈大。盾構(gòu)開挖到凍結(jié)壁處時(shí),應(yīng)力達(dá)到最大值,即這時(shí)的凍結(jié)壁處于最不利荷載工況。此時(shí) FLAC3D模擬所得結(jié)果與強(qiáng)度指標(biāo)比較后的安全系數(shù)匯總?cè)绫?2。由表2可見,凍土抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)、抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)均大于 2,故盾構(gòu)出洞施工過程中凍土強(qiáng)度可以滿足要求。

圖 5 凍結(jié)壁靠近地連墻面應(yīng)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(yù)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(jié)壁沿盾構(gòu)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(jié)壁由于受到土層壓力作用,產(chǎn)生向豎井內(nèi)側(cè)的位移。隨著盾構(gòu)機(jī)向施工豎井的推進(jìn),凍結(jié)壁位移 s增大。盾構(gòu)機(jī)開挖時(shí)凍結(jié)壁向基坑內(nèi)位移13.6 mm,推進(jìn)到凍結(jié)壁處時(shí),最大位移為 15.9 mm。盾構(gòu)出洞后地連墻外側(cè)地表沉降為 1.2 mm。由圖8知,盾構(gòu)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(jié)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(jié) 論

(1)盾構(gòu)出洞過程中,施工豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)開洞。開洞外圍凍結(jié)壁的應(yīng)力最大,中心部位應(yīng)力最小,局部出現(xiàn)拉應(yīng)力,為開挖時(shí)凍土受力最不利位置,在施工時(shí)此處應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

(2)豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)開洞處,凍結(jié)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(qiáng)度安全系數(shù)、抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)均大于2,說明盾構(gòu)出洞凍結(jié)壁的 2.6 m厚度和設(shè)計(jì)溫度-10℃所產(chǎn)生的強(qiáng)度是滿足施工過程中強(qiáng)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(dāng)?shù)剡B墻及內(nèi)襯墻拆除后,暴露的凍結(jié)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(zhǔn)確的反映聯(lián)絡(luò)通道開挖后土體位移及內(nèi)力的變化趨勢,考慮到實(shí)際施工中土體暴露所產(chǎn)生的時(shí)間效應(yīng),數(shù)值還要偏大,故需要依靠合理的施工措施來確保盾構(gòu)出洞的安全。

[1] 劉豐軍,閆兆強(qiáng),廖少明.軟土地層大直徑盾構(gòu)出洞段加固

土體的數(shù)值分析 [J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(3):54-57.

[2] 吳 韜.大型盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)及加固土體受力機(jī)理分析[D].同濟(jì)大學(xué),2006:52-65.

[3] 楊永新,王保文,岳豐田,等.大直徑盾構(gòu)出洞凍結(jié)法技術(shù)研究[J].施工技術(shù),2006,35(11):67-70.

[4] 李 寧,王勝利,邵 鋼.凍結(jié)法施工地鐵旁通道引起的隧道及地表沉降規(guī)律研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(1):41-44.

[5] 趙 峻,戴海蛟.隧道盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞施工技術(shù)[J].城市道橋與防洪,2007(9):62-67.

[6] 侯學(xué)淵,錢仁達(dá),楊林德.軟土工程施工新技術(shù)[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,1999:35-69.

[7] 李 強(qiáng),曾德順.盾構(gòu)千斤頂推力變化對地面變形的影響[J].地下空間,2002,22(1):12-16.

[8] 王安邦,陶連金,張印濤.地鐵聯(lián)絡(luò)通道軟土地層凍結(jié)法施工的 FLAC三維數(shù)值模擬[J].巖土工程界,2008,11(5):27-30.

(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。