浅覆越河盾构隧道施工期管片上浮力学特性研究

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1、浅覆越河盾构隧道施工期管片上浮力学特性研究冯宏朝高锋王少鹏摘要盾构隧道穿越跨河段浅覆土地层时，施工阶段管片上浮问题不容忽视。以土压平衡盾构穿越深圳地铁7号线大沙河段为工程依托，采用三维数值模拟与现场监测数据分析，对脱离盾构的管片衬砌结构在注浆压力作用下所发生的上浮现象进行计算研究。通过分析盾构掘进过程中管片上浮对地表沉降、管片变形量及受力的变化特征，探寻管片上浮对地表及衬砌结构的影响规律，对现场监控量测数据进行分析，进一步证实了数值模拟的合理性。关键词盾构隧道数值模拟注浆压力管片上浮地表沉降1引言盾构隧道穿越跨河段浅覆土地层时，当竖向

2、土压力及管片自重等其他效应所产生力的总和不足以抵消作用在管片的上浮力时，对于刚脱离盾尾的管片，经常会出现局部或整体上浮现象，从而导致管片错台、破损，隧道轴线不符合设计要求。盾构隧道施工阶段，管片上浮问题已经引起了广泛关注和重视，因此，在施工期应严格控制管片上浮，以保证隧道线形符合设计要求。为此，国内外学者针对盾构隧道在施工阶段管片上浮问题做了较多研究。叶飞将管片上浮力分为静态上浮力和动态上浮力，静态上浮力为泥浆和注浆浆液浮力，动态上浮力为注浆压力对管片所产生的上浮力；Bezuijen等对注浆浆液的流动过程进行分析，探讨了浆液屈服强度与

3、所能抵抗隧道最大上浮力之间的关系，但未考虑管片之间的环间的相互作用，与实际情况存在差异；沈征难对影响管片上浮的因素进行研究，从外部条件及内在原因两个方面对管片上浮的原因进行了分析，并提出了相应的控制措施；梁永钊等对盾构隧道管片出现连续上浮的问题，进行了原理分析和技术讨论，针对广州地铁3号线盾构施工管片上浮的控制措施提出了相关建议。从这些研究成果来看，研究多集中在导致盾构管片上浮原因的理论分析和影响因素等方面，对地表沉降及衬砌结构位移与力学形态受管片上浮影响的研究相对较少。本文针对深圳地铁7号线穿越大沙河浅覆土段可能出现的管片上浮问题，

4、建立盾构隧道与周围土体相互作用的三维计算模型，对上浮力作用下的地表沉隆变形规律、管片上浮值及上浮状态下管片衬砌结构的受力特征进行分析，并结合现场地表沉降监测数据，研究盾构法隧道管片上浮对地表沉隆影响的客观规律。2工程概况深圳市地铁7号线西丽湖站～西丽站区间隧道采用盾构法施工，隧道结构采用两个单线圆形衬砌形式，盾构管片环外直径6.0m，内直径5.4m，管片厚度30cm，幅宽1.5m。盾构下穿大沙河段隧道覆土厚度5.9～6.9m，从地面向下各地层分别为素填土、粉质黏土、砾砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩等，河床底中部存在一条断层，地层分布纵

5、断面图如图1所示。盾构在穿越大沙河过程中，地层存在多次软硬交互现象，隧道结构在地下稳定水位以下，且位于西丽水库下游，冲刷严重。地下水与水闸河水互补，存在水力联系。盾构在此类地层掘进过程中，更容易出现管片上浮问题。图1大沙河地质剖面图3计算模型及参数根据西西区间盾构隧道线路位置示意图及岩土工程勘察报告，选取盾构穿越大沙河段进行仿真模拟，其地层及结构物理力学参数见表1。数值模型3个方向尺寸选取的原则是把隧道开挖影响范围都包含在计算模型范围内，计算模型长96m（沿隧道轴线方向），宽65m，高38.1m，均能满足开挖土体影响范围3～5倍洞径的

6、要求。模型边界条件为：沿Z轴隧道掘进方向，对模型前后两面施加Z方向约束；对模型左、右侧边界施加X方向约束；对模型底部施加Y向约束，地表为自由面，同时在河床施加均布荷载来模拟对应水位高度的水压力，计算模型如图2所示。为了更好的分析盾构掘进过程中管片结构及地层变形作出如下假定：（1）假设围岩为均匀、连续、各向同性的介质；（2）不考虑地下水对施工过程中的影响。土体、管片衬砌结构及注浆层均采用ANSYS软件中提供的SOLID45单元模拟。土体材料采用各向同性弹塑性本构模型，屈服准则为Druck-Prager准则。为综合考虑盾尾空隙、土体向盾尾

7、空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况对地表位移的影响，采用液态、固态注浆层模拟浆液硬化的时间效应；隧道管片、注浆层及盾构机按弹性材料看待，管片衬砌采用C50混凝土，考虑到管片衬砌接头对结构刚度的影响，将管片横向结构刚度折减0.15，纵向等效刚度折减系数为0.01。在数值计算中采用辅助手段来使模拟中的空间效应与实际一致，将隧道的开挖过程视为一个应力释放的过程，而且将开挖引起的应力释放分为两个部分，一部分在隧道开挖后且支护没有修筑之前释放20%，剩余部分则在支护修筑之后释放。图2计算模型-土层分布示意图表1地层及结构参数表地层名称天然重度

8、/kN/m3内摩擦角黏聚力/kPa泊松比弹性模量/MPa素填土19.422.619.20.421.5砾质黏性土18.52221.90.3521.7全风化花岗岩19.32423.70.3526.1强风化花岗岩19.9351