盾构超挖引起的地面沉降规律研究

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1、2016年5月建材与装饰地质·勘察·测绘盾构超挖引起的地面沉降规律研究黄忠福（广东省建筑设计研究院广东广州510010）摘要：本文结合某地铁区间隧道的工程实例，采用二维数值模拟的方法，建立四组模型，对盾构超挖引起的地面沉降规律做了系统的对比分析研究，对数值计算获取的结果数据采用数值拟合的方法，得到砂性土层在盾构施工中发生超挖时的表述地面沉降规律的公式。关键词：超挖；地表沉降；拟合曲线中图分类号：P642.26文献标识码：A文章编号：1673-0038（2016）20-0213-03近年来随着我国城市地铁工程的大量建设，涌现出各种各样的施工工法，其中以盾构法

2、隧道施工技术在城市地铁区间隧道施工中得到了比较广泛的使用。盾构施工过程中常出现盾构机前方的刀盘超挖其正上方的土体，引起上方土体的坍塌，导致地面出现较大的沉降，造成不同程度的影响。但是影响程度如何，对这一方面目前还缺乏量化研究。本文采用数值计算的办法，结合地铁工程实例，对盾构在砂性地层中施工时超挖引起的地面沉降规律进行系统的分析研究。图1二维模型网格图1工程概况表1各土层和材料的物理力学参数该地铁区间线路全长1204m，隧道埋深在12.5～21.6m之间。厚度弹性模量粘聚力土层泊松比容重（kN/m3）摩擦角初始应力参数本区间隧道的管片衬砌外径6000mm，内

3、径5400mm，每环平均宽（mm）（kPa）（kPa）粘土85000.2919520030180.441.2m，厚300mm。钢筋混凝土管片强度等级C50，抗渗等级S10。中粗砂175000.2619.5300000350.35本工程采用土压平衡盾构施工，地质为富水砂砾层。该场地砾砂60000.2519.9360003.937.80.33地基主要由第四系全新统和更新统粘性土、砂类土、碎石类土组表2结构构件材料的力学参数成。本标段掘进地层主要为粉质粘土、中粗砂，容易因为出现被结构构件容重（kN/m3）弹性模量（MPa）泊松比说明切削头带动而扰动地层造成超挖等

4、工程事故以致地面下沉。管片2620.4×1030.2C50钢筋混凝土2盾构超挖的数值模拟软浆液211.00.3水泥浆液水泥浆液21500.25水泥浆液在地铁区间隧道盾构施工的过程中，常出现盾构机前方的刀盘超挖其正上方的土体，引起上方土体的坍塌，导致地面出现较隧道的形状为圆形，顶部除了拱顶1点，其左右两侧还有2、大的沉降。为了研究盾构超挖与地面沉降之间的关系，采用在隧3、4、5点，各相邻节点与隧道中心原点O的连线夹角为18°，在道拱顶施加给定位移A1=δ的方法模拟超挖。为了对比，本文建立拱顶施加给定位移δ后，左右两侧各节点按照各节点的纵坐标四个二维模型：隧道

5、直径D均为6m，覆土厚度依次为10m、14m、与1点纵坐标之比，依次也施加给定位移An，如图2所示。18m、22m；取模型上表面为地面，下表面取至隧道底面下12m，约为2D，X轴方向各取至隧道侧面左右24m，为4D。因此，模型长度均取54m，高度分别取为28m、32m、36m、40m。地层结构由上到下依次为粉质粘土、中粗砂、砾砂；注浆层厚度为120mm；模型侧面和底面取位移边界条件，侧面限制水平位移，底面固定，模型上表面为地表，取为自由边界。如图1所示，即为覆土厚度为14m的模型，计算中的土层信息根据岩土工程勘察报告，以及浆液、管片的物理力学性质参数如表1

6、和表2所图2隧道中心O点左右两侧各节点示意图圆的方程为X2+Y2=9，隧道拱顶1点的纵坐标为3m，其左右示。单元类型：注浆层采用平面单元来模拟，管片采用梁单元模各点的纵坐标依次为Y2=3·cos18°=2.85m，同理，Y3=2.43，Y4=拟，均视为弹性材料；岩土体材料模型采用摩-库仑准则，也用平1.76，Y5=0.93。利用各点的纵坐标，可以求得各点与1点的纵坐标之比。然后，可以根据该比值和拱顶1点的给定位移，计算出面单元来模拟。施工过程动态模拟的实现：首先模拟原始地应力状态，施加其它各点的给定位移。在拱顶1点的给定位移为A1=δ，其余各点重力场，让土

7、体在初始应力条件下平衡，并将土体的初始位移置的给定位移An=Yn/Y·1A1，n=2，3，4，5。例如，当拱顶1点的给定位零；然后钝化隧道内的土体，施作浆液和管片，再将浆液硬化，模移为A1=30cm时，A2=28.5cm，A3=24.3cm，A4=17.7cm，A5=9.3cm。拟整个施工过程。最后，在隧道的拱顶施加5~50cm的强制位移3模拟结果分析做对比分析。分别选取覆土厚度H=10m、H=14m、H=18m、H=22m，隧道直·213·地质·勘察·测绘建材与装饰2016年5月径均为6m的四组二维模型做有限元计算。整理好各计算模型的计算结果，各给定位移

8、下四个模型的地表最大沉降值与给定位移的关系如表3和图6所示，拱顶沉