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1、软土地层中盾构施工对既有地铁沉降的影响分析摘要:针对上海地铁七号线下穿地铁二号线的实际,利用ADINA软件对施工过程进行模拟,来分析盾构施工对既有地铁沉降的影响.通过对施工中不同影响因素的对比分析,发现由于土体超挖、不及时施作管片和注浆未紧跟等因素引起的不同应力释放率会对既有地铁沉降产生较大影响.关 键 词:盾构隧道;应力释放率;三维有限元0前言随着上海基础设施的飞速发展,盾构隧道穿越既有地铁线路的现象会越来越多,施工中对既有线路沉降的控制是一直以来的难题.目前,许多文献(例如文献[1]、[2])就这方面的问题已经研究很多,并取得不少成果.但是,由于土体超挖、
2、不及时施作管片和注浆未紧跟等因素引起的不同应力释放率对既有地铁沉降的影响分析还很少.鉴于此,本文针对上海地铁七号线斜穿地铁二号线的实际情况,利用ADINA软件建立三维有限元模型,通过对不同应力释放率和既有地铁线路上有无动荷载情况的分析,发现不同应力释放率对既有地铁线路沉降的影响较大.1隧道开挖的模拟根据文献[3]可知,地层沉降的基本原因是地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结.其中,地层损失和隧道开挖应力释放率引起的沉降,主要是因盾构机与土体之间的相互作用,导致了土体应力状态以及位移场的改变,由此引起的沉降,大都在施工期间会呈现出来.因为本文主要关心
3、既有地铁在新隧道施工期间的沉降,所以对不同应力释放率的影响分析是必要的.尽管开挖过程中盾构周边土体应力释放的情况较为复杂,但简化的看,主要有如下三种情况.如果不及时地拼装管片或注浆,则盾构周边土体的部分卸荷力由土体自身承受;或者如果开挖之后立即施作管片,则管片将承受几乎所有的卸荷力;或者如果盾构周边土体达到稳定才注浆或施作管片,则土体承受几乎所有的卸荷力,管片受力为零.而在实际的施工过程,盾构周边土体持续变形到某个程度时,才施作管片的,所以两者之间有时间上的不连续,从而不同应力释放率引起的沉降差异也会有很大不同.鉴于此,在模拟土体开挖的过程中,ADINA的单元
4、死掉可以让其刚度在一段时间内变化,最终为零,这就可以用于模拟施工过程的时间效应.2工程背景按照设计的要求,上海轨道交通7号线在龙阳路下穿地铁2号线,两线斜角约45°,斜交处两线中心净距离1.6m.轨道交通7号线的埋深是16.4m,地铁2号线的埋深是8.6m.两轨道交通线叠交处的地质情况如下所示:该地区地层为淤泥质软土层,根据物探资料,地层自上而下土层依次为:(a)杂填土(①),从地表而下厚度为2m,在0~0.9m深度内,土中混碎石、煤渣等杂质,含植物根茎;0.9~1.2深度范围内含氧化铁锈斑,局部为粉质黏土;1.2~2.0范围内含氧化晕斑迹,土层自上而下渐变软
5、.(b)褐黄色粉质粘土(②1),该层土质不均,夹粉性土薄层,含云母.(c)灰色淤泥质粉质粘土(③1):饱和,流塑,夹薄层粉土,含云母.贝壳碎屑,切面光滑,高干强度、高韧性,高压缩性.(d)灰色淤泥质粘土(④1):饱和,流塑,夹薄层粉土,含云母.贝壳碎屑,切面光滑,高干强度、高韧性,高压缩性.(e)灰色粘土(⑤1),含腐植物和钙泥质结核,局部为粘质粉土.(f)暗绿色粉质粘土(⑥),含氧化铁锈斑,夹钙质结核.在有限元数值分析中,做适当假设和简化,模拟区域的地质剖面图(自上而下依次为a~f土层):根据该地区的勘查资料,每层材料参数依据对其组分按厚度进行加权平均的处理
6、方法而获得.模型材料的物理力学参数见表2-1.3三维有限元模型有限元模型尺寸长96m、宽60m、高40m,经过优化后的有限元网格如图3-1、3-2所示,共有10744个单元.下部两隧道为开挖的下穿隧道(地铁七号线),上部与之斜交的两隧道为既有地铁2号线.由于盾构隧道开挖是分步进行,所以本计算中模拟的开挖步是:隧道开挖时前五步开挖左线后五步开挖右线.第一步时,七号线左侧隧道的掘进面距离地铁二号线下方2m;第二步时,七号线左侧隧道的掘进面到达地铁二号线的侧下方;第三步时,七号线左侧隧道的掘进面通过地铁二号线的正下方;第四步时,七号线左侧隧道的掘进面完全通过地铁二号
7、线的下方;第五步时,七号线左侧隧道完成地铁二号线地段的开挖;第六步至第十步是重复上述五步对地铁七号线右侧隧道进行开挖.通过计算得到,当有30%被释放的应力作用在管片周围土体时,既有地铁最大沉降值为27.40mm,而如果50%被释放的应力作用在管片周围土体时,既有地铁的最大沉降值增至35.07mm.为了方便说明问题,在道床位置沿着既有地下线路的纵向距离叠交中心位置处各27.8m范围内,取出一组点,来分析该组点的竖向位移变化情况.图4-1(a)~(b),比较了不同应力释放率情况下,地铁2号线在地铁7号线第三和第八模拟开挖步时的沉降曲线.从图中可以看出,在不同应力释
8、放率情况下,尽管每一步开挖中既有地铁2
