基于地层损失概念的盾构穿越运营隧道有限元分析VIP免费

文章编号:1009-6582(2007)02-0035-08基于地层损失概念的盾构穿越运营隧道有限元分析邵�华�������������张子新(上海地铁运营有限公司,上海200003)�(同济大学地下建筑与工程系,上海200092)摘�要�通过对现有盾构掘进数值模拟方法的分析,提出了基于地层损失概念的有限元模拟方法,通过与理论和位移预测经验公式的对比,验证了其适用性,最后用于盾构穿越的分析当中,得出了若干运营隧道的变形规律,并与实际工程所显示的规律进行了对比。关键词�盾构掘进�地层损失�穿越�运营隧道�数值模拟中图分类号:U455.43���文献标识码:A1�前�言随着国内城市轨道交通网络的完善,地铁隧道之间相互穿越的现象已多次出现[1,2]。地铁作为城市交通的命脉,其运营的安全极为重要,在建隧道盾构施工将不可避免地引起周围地层变形,影响运营隧道结构,给运营安全带来隐患。因此,正确认识盾构穿越现象,并为今后的穿越工程提供理论以及实践上的指导,已成为当务之急。数值模拟方法利用计算机强大的运算能力,能够考虑各土层物理力学性质的差异、开挖顺序、边界条件等因素,一定程度上能够反映隧道开挖各因素对周围环境的影响,因而被广泛地应用于盾构法隧道开挖效应的分析中。本文将通过对目前常用的盾构掘进数值模型的分析,提出基于地层损失概念的有限元模拟方法,以应用于对盾构穿越运营隧道的分析当中。2�盾构掘进数值模拟方法比较及选择根据盾构掘进数值模拟方法所基于的假设,分别对现有的各模拟方法进行分析。2.1�应力释放法该方法源于法国的�收敛限制法(convergence-confinementmethod),通过应力释放系数来反映盾构掘进各阶段的开挖效应,代表性的应用有法国学者Bernat和Cambou[3]、Mroueh和Shahrour[4]以及中国学者朱合华、丁文其和李晓军[5]等。该方法简单实用,但其关键的应力释放系数没有明确的物理意义,难以确定,从科学的角度看,该方法并不是完全合理的。2.2�完全仿真[6~8]顾名思义,该作法将盾构掘进各部分完全模拟在内,包括盾尾后注浆层的变化、盾构机的自重、甚至土与衬砌结构的摩擦等等,其对各部分的模拟具有明确的物理意义,但是往往需要消耗更多的计算机资源。实际上,其�完全仿真的程度也是非常有限的,仍然基于许多理想化的假定,比如其通常假定注浆压力沿环向均布,并且注浆层往往假设为等厚的圆环,这与实际情况不符,实际注浆的效果往往依据当时所选注浆参数以及周围地层的情况,可能部分空隙填充过剩,而其余部分欠密实。图1为某隧道段通过地质雷达探测得到的管片外浆液分布情况[18],图中横坐标表示隧道纵向长度,单位为m;纵坐标表示电磁波在介质中的双程耗时,单位为纳秒(ns)。观察图1可知,电磁波耗时极不均匀,可知壁后注浆体厚度不一,实际工程中管片外浆液的填充情况非常复杂。虽然该作法将注浆压力以及注浆层模拟在内,其有限元模型仍然是理想化的。还有比如盾构姿态问题,曲线推进时,盾构姿态需不断调整,修改稿返回日期:2006-12-06作者简介:邵华,男,硕士研究生,工程师.!35!第44卷第2期2007年4月�����������现代隧道技术ModernTunnellingTechnology���������Vo.l44�No.2Apr.2007图1�管片外浆液分布示意Fig.1�Groutdistributionaroundthelining而�完全仿真作法往往对此做忽略处理。基于以上理由,可以认为该作法尚有欠缺,要作量化分析,需继续对这几部分的合理模拟作进一步的研究。还有其它一些作法[9],这里不作分析,由于相应关键参数难以合理确定,其精度均达不到定量分析的要求。盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结,是导致地层变形的主要原因。盾构掘进的过程即是地层损失发生并对周围环境产生影响的过程,如果能够将各阶段地层损失在有限元模型中反映出来,则模拟的结果能够很好地衡量盾构施工对周围环境的影响程度。本文拟通过地层损失值来考察盾构施工对周围环境的影响程度。该方法具有明显的优点,概念清晰,关键参数具有明确的物理意义,无需考虑盾构机移动、注浆层硬化和管片拼装等复杂的过程,因而也无需考虑各部分相互之间复杂的接触面建模问题,仅以开挖界面收敛位移值作为外荷载,来观察受各种地层损失的影响、周围...