土压平衡式盾构周围的土压力分析

以上海市轨道交通6号线滨州路站—成山路站土压平衡式盾构隧道为实例,利用岩土工程专用软件FLAC3D进行了盾构法隧道开挖中盾构正面、侧面和下部土体中土压力的计算机模拟计算;详细计算了在盾构逐步推进过程中土压力的动态变化情况。计算结果与实测结果比较吻合,表明建模过程和计算方法是正确合理的。

关键词 城市轨道交通,盾构隧道,土压力,模拟计算与模拟试验、工程实际监测相比,利用计算机对实际工程进行力学预测既节约时间,又节省费用。所以,有限元、有限差分等数值计算方法已在工程技术领域占有重要地位,在岩土工程领域已出现多个优秀的计算软件。在现场的实际监测过程中,只能监测盾构周围土体中有限几个点的水平土压力,测点以外的土压力是未知的,况且在土体中的任意一点都有六个应力分量,即σx,σy,σz,τxy,τyz,τxz;但在实际监测过程中,由于技术手段的限制,不可能把一点的应力状态完全监测清楚。例如,在盾构正下方的土压力,无法用现有的方法监测出来,因为盾构正下方的土体中无法埋设传感器。在这种情况下,对不能计测的某点水平土压力,可通过数值模拟计算的方法,把这些盲点处的土压力计算出来。因此,有必要对盾构掘进过程中盾构周围所有点的土压力或应力的变化情况进行数值模拟,以便搞清楚盾构周围所有点处的应力分布情况。 1 应力场的数值计算 本文的计算以上海市轨道交通6号线滨州路站—成山路站盾构隧道为实例。为了检验计算的可靠性,还进行了实际监测。在计算中采用FLAC3D软件对区间的盾构隧道施工过程进行模拟计算,模拟盾构在连续掘进的过程中盾构周围土压力的变化情况,并把计算结果与实测数据进行了比较。FLAC3D软件是美国Itasca公司开发的三维有限差分程序,采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用了混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形;尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析,该程序能较好地模拟地层材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为,在岩土工程特别是地下工程与隧道的模拟计算中得到了广泛应用。 图1为本次数值计算的有限差分网格。根据对称性,计算区域取盾构与隧道的一半。网格中共有47600个8节点6面体单元。图中带圆圈的黑线表示测点所在平面。计算中采用非线性莫尔库伦模型。

1.1 地质状况 盾构施工穿越的土层为:③2灰色黏质粉土、③3灰色淤泥质粉质黏土、④1灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉质黏土。 1.2 计算初始应力状态 首先计算初始应力场。根据有限差分软件FLAC3D的特性,先采用线性弹性模型计算,等到计算模型达到初始平衡状态后,再把本构关系改为Mohr-Coulomb模型。该模型在主应力空间有一个不等边六边形屈服面。本构改变后,软件在弹性计算的基础上进一步迭代计算,直到重新达到平衡状态;此时,迭代停止,得到初始应力场,如图2所示。

2 盾构连续掘进的模拟 盾构机每向前推进一步,推进距离为1.2m,发生如下变化。 1)单元材料变化:将开挖面向前推进1.2m,此区间在隧道内被挖除的土单元变为空单元,盾尾处的一环钢壳单元换为空单元模拟盾尾脱空。 2)周围土体受力的模拟:盾构的推进是渐进的,而地层环境是相对静止的。有限元网格的划分要适应静止的土层,又要反映盾构的运动,就必须作某种简化。本文作以下简化:假定盾构的推进是跳跃式的,每次向前推进的长度(y轴方向)恰好为一个管片的单元宽度。用改变单元材料类型的方法来反映盾构的前进,而一次前进的过程中盾构周围的土体受力状态也发生变化,将这种变化转化为相应的结点荷载作用于结点上,进行有限元计算。向上一步中盾尾处的一环单元的外围土单元施加0.3MPa的径向压力,模拟压浆压力对周围土体的影响。在新的盾构壳后部单元结点上施加指向盾构推进方向的结点位移,同时计算工作面上所有单元节点上反力之和。该节点反力和应与盾构推力减去盾壳摩擦力之差相等。如果反力和大于该差值,则减小加在工作面节点上的位移值;反之则加大位移值,直至找到一个符合条件的荷载。在工作面上加上这个合理的位移,模拟盾构的正面推力,然后开始有限差分的迭代计算。通过有限差分计算,模拟盾构推进30环(共36m)的过程中,计算特定点的土压力变化情况。盾构正上方3个测点的土压力计算值和实测值分别见图3、图4,盾构正下方3个测点的土压力计算值见图5。

图3和图5分别为利用有限差分软件FLAC3D计算得到的土压力值。图中的曲线由横线连结而成,每条横线代表一个开挖步,每个开挖步的步长为一环管片的长度(1.2m);整条曲线代表该点在盾构连续向前掘进的过程中土压力的变化过程。图4是实际监测到的土压力值,其测点与图3中的计算点相对应。图3表明,计算值与实测值的变化趋势是吻合的,符合一般规律。即在盾构到达之前正上方的土压力有增大的趋势,盾构到达后或者通过一定距离后又会减小。这说明本文的计算是符合施工实际的。图5为在盾构正下方的3个点的土压力变化情况。因为盾构正下方的土体中无法埋设传感器,现通过数值模拟计算的方法,把这些盲点处的土压力计算出来。 3 结语 本文利用岩土工程专用软件FLAC3D进行了盾构法隧道推进的计算机模拟仿真计算,详细计算了在盾构逐步推进过程中土压力的动态变化情况,并把计算结果和实测结果进行了比较。通过本文的分析计算,可以得到如下结论: 1)土压力的计算值与实测值的变化趋势是吻合的,符合一般规律。即在盾构到达之前有增大的趋势,盾构到达后或者通过一定距离后又会减小。这说明本文的计算是符合施工实际的。 2)在盾构正下方土体的土压力,因为盾构正下方的土体中无法埋设传感器而无法监测。现通过数值模拟计算发现,在盾构到达测点前约10m的地方,这些测点的土压力开始逐渐增大;大约在盾构到达测点前3.5m的地方,测点的土压力开始下降;在盾构通过测点约2.5m后,测点土压力又开始增大;盾构通过测点约15m后,测点土压力逐渐稳定。 3)土压力的计算结果与实测结果在总体趋势上比较吻合,表明本文的建模过程和计算方法是正确合理的。 参考文献 [1]徐永福,孙钧,傅德明.外滩观光隧道盾构施工的扰动分析[J].土木工程学报,2002,35(2):70. [2]张厚美.土压平衡盾构掘进试验和数学模型研究[J].岩石力学与工程学报,2005(增2):5762.