第 35 卷 增 刊 岩 土 力 学 Vol.35 Supp. 4 年 月 Roc and Soil Mechanics Oct. 4 文 章 编 号 :-7598 (4) 增 --8 顶 管 推 进 引 起 施 工 场 地 竖 向 附 加 荷 载 分 析,, 张 治 国 3, 张 孟 喜 3, 王 卫 东 (. 上 海 理 工 大 学 环 境 与 建 筑 学 院, 上 海 93;. 中 国 矿 业 大 学 深 部 岩 土 力 学 与 地 下 工 程 国 家 重 点 实 验 室, 江 苏 徐 州 6; 3. 上 海 大 学 土 木 工 程 系, 上 海 7;4. 华 东 建 筑 设 计 研 究 院 有 限 公 司, 上 海 ) 4 摘 要 : 基 于 层 状 体 系 解 析 刚 度 矩 阵 理 论 解, 结 合 5 节 点 Gauss-Legendre 求 积 公 式, 提 出 了 层 状 地 基 中 顶 管 施 工 正 面 附 加 推 力 掘 进 机 与 土 体 之 间 摩 擦 力 以 及 共 同 作 用 力 引 起 的 附 加 荷 载 计 算 方 法, 分 析 了 顶 管 推 进 引 起 的 土 体 竖 向 附 加 荷 载 分 布 规 律, 也 研 究 了 地 基 等 效 均 质 性 土 层 力 学 参 数 计 算 点 间 距 以 及 顶 管 埋 深 等 因 素 对 顶 管 施 工 诱 发 附 加 荷 载 的 影 响 效 应 研 究 结 果 表 明, 掘 进 摩 擦 力 引 起 的 附 加 荷 载 在 掘 进 面 前 方 迅 速 达 到 压 应 力 峰 值, 其 量 值 大 小 和 影 响 范 围 均 要 大 于 正 面 附 加 推 力, 是 顶 管 施 工 引 起 临 近 地 层 附 加 荷 载 的 主 要 影 响 因 素 此 外, 层 状 地 基 土 体 参 数 的 改 变 会 对 顶 管 施 工 扰 动 地 层 的 附 加 荷 载 产 生 一 定 影 响, 地 基 等 效 均 质 性 计 算 点 间 距 以 及 顶 管 埋 深 等 因 素 对 附 加 荷 载 大 小 及 分 布 均 存 在 显 著 影 响 成 果 可 为 合 理 制 定 顶 管 开 挖 对 周 围 土 工 环 境 的 保 护 措 施 提 供 一 定 理 论 依 据, 也 可 为 其 他 盾 构 隧 道 工 程 提 供 一 定 的 理 论 参 考 关 键 词 : 顶 管 施 工 ; 层 状 地 基 ; 竖 向 附 加 荷 载 ; 影 响 因 素 ; 解 析 刚 度 矩 阵 解 中 图 分 类 号 :U 45 文 献 标 识 码 :A Analysis of soil vertical additional loads induced by pipe jacing construction ZHANG Zhi-guo,,3, ZHANG Meng-xi 3, WANG Wei-dong 4 (. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 93, China;. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuhou, Jiangsu 6, China; 3. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 7, China; 4. East China Architecture Design Institute, Shanghai, China) Abstract: Based on the analytical stiffness matrix solution for layered soil, the calculated method for additional loads induced by the pipe bulhead additional pressure, and the propulsion friction force between the shield and surrounding soil, and the interaction forces, is derived by means of five-node Gauss-Legendre integral arithmetic. The distribution rule for vertical additional loads induced by pipe jacing construction is analyed. Furthermore, the influences of equivalent uniform characteristics, soil mechanical parameters, spacing distance for calculation point, and pipe buried depth on additional loads are discussed. The research results show that the pea compressive stress is rapidly achieved ahead by the shield opening according to the additional loads due to the friction force. The value and influence scope of propulsion effects due to the friction force is more obvious than that due to bulhead additional pressure. The friction force is the main influence factor of additional loads induced by pipe jacing. In addition, the change of layered soil parameters will lead to a certain extent impact on additional loads. The equivalent uniform characteristics, spacing distance for calculation point, and pipe buried depth have distinct influences on the magnitude and distribution of additional loads. The results may provide certain basis to draw up correctly protective measurements of geotechnical environments influenced by pipe jacing construction. The research results can also provide theoretical references to the other projects such as metro tunnel engineering. Key words: pipe jacing; layered soil; vertical additional load; influence factor; analytical stiffness matrix solution 引 言 随 着 我 国 城 市 基 础 设 施 建 设 的 快 速 发 展, 地 铁 越 江 隧 道 通 讯 管 道 和 合 流 污 水 管 道 等 各 种 市 政 工 程 大 量 出 现, 盾 构 和 顶 管 是 最 为 常 见 的 两 种 隧 道 管 道 施 工 方 式 顶 管 推 进 施 工 时 必 将 诱 发 周 围 地 层 扰 动 而 使 临 近 既 有 构 筑 物 承 受 附 加 荷 载, 甚 至 会 造 成 结 构 屈 曲 变 形 直 至 开 裂 破 坏, 如 何 控 制 顶 管 推 进 施 工 引 起 的 土 体 附 加 荷 载 影 响, 对 于 确 保 既 有 构 筑 物 的 结 构 安 全 以 及 顶 管 的 顺 利 掘 进 都 具 有 重 要 的 收 稿 日 期 :4--6 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (No. 5888,No. 4738); 深 部 岩 土 力 学 与 地 下 工 程 国 家 重 点 实 验 室 基 金 (No. SKLGDUEK5); 中 国 博 士 后 科 研 基 金 (No. 466) 第 一 作 者 简 介 : 张 治 国, 男,978 年 生, 博 士 后, 副 教 授, 硕 士 生 导 师, 主 要 从 事 地 下 工 程 施 工 对 周 围 环 境 影 响 评 估 方 面 的 教 学 与 研 究 E-mail:ghang@usst.edu.cn
岩 土 力 学 4 年 指 导 意 义 目 前 国 内 外 学 者 针 对 顶 管 及 盾 构 施 工 引 起 周 围 地 层 以 及 地 下 构 筑 物 包 括 隧 道, 市 政 管 道 等 影 响 的 研 究 主 要 采 用 数 值 模 拟 方 法 [-] [-] 模 型 试 验 方 法 以 及 现 场 监 测 等 方 法 [3-4] 研 究 大 多 集 中 于 顶 管 及 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 以 及 既 有 构 筑 物 变 形, 针 对 顶 管 及 盾 构 施 工 所 引 起 的 周 围 地 层 附 加 荷 载 研 究 [5] 却 很 少 胡 昕 等 利 用 弹 性 力 学 Mindlin 解, 分 析 了 顶 管 正 面 推 力 引 起 的 附 加 荷 载 在 相 邻 管 道 上 的 分 [6] 布 规 律 黄 宏 伟 等 采 用 三 维 数 值 分 析 方 法, 对 机 头 正 面 推 力 地 层 损 失 注 浆 以 及 共 同 作 用 等 进 行 [7] 了 模 拟 研 究 齐 静 静 等 结 合 镜 像 法 基 本 原 理 以 及 Mindlin 解, 针 对 双 线 平 行 盾 构 法 隧 道 施 工 引 起 的 附 [8] 加 荷 载 进 行 了 计 算 赵 玉 勃 等 基 于 弹 性 力 学 Mindlin 解, 推 导 了 盾 构 推 进 时 正 面 推 力 盾 构 与 土 体 间 摩 擦 力 引 起 的 周 围 土 体 附 加 应 力 沿 圆 周 方 向 的 计 算 表 [9] 达 式 张 明 聚 等 通 过 现 场 监 测, 研 究 了 小 净 距 平 行 盾 构 隧 道 施 工 中 后 行 隧 道 掘 进 引 起 的 先 行 隧 道 管 片 附 加 应 力 的 变 化 规 律 上 述 针 对 顶 管 及 盾 构 施 工 所 引 起 的 周 围 地 层 附 加 荷 载 研 究 的 理 论 方 法 一 般 假 定 土 体 为 均 匀 线 弹 性 半 无 限 体, 没 有 考 虑 地 基 土 体 的 非 均 质 性 实 际 中 顶 管 施 工 场 地 土 体 往 往 呈 现 层 状 分 布, 各 层 间 的 土 体 力 学 特 性 也 不 尽 相 同, 甚 至 相 邻 土 层 特 性 差 别 很 大, 因 此, 应 针 对 层 状 施 工 场 地 中 顶 管 推 进 引 起 的 地 层 附 加 荷 载 理 论 进 行 深 入 研 究 为 获 得 层 状 地 基 基 本 解, 本 文 从 单 层 地 基 初 始 函 数 的 解 析 解 推 导 出 对 称 的 解 析 刚 度 矩 阵, 根 据 有 限 元 总 刚 装 配 方 法 构 造 出 层 状 地 基 总 体 刚 度 矩 阵, 再 结 合 边 界 条 件 求 解 总 体 刚 度 矩 阵 形 成 的 代 数 方 程, 得 到 相 应 问 题 的 精 确 解 由 于 总 体 刚 度 矩 阵 的 对 称 性 及 其 元 素 仅 存 在 负 指 数 这 一 优 点, 不 仅 避 免 了 因 正 指 数 存 在 导 致 的 计 算 溢 出 问 题, 提 高 了 计 算 精 度, 也 在 很 大 程 度 上 简 化 了 整 个 计 算 过 程 基 于 层 状 体 系 解 析 刚 度 矩 阵 理 论 解, 本 文 得 到 了 顶 管 正 面 附 加 推 力 掘 进 机 与 土 体 之 间 摩 擦 力 以 及 共 同 作 用 力 引 起 的 附 加 荷 载 计 算 公 式, 分 析 了 正 面 附 加 推 力 和 摩 擦 力 以 及 共 同 作 用 力 下 土 体 竖 向 附 加 荷 载 分 布 规 律, 同 时 也 研 究 了 各 影 响 因 素 下 顶 管 推 进 引 起 的 地 层 附 加 荷 载 分 布 规 律, 取 得 了 一 些 有 意 义 的 工 程 结 论, 可 以 为 预 防 临 近 构 筑 物 受 力 开 裂 以 及 保 护 临 近 地 下 构 筑 物 的 结 构 安 全 提 供 较 为 可 靠 的 理 论 依 据 附 加 荷 载 理 论 分 析 方 法 基 本 假 定 为 :() 施 工 场 地 为 层 状 非 均 质 土 体, 是 由 n 个 具 有 有 限 厚 度 的 水 平 层 以 及 半 无 限 空 间 体 组 成, 各 土 层 间 完 全 接 触 ;() 考 虑 顶 管 掘 进 施 工 扰 动 地 层 影 响 时, 场 地 不 排 水 固 结 ;(3) 顶 管 沿 直 线 推 进, 不 考 虑 掘 进 机 纠 偏 旋 转 的 影 响 ;(4) 顶 管 正 面 附 加 推 力 沿 推 进 面 均 匀 分 布, 机 壳 与 土 体 之 间 摩 擦 力 沿 机 壳 均 匀 分 布 顶 管 掘 进 力 学 模 型 如 图 所 示 图 中, 正 面 附 加 推 力 和 掘 进 摩 擦 力 所 示 方 向 为 周 围 土 体 所 受 到 的 方 向, 顶 管 掘 进 机 长 L, 外 径 为 D, 轴 线 埋 深 为 H, 正 面 附 加 推 力 集 度 为 F, 掘 进 摩 擦 力 集 度 为 F (a) 整 体 示 意 图 (b) 截 面 示 意 图 图 附 加 荷 载 计 算 模 型 Fig. Calculation model for additional loads 从 弹 性 力 学 中 平 衡 微 分 方 程 几 何 方 程 和 物 理 方 程 出 发, 施 工 场 地 单 层 地 基 中 各 物 理 量 满 足 如 下 关 系 式 : y 顶 管 推 进 方 向 L 掘 进 摩 擦 力 F x x y x E u E v x xy y 顶 管 o y E u x y E v E u y xy E v x y D o 正 面 附 加 推 力 F 半 无 限 体 半 无 限 体 D H 第 层 第 层 第 i 层 第 n 层 y x 第 层 第 层 第 i 层 第 n 层 () () (3)
增 刊 张 治 国 等 : 顶 管 推 进 引 起 施 工 场 地 竖 向 附 加 荷 载 分 析 3 u w x E x v w y E y w u v E x y (4) (5) (6) 式 中 : x y 为 土 体 任 意 一 点 应 力 分 量 ;u v w 为 土 体 任 意 一 点 位 移 分 量 ; E 为 单 层 土 体 模 量 ; 为 单 层 土 体 泊 松 比 根 据 双 重 Fourier 积 分 变 换 的 定 义, 对 于 任 意 函 数 f ( x, y, ) 可 进 行 Fourier 积 分 正 变 换 和 逆 变 换, 即 i( ),,,, e x y f f x y dxdy (7) f x y f 4 i( x y,,,, e ) dd (8) 式 中 : 为 Fourier 积 分 变 换 复 变 量 基 于 式 (7) (8), 针 对 式 ()~(6) 做 双 重 Fourier 积 分 变 换, 并 表 示 成 矩 阵 形 式 : 式 中 :,,,, (, ),, (9) y,, i,,,, G G G x,,,, i,, T u v w (), () 根 据 常 微 分 方 程 理 论 可 得 方 程 式 (9) 的 通 解, 即 单 层 地 基 的 初 始 函 数 解 答 :,,,,,, () 式 中 :,, exp, 为 了 获 取 简 洁 对 称 的 刚 度 矩 阵, 现 将 式 () 中 积 分 变 换 域 内 的 变 量 作 进 一 步 定 义, 并 经 过 推 导 可 以 得 到 关 系 式 : 式 中 : (,, ) U (,, ) K(,, ) (,,) U (,,) (3) T (,, ) i,, x,, y,, T U (,, ) i w,, u,, v,, (4) K,, 为 6 6 阶 的 对 称 刚 度 矩 阵, 建 立 了 在 Fourier 变 换 域 内 任 一 单 层 土 层 单 元 上 表 面 与 下 表 面 应 力 量 与 位 移 量 之 间 的 关 系, 并 具 有 解 析 解 的 性 质, 故 称 之 为 解 析 刚 度 矩 阵 解 析 刚 度 矩 阵 K,, 中 具 体 元 素 为 式 (5) 4 E ( )[(e )(3 4 ) 4 e ] [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) E[(e ) ( )(3 4 ) 4 e ( )] 45 54 [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) 3 3 46 64 4 4 5 5 4 4 4E e (e )( )[(e )(3 4 ) (e )] [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( )(e ) 4 4 6 6 34 43 5 4E e (e )( ) [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( )
4 岩 土 力 学 4 年 55 E{(e ) (e )(3 4 )[ 4( )] 4 e [ (e ) 4 ( )(e )]} (e ) [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) 5 5 4 Ee {4 [ ( )(e ) e ] (e ) (3 4 )[ 4( )( )]} (e ) [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) 4 4 Ee [(e )(3 4 ) 4( ) e 4(e )( )] 6 6 35 53 [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) (e ) 33 66 4 E{(e )( )[4 (e ) (34 )(e ) ] [(e )(3 4 ) 6 e ( )]} [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) (e ) 36 63 4 Ee {(e ) [ ( )(3 4 )](3 4 ) 4 [ e ( )(e )]} [(e ) (4 3) 4 ( )e ]( ) 显 然, 式 (5) 解 析 刚 度 矩 阵 的 元 素 仅 存 在 负 指 数 函 数, 计 算 时 不 会 出 现 溢 出 现 象, 具 有 计 算 精 度 高 稳 定 性 好 的 特 点, 便 于 工 程 应 用 对 于 n 层 分 层 地 基 ( 包 括 荷 载 作 用 面 ), 假 定 hi 为 第 i 层 土 层 底 至 地 表 面 的 距 离 ( i,,, n ), 则 第 i 层 土 厚 度 可 表 示 为 hi hi hi, h h 假 定 任 意 荷 载 作 用 面 也 作 为 一 土 层 分 层 面, 设 为 第 s 层, 其 到 地 表 面 距 离 为 h s, 该 荷 载 在 x, y, 方 向 上 的 分 量 分 别 为 P( x, y, h s ) Q( x, y, h s ) 和 R( x, y, h s ) 根 据 式 (5), 定 义 第 i 层 土 的 解 析 刚 度 矩 阵 为 ( i K ) (,, h i ), 基 于 各 土 层 间 完 全 接 触 的 层 间 连 续 条 件, 并 结 合 式 (3), 进 行 矩 阵 叠 加 得 到 表 达 式 : T (,,) U (,,) () K U (,, h ) () K T (,, hs ) U (,, hs ) ( n) K ( n) K U (,, hn ) T (,, hn ) U (,, hn ) 式 中 : 将 相 邻 解 析 刚 度 矩 阵 (6) () K (,, h ) n () K (,, h ) ( n K ) (,, h n ) K ( ) (,, h n ) 按 照 有 限 元 总 刚 装 配 方 法 两 两 叠 加 得 到 一 个 (3n 3 ) (3n 3 ) 阶 对 称 矩 阵, 即 为 多 层 地 基 作 用 任 意 荷 载 时 的 总 刚 度 矩 阵 ; 各 土 层 计 算 点 处 的 位 移 变 量 经 双 重 Fourier 积 分 变 换 后 的 物 理 量 表 示 为 U,, U,, T h U,, hs U,, hn U,, h n ; 各 土 层 计 算 点 处 的 外 荷 载 ( 边 界 荷 载 ) 变 量 经 积 分 变 换 后 的 量 表 示 为 T,, T,, hs T,, h T n 和 T,, h T s ir,, hs p,, hs q,, hs, 而,, (,, ), p x y hs P x y hs x x y y q x, y, hs Q( x, y, hs ) x x, y y r x, y, hs R( x, y, hs ) x x, y y 式 中 : x x, y y 为 Dirac 奇 异 函 数 [] (5) (7) 考 虑 到 地 表 面 和 距 离 地 表 无 穷 远 位 置 处 的 边 界 条 件 分 别 为 T,, U,, hn (8) 将 式 (8) 代 入 式 (6), 从 而 求 出 在 变 换 域 内 任 意 深 度 处 的 位 移 量 将 其 代 入 式 (3), 就 可 以 进 一 步 求 得 变 换 域 内 层 状 地 基 任 意 深 度 处 的 应 力 量, 表 示 为 (,, hi ) 3 4 5 6 U (,, hi ) 3 5 5 6 U (,, hi ) 3 3 33 6 6 36 (9) 最 终 根 据 式 (8) 对 式 (9) 结 果 进 行 双 重 Fourier 逆 变 换, 便 可 以 得 到 层 状 地 基 中 应 力 基 本 解 本 文 以 土 体 竖 向 应 力 为 例, 讨 论 顶 管 推 进 引 起 的 周 围 地 层 附 加 荷 载 分 布 在 正 面 附 加 推 力 作 用 下, 图 取 微 元 面 积 rdrd, 微 元 荷 载 为 F rdrd, F 为 正 面 附 加 推 力 荷 载 集 度, r 为 开 挖 面 极 坐 标 积 分 参 数, 则 正 面 附 加 推 力 引 起 扰 动 地 层 中 任 一 点 ( x, y, ) 的 竖 向 附 加 应 力 为 S F ( r, ) rdrd () 式 中 : S 为 顶 管 开 挖 面 面 积, 其 积 分 区 域 为
增 刊 张 治 国 等 : 顶 管 推 进 引 起 施 工 场 地 竖 向 附 加 荷 载 分 析 5 r D,,D 为 掘 进 机 外 径 ; ( r, ) 为 单 元 正 面 附 加 推 力 引 起 扰 动 地 层 中 任 一 点 的 竖 向 附 加 应 力, 采 用 层 状 地 基 中 应 力 基 本 解 式 (9) 计 算 此 外, 在 机 壳 与 土 体 之 间 摩 擦 力 作 用 下 在 图 坐 标 系 中, 取 微 元 面 积 D F D d l d, 微 元 荷 载 d l d, F 为 摩 擦 力 荷 载 集 度, D 为 掘 进 机 外 径,l 为 掘 进 机 沿 推 进 方 向 积 分 参 数 则 机 壳 与 土 体 间 摩 擦 力 引 起 扰 动 地 层 中 任 一 点 ( x, y, ) 的 竖 向 附 加 应 力 为 F D ( l, )d l d () S 式 中 : S 为 机 壳 侧 面 积 ; 其 积 分 区 域 为 l L, ; L 为 掘 进 机 长 ; ( l, ) 为 单 元 摩 擦 力 引 起 扰 动 地 层 中 任 一 点 的 竖 向 附 加 应 力, 采 用 层 状 地 基 中 应 力 基 本 解 式 (9) 计 算 将 上 述 正 面 附 加 推 力 掘 进 机 外 表 面 与 土 体 之 间 的 摩 擦 力 作 用 下 扰 动 地 层 中 任 一 点 ( x, y, ) 产 生 的 附 加 应 力 叠 加, 便 得 到 该 点 总 的 附 加 应 力 : () 考 虑 到 式 ()~() 较 难 直 接 积 分 计 算, 可 采 用 5 节 点 Gauss-Legendre 求 积 公 式 求 解, 即 要 满 足 : f ( x)dx.36 93 f (.96 8).478 63 f (.538 47).568 89 f ().478 63 f (.538 47).36 93 f (.96 8) 作 积 分 变 换, 令 D D r 4 4 L L l 则 式 () () 可 以 转 换 为 (3) (4) 5 5 F (, ) dd i jf ( i, j ) i j i 5 5 F D F D (, )d d (, ) ij i j j i (5) 式 中 :5 节 点 Gauss-Legendre 公 式 系 数 i j (.36 93,.478 63,.568 89,.478 63,.36 93 ), 公 式 节 点 (.96 8,.538 47,,.538 47,.96 8 ) i j 根 据 式 (5) 便 可 以 求 得 层 状 地 基 中 顶 管 正 面 附 加 推 力 机 壳 与 土 体 之 间 摩 擦 力 引 起 周 围 地 层 任 意 一 点 处 的 附 加 应 力 3 算 例 分 析 本 文 算 例 中, 根 据 图 所 建 立 的 坐 标 系, 选 取 顶 管 掘 进 机 轴 线 以 上 某 点 为 附 加 荷 载 计 算 点 ( x, y, ), 即 取 H.5D S, 其 中 H 为 掘 进 机 轴 线 埋 深 ; S 为 掘 进 机 外 沿 与 计 算 点 间 距 计 算 扰 动 土 体 竖 向 应 力 沿 轴 向 x 纵 向 分 布 的 面 荷 载, 同 时 也 将 等 效 均 质 地 基 中 的 计 算 结 果 进 行 了 对 比 研 究 此 外, 为 了 考 虑 附 加 荷 载 的 影 响 因 素 及 其 影 响 程 度, 在 计 算 某 一 因 素 的 影 响 时, 其 他 因 素 固 定 不 变 本 文 中 受 力 分 析 以 压 为 正, 拉 为 负 某 地 铁 工 程 场 地 顶 管 掘 进 机 外 径 D 6.4 m, 机 长 L 6 m, 其 轴 线 埋 深 H 9 m, 顶 管 平 行 x 轴 向 施 工, 计 算 点 与 顶 管 掘 进 机 外 沿 间 距 S 7.4 m, 正 面 附 加 推 力 F 4 Pa, 盾 壳 与 土 体 间 的 掘 进 摩 擦 力 F Pa 层 状 地 基 参 数 见 表 层 号 表 地 层 物 理 力 学 参 数 Table Physico-mechanical parameters of soils 层 厚 / m 重 度 / (N/m 3 ) 内 摩 擦 角 / ( ) 黏 聚 力 / Pa 弹 性 模 量 / MPa 泊 松 比.8 7...67.33 7. 9.6 9.7 3.9 8.35.3 3.7 8. 6.4.3 5.6.3 4.5 7.4 4.6 7.6 5.3.8 5 3. 4. 5. 4.3.6.3 6.3. 4. 45.7.4 3. 共 同 作 用 下 引 起 附 加 荷 载 分 析 图 为 正 面 附 加 推 力 F 机 壳 与 土 体 间 的 掘 进 摩 擦 力 F 以 及 共 同 作 用 力 ( F F ) 引 起 的 沿 轴 向 x 纵 向 分 布 的 附 加 面 荷 载 由 图 中 可 以 发 现, 正 面 附 加 推 力 引 起 的 附 加 面 荷 载 沿 顶 管 推 进 方 向 近 似 呈 现 反 对 称 分 布, 在 开 挖 面 前 上 方 土 体 受 到 挤 压, 表 现 为 压 应 力, 开 挖 面 后 方 则 表 现 为 拉 应 力 ; 相 对 于 正 面 附 加 推 力 影 响 效 应, 掘 进 摩 擦 力 引 起 的 附 加 面 荷 载 在 掘 进 面 前 方 迅 速 达 到 压 应 力 峰 值, 其 影 响 范 围 要 大 于 正 面 附 加 推 力, 也 可 以 看 出 摩 擦 力 引 起 的 附 加 荷 载 较 大, 是 顶 管 施 工 引 起 临 近 地 层 附 加 荷 载 的 主 要 因 素 两 者 的 共 同 作 用 如 同 在 临 近 地 层 作 用 一 扭 矩, 随 着 顶 管 不 断 推 进, 这 个 扭 矩 也 不 断 地 前 进, 如 遇 到 地 下 构 筑 物 结 构 材 料 薄 弱 环 节, 就 极 易 产 生 危 害
6 岩 土 力 学 4 年 图 共 同 作 用 下 附 加 荷 载 曲 线 Fig. Curves for additional load under interaction effects 3. 等 效 均 质 性 对 附 加 荷 载 影 响 分 析 图 3~5 为 层 状 地 基 与 等 效 均 质 地 基 中 附 加 推 力 掘 进 摩 擦 力 以 及 共 同 作 用 力 引 起 的 沿 轴 向 x 纵 向 分 布 附 加 面 荷 载 的 对 比 结 果, 其 中 等 效 均 质 地 基 的 土 体 参 数 按 照 Poulos 和 Davis [] 提 出 的 取 加 权 平 均 值 方 法 计 算 对 比 结 果 显 示, 不 管 是 正 面 附 加 推 力 掘 进 摩 擦 力 还 是 共 同 作 用 力 引 起 的 附 加 荷 载, 采 用 本 文 方 法 按 照 实 际 分 层 情 况 计 算 的 结 果 与 按 照 等 效 均 质 地 基 情 况 计 算 的 结 果 有 较 大 的 差 距, 说 明 对 于 土 体 参 数 相 差 较 大 的 层 状 地 基, 如 果 采 用 以 往 图 3 不 同 地 基 条 件 下 附 加 推 力 引 起 附 加 荷 载 分 布 规 律 Fig.3 Distribution rule for additional load induced by bulhead additional pressure under different foundation conditions 9 6 3-3 -6-9 - 3.5 3..5..5..5. -.5 -. -.5 -. -.5-3. -3.5 5 5-5 - 层 状 均 质 -5-3 - - 3 层 状 均 质 -3 - - 3 F F F +F -3 - - 3 图 4 不 同 地 基 条 件 下 摩 擦 力 引 起 附 加 荷 载 分 布 规 律 Fig.4 Distribution rule for additional load induced by friction force under different foundation conditions 图 5 不 同 地 基 条 件 下 共 同 作 用 引 起 附 加 荷 载 分 布 规 律 Fig.5 Distribution rule for additional load induced by interaction forces under different foundation conditions 的 将 不 同 土 体 参 数 近 似 折 算 成 平 均 值 进 而 按 照 均 质 体 系 进 行 求 解 会 带 来 比 较 大 的 误 差, 在 计 算 中 应 重 视 地 基 非 均 质 性 带 来 的 影 响 3.3 土 层 参 数 对 附 加 荷 载 影 响 分 析 根 据 章 节 3. 分 析 结 果, 掘 进 摩 擦 力 是 顶 管 施 工 引 起 临 近 地 层 附 加 荷 载 的 主 要 因 素, 本 文 将 掘 进 摩 擦 力 影 响 效 应 作 为 主 要 研 究 对 象 以 第 3 4 层 土 体 为 考 察 目 标, 设 置 3 种 工 况, 工 况 : E 3 7.8 MPa, 3.33, E 4 3 MPa, 4.3; 工 况 : E 3 5.6 MPa, 3.3, E 4 5.3 MPa, 4.8; 工 况 3: E 33 3. MPa, 33.7, E 43 5 MPa, 43.4 图 6 为 不 同 土 层 参 数 工 况 下 ( 其 他 因 素 假 定 不 变 ) 摩 擦 力 引 起 的 沿 轴 向 x 纵 向 分 布 附 加 面 荷 载 8 6-6 - -8 8 4-4 -8 - 图 6 不 同 土 层 参 数 下 摩 擦 力 引 起 附 加 荷 载 分 布 规 律 Fig.6 Distribution rule for additional load induced by friction force under different soil parameter conditions 从 图 6 中 可 以 看 出, 针 对 工 况, 即 第 3 4 层 土 体 弹 性 模 量 较 小 时, 摩 擦 力 引 起 土 层 附 加 荷 载 量 值 较 大 ; 针 对 工 况 3, 即 当 第 3 4 层 土 体 弹 性 模 量 较 大 时, 摩 擦 力 引 起 土 层 附 加 荷 载 量 值 普 遍 偏 小 此 外, 从 图 中 也 可 以 看 出, 层 状 地 基 土 层 参 数 的 改 变 会 对 顶 管 施 工 扰 动 地 层 的 附 加 荷 载 产 生 一 定 程 度 影 响 工 况 工 况 工 况 3-3 - - 3 层 状 均 质 -3 - - 3
增 刊 张 治 国 等 : 顶 管 推 进 引 起 施 工 场 地 竖 向 附 加 荷 载 分 析 7 3.4 计 算 点 间 距 S 对 附 加 荷 载 影 响 分 析 图 7 为 不 同 计 算 点 间 距 S 工 况 下 ( 其 他 因 素 假 定 不 变 ) 摩 擦 力 引 起 临 近 地 层 沿 轴 向 x 纵 向 分 布 的 附 加 面 荷 载, 选 取 了 S 4.4 m, S 7.4 m 以 及 S3.4 m 三 种 工 况 由 图 中 可 以 看 出, 随 着 计 算 点 间 距 S 的 减 小, 摩 擦 力 引 起 的 纵 向 附 加 荷 载 峰 值 明 显 变 大, 且 峰 值 位 置 逐 渐 向 开 挖 面 靠 近, 其 影 响 范 围 变 小, 衰 减 速 度 变 快 掘 进 摩 擦 力 使 扰 动 地 层 产 生 明 显 的 土 拱 效 应, 在 顶 管 掘 进 机 前 方 产 生 喇 叭 状 区 域, 而 该 区 域 内 的 土 体 将 受 到 较 大 挤 压 作 用 3.5 顶 管 埋 深 H 对 附 加 荷 载 影 响 分 析 实 际 工 程 中, 随 着 顶 管 埋 深 的 增 大, 掘 进 摩 擦 力 也 会 随 之 增 大 为 研 究 顶 管 埋 深 H 对 掘 进 摩 擦 力 F 引 起 附 加 荷 载 的 影 响 效 应, 选 取 3 种 工 况, 即 H 3 m, F 86 Pa; H 9 m, F Pa; H3 35 m, F 3 7 Pa 图 8 为 不 同 顶 管 埋 深 工 况 下 ( 计 算 点 间 距 等 因 素 假 定 不 变 ) 摩 擦 力 引 起 的 沿 轴 向 x 纵 向 分 布 附 加 面 荷 载 由 图 中 可 以 看 出, 随 着 顶 管 埋 深 的 增 大, 摩 擦 力 引 起 的 附 加 荷 载 峰 值 明 显 变 大, 开 挖 面 前 上 方 土 体 受 到 挤 压 效 应 明 显, 同 时 开 挖 面 后 方 土 体 受 拉 效 应 显 著, 但 影 响 范 围 基 本 不 变 图 7 不 同 间 距 S 条 件 下 摩 擦 力 引 起 附 加 荷 载 分 布 规 律 Fig.7 Distribution rule for additional load induced by friction force under different distance S conditions 5 5-5 - -5-5 5-5 - -5-3 - - 3 S = 4.4 m S = 7.4 m S =.4 m -3 - - 3 H =3 m, F =86 Pa H =9 m, F = Pa H =35 m, F =7 Pa 图 8 不 同 埋 深 H 条 件 下 摩 擦 力 引 起 附 加 荷 载 分 布 规 律 Fig.8 Distribution rule for additional load induced by friction force under different buried depth H conditions 4 结 论 () 本 文 提 出 的 层 状 体 系 解 析 刚 度 矩 阵 理 论 解, 由 于 总 体 刚 度 矩 阵 的 对 称 性 及 其 元 素 仅 存 在 负 指 数 这 一 优 点, 不 仅 避 免 了 因 正 指 数 存 在 导 致 的 计 算 溢 出 问 题, 提 高 了 计 算 精 度, 也 在 很 大 程 度 上 简 化 了 整 个 计 算 过 程 () 正 面 附 加 推 力 引 起 的 附 加 面 荷 载 沿 顶 管 推 进 方 向 近 似 呈 现 反 对 称 分 布, 在 顶 管 开 挖 面 前 上 方 土 体 受 到 挤 压, 表 现 为 压 应 力, 开 挖 面 后 方 则 表 现 为 拉 应 力 ; 掘 进 摩 擦 力 引 起 的 附 加 荷 载 在 掘 进 面 前 方 迅 速 达 到 压 应 力 峰 值, 其 量 值 大 小 和 影 响 范 围 均 要 大 于 正 面 附 加 推 力, 是 顶 管 施 工 引 起 地 层 附 加 荷 载 的 主 要 影 响 因 素 (3) 采 用 本 文 方 法 按 照 实 际 分 层 情 况 计 算 的 附 加 荷 载 结 果 与 按 照 等 效 均 质 地 基 情 况 计 算 的 结 果 有 较 大 差 距, 说 明 对 于 土 体 参 数 相 差 较 大 的 层 状 地 基, 如 果 采 用 以 往 的 将 不 同 土 体 参 数 近 似 折 算 成 平 均 值 进 而 按 照 均 质 体 系 进 行 求 解 会 带 来 比 较 大 的 误 差 (4) 层 状 地 基 土 层 参 数 的 改 变 会 对 顶 管 施 工 扰 动 地 层 的 附 加 荷 载 产 生 一 定 程 度 影 响 此 外, 地 基 等 效 均 质 性 计 算 点 间 距 以 及 顶 管 埋 深 等 因 素 对 附 加 荷 载 大 小 及 分 布 均 存 在 显 著 影 响 (5) 本 文 假 定 顶 管 沿 直 线 推 进, 不 考 虑 顶 管 纠 偏 影 响, 可 能 与 实 际 情 况 有 所 偏 差, 可 作 进 一 步 研 究 参 考 文 献 [] ADDENBROOKE T I, POTTS D M. Twin tunnel interaction: Surface and subsurface effects[j]. International Journal of Geomechanics,, (): 49-7. [] HEFNY A M, CHUA H C, ZHAO J. Parametric studies on the interaction between existing and new bored tunnels[j]. Tunnelling and Underground Space Technology, 4, 9(4-5): 47. [3] NG C W W, LEE K M, TANG D K W. Three-dimensional numerical investigations of new Austrian tunneling method (NATM) twin tunnel interactions[j]. Canadian Geotechnical Journal, 4, 4(3): 53-539. [4] CHEHADE F H, SHAHROUR I. Numerical analysis of the interaction between twin-tunnels: influence of the relative position and construction procedure[j]. Tunnelling and Underground Space Technology, 8, 3(): -4. [5] ROWE R K, LO K Y, KACK G J. A method of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft
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