第 26 卷第 10 期岩土力学 Vol.26 No.10 2005 年 10 月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2005 文章编号 :1000-7598-(2005) 10 1612 05 天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟 姜忻良, 崔奕, 李园, 赵志民 ( 天津大学建筑工程学院, 天津 300072) 摘要 : 以天津地铁一号线工程为背景, 通过现场实测得到了盾构推进过程中地表的变形规律和隧道周围土体的扰动规律 利用有限元程序 ABAQUS 的单元生死技术模拟盾构前进过程, 并对工程盾构开挖过程进行了仿真模拟 结果表明计算值与 实测值吻合良好 关键词 : 有限元 ; 盾构隧道 ; 数值模拟中图分类号 :TU 451 +.5 文献标识码 :A Measurement and simulation of ground settlements of Tianjin subway shield tunnel construction JIANG Xin-liang, CUI Yi, LI Yuan, ZHAO Zhi-min (School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The ground settlements and the disturbance of soil around tunnel by shield driven are summarized by means of measurement of Tianjin No.1 subway line project. According to the actual engineering, a 3D FEM model is proposed to simulate the excavating of shield tunnel by means of general FEM program ABAQUS; the model change method is put forward to imitate moving-forward shield process. And the results of simulation are compared with the results of measurement. Key words: finite element method; shield tunnel; numerical simulation 1 引言 天津地铁一号线工程线路总长 26.2 km, 其中 7.4 km 为 20 世纪 80 年代既有线, 新建部分约有 5 km, 采用盾构施工 盾构施工在天津尚属首次, 为探索盾构推进过程中地层的扰动情况及变形规 律, 在盾构施工段进行了现场实测, 并进行了数据 分析 在此基础上, 采用有限元程序 ABAQUS 对 盾构施工过程进行三维有限元动态模拟计算, 计算 结果与实测值吻合良好, 该计算方法为今后天津地 铁盾构施工对预测周围土体带来的影响提供了依据 2 现场实测及分析 管片厚 0.35 m, 每环衬砌由 6 个 C45 混凝土预制管 片拼装而成, 衬砌环宽 1 m, 衬砌管片间由高强螺 栓连接 隧道开挖过程中由盾尾 4 个注浆孔同步注 浆, 盾尾情况如图 1 所示 根据现场地质报告, 实 测段各层土体参数如表 1 所示 2.1 现场条件及测点布置实测段隧道轴线位于地表以下 11.848 m 施工的盾构机采用土压平衡盾构机, 盾构机外径为 6.39 m, 盾构机身长 9 m, 衬砌管片外径为 6.2 m, 图 1 盾尾结构示意图 ( 单位 :mm) Fig.1 Shield tail cross-section(unit: mm) 收稿日期 :2004-04-20 修改稿收到日期 :2004-07-26 作者简介 : 姜忻良, 男,1951 年生, 教授, 博士生导师, 主要从事地下工程及结构与土相互作用的研究 Email:jiangxinliang@126.com
第 10 期 姜忻良等 : 天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟 1613 底层深度 / m 名称 含水率 ω / % Table 1 密度 ρ / g cm -3 表 1 各层土体参数 Physical parameter in different soils 土粒比重 G s 初始孔隙比 e 0 压缩模量 E s / MPa 内摩擦角 φ /( ) 粘聚力 c/ kpa 2.2 粘土 35.4 1.87 2.75 0.99 3.11 11.2 26 3.11 弹性模量 E/ MPa 5.2 粉土 26.1 1.92 2.69 0.77 7.4 27.5 8 6.164 10.8 粉质粘土 26.9 1.97 2.71 0.75 11.2 17.1 32 9.34 15.7 粉质粘土 32.1 1.94 2.71 0.85 5.27 30 12 3.557 20.5 粉土 21.8 1.95 2.72 0.75 5.79 9.5 23 3.908 42.5 粉土 26.3 1.95 2.71 0.76 7.65 19.1 33 6.372 由于施工现场条件所限, 实测段布置在端头井 附近, 现场平面布置如图 2 所示, 各测点的埋深见 图 3 在隧道轴线上布置 4 个分层沉降仪 (ZX1~ ZX4), 在距端头井 11 m 处布置 4 个测斜仪 (CX1~ CX4), 在测斜仪前方 10 m 处布置 4 个分层沉降仪 (FX1~FX4) 图 2 现场平面布置图 ( 单位 :m) Fig.2 Plan of instrument arrangement(unit: m) 图 4 为测点 ZX4 处各层土体沉降曲线 当开挖面处于测点正下方时横坐标零点, 当开挖面未到达测点位置时坐标为负值 由图可知, 对于固定的隧道埋深, 隧道上方的土层的埋深越大, 在盾构施工过程中所受的扰动越大, 由盾构施工造成的隆起和沉降越大 盾构在 ZX4 测点下方停留 2 d, 各层土体继续变形 ( 图 4 的 CD 段 ), 期间地表下沉 5.9 mm, 地下 3 m 处土体下沉 7.2 mm, 地下 5 m 处土体下沉 14 mm, 地下 7 m 处土体下沉 18.3 mm, 表明隧道上方土体的沉降速度随土体深度增加而加快 图 5 为测点 FC1~FC4 地表沉降曲线 由图可知, 随着测点距盾构轴线的增大, 盾构施工引起的地表沉降逐渐减小 图 4 测点 ZX4 各层土体沉降曲线 Fig.4 Settlement curves in different levels of ZX4 gaging hole 图 3 测孔埋深示意 ( 单位 : m) Fig.3 Sketch of gaging holes(unit: m) 2.2 盾构施工过程中周围土体的垂直沉降根据测得的盾构轴线上方及周围土体的沉降值与横向位移值, 现仅给出几个有代表性测点的数值进行分析 Fig.5 图 5 测点 FC1~FC4 地表沉降曲线 Surface settlement curves of FC1-FC4 gaging holes
1614 岩土力学 2005 年 2.3 盾构施工过程中周围土体的水平位移图 6~9 为各测斜管 ( 图 2 中测点 CX1~CX4) 在不同时刻的水平位移曲线图, 曲线 1~4 为盾构推进至不同位置时各测斜管水平位移 实测表明, 在盾构推进过程中, 隧道周围土体经历先挤压后应力释放的过程 盾构开挖面距土体约 3 m 时土体开始受到挤压作用, 有向隧道外的位移趋势 ( 曲线 1); 盾构通过时周围土体有向隧道方向偏移的趋势 ( 曲线 2); 当盾尾管片脱离盾构时土体向隧道的位移明显增大 ( 曲线 3), 此时对应土体的应力释放过程 ; 当盾尾管片脱离后, 由于孔隙水压力的消散和盾尾浆液的凝结硬化, 土体继续向隧道方向位移 ( 曲线 4) 由图 6~9 各测点的水平位移曲线及图 5 各测点的地表沉降曲线可知, 对隧道周围的土体, 离隧道轴线越近受盾构开挖扰动越大 由图 9 可见, 测点 CX4 在整个施工过程中的最大位移在 ±2 mm 之间 由图 5 可知, 离隧道最远的分层测点 FC4 的地表位 移在 ±2 mm 以内 ( 曲线 4), 可以认为 CX4,FC4 处土体不受盾构施工扰动影响, 表明距隧道轴线 3 倍洞径以外的土体基本不受盾构施工的影响 图 6 测点 CX1 水平位移曲线 Fig.6 Horizontal displacement curves of CX1 gaging hole Fig.8 Fig.9 图 8 测点 CX3 水平位移曲线 Horizontal displacement curves of CX3 gaging hole 图 9 测点 CX4 水平位移曲线 Horizontal displacement curves of CX4 gaging hole 3 盾构施工的动态有限元模拟 3.1 有限元模型 如图 10 所示, 模型取半边结构,X 轴为隧道轴 线方向,Z 轴为深度方向,Y 轴为宽度方向, 模型 X 方向长 100 m( 隧道端头井处为 X 坐标零点 ),Z 方向深 40 m,y 方向宽 50 m 模型边界条件如下 : 沿 X 轴隧道轴线方向, 模型前后两面边界结点施加 X 方向的水平约束 ; 模型关于 XZ 面对称, 则对称 面上的结点施加 Y 方向的水平约束 ; 模型的右边界 结点, 施加 Y 方向的水平约束 ; 模型底面结点, 施 加 Z 方向的竖向约束 Z Y X 图 7 测点 CX2 水平位移曲线 Fig.7 Horizontal displacement curves of CX2 gaging hole 图 10 有限元模型图 Fig.10 Finite element model
第 10 期 姜忻良等 : 天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟 1615 土体单元用三维实体 8 结点单元, 衬砌单元用 三维厚壳单元 土体本构模型采用 Drucker-Prager 模型, 土体各层材料参数见表 1 为考虑衬砌接头 对衬砌结构刚度的影响, 将衬砌结构刚度折减 0.15, 衬砌结构为 C45 混凝土, 弹性模量取为 28.5 GPa, 泊松比为 0.2 现场水位为地下 1.1~2.2 m, 计算时 取 1.5 m, 土体多为粘土, 孔隙水不连通流动, 对 地下水采用水土合算处理, 地下水以下土体重度采用有效重度计算 3.2 盾构隧道的开挖模拟盾构隧道开挖的实际过程为工作面开挖 衬砌环拼装 盾尾同步注浆几个步骤, 利用 ABAQUS 的单元生死技术模拟盾构隧道的动态开挖过程, 具体步骤如下 : 建立初始地应力场, 获得平衡反力 ; 杀死开挖土体单元, 把平衡反力释放 25 %; 生成与土体接触作用的衬砌单元, 最后把平衡反力全部释放至零 在实际施工过程中, 通过盾构机密封舱内土压力来支护开挖面土体, 密封舱的土压力一般为 0.1~ 0.25 MPa, 计算时取 0.15 MPa 盾尾同步注浆是通过盾尾 4 个注浆孔把浆液注入盾尾建筑空隙内 ( 图 1), 4 个注浆孔的注浆压力各不相同,2 和 3 号孔注浆压力 0.3 MPa,1 和 4 号为 0.05 MPa, 浆体由液态逐渐硬化成固态, 由于液态浆体难以模拟, 本文取等效均布力 0.05 MPa 模拟盾尾同步注浆, 在挖掉土体后形成隧道洞室的土体单元面上施加均布压力 本文采用土体与衬砌结构相互作用的接触面模拟, 假设接触面间能传递无限大的压应力, 而不能传递拉应力 为模拟盾构的动态推进过程, 每个开挖步杀死 1 m 的土体单元, 在开挖面后 9 m( 盾构机身长 ) 处释放开挖土体单元平衡反力 3.3 有限元计算结果由于计算机计算能力的限制, 本文仅模拟开挖至隧道端头井前方 39 m 处, 隧道轴线上方地表纵向沉降槽曲线如图 11 所示, 地表的最大沉降发生在隧道洞门前方 10 m 处, 最大沉降量为 43.8 mm, 地表的最大隆起发生在开挖面前方 18 m 处, 最大隆起量为 5.6 mm 图 12 为开挖面后方 25 m 处地表沉降曲线计算值与实测值对比图, 图中实测值为盾构开挖面通过 ZX2,CX1~CX4 测点后距各测点 25 m 时地表沉降量 由图可见, 计算值比实测值偏大, 隧道轴线上方测点 ZX2 此时的沉降量实测为 27.3 mm, 计算值为 42 mm 导致计算误差的因素很多, 其中盾尾注 浆模拟偏差是重要因素, 在实际施工中, 盾尾上部 2,3 号注浆孔的压力比 1,4 号孔大 ( 如图 3), 计算中采用均布力模拟注浆压力, 使得盾尾上部土体所受的压力比实际小, 导致地表沉降的计算值比实测值偏大 图 11 隧道轴线上方地表纵向沉陷槽曲线 Fig.11 Surface settlements along tunnel centerline Fig.12 图 12 横向沉陷槽曲线 Settlement curve of cross section CX1,CX2 测斜管的实测值与计算值对比结果如图 13 和图 14 所示, 实测位移曲线为盾构开挖面通过测点位置后距测点 9 m 时各测斜管的水平位移曲线, 这时盾尾同步注浆孔处于测点位置 ; 实测中以地面点为不动点, 图中所示曲线为各深度土体相对地面点的水平位移 但由于影响土体水平位移因素较多, 可以看出土体水平位移规律的计算值与实测值基本一致 Fig.13 图 13 CX1 测点计算值与实测值对比图 Observed and calculated horizental displacements of CX1 gaging hole
1616 岩土力学 2005 年 Fig.14 图 14 测点 CX2 计算值与实测值对比图 Observed and calculated horizental displacements of CX2 gaging hole 图 15 和图 16 分别为 ZX1 测点和 ZX2 测点时 间历程曲线的实测值与计算值对比图 当开挖面处于地面点正下方时为坐标零点 在有限元动态开挖模拟中, 只模拟了盾构开挖 39 m, 可以看到,ZX1 测点计算值与实测值较为吻合,ZX2 测点曲线前半段计算值与实测值吻合良好, 曲线的后半段由于在实际施工中,ZX2 测点处进行了二次补浆, 造成计算值与实测值的误差 ( 图 16 曲线 1 中 DEF 段 ) 图 15 ZX1 测点时间历程曲线 Fig.15 Observed and calculated duration curves of ZX1 gaging hole 图 16 ZX2 测点时间历程曲线 Fig.16 Observed and calculated duration curves of ZX2 gaging hole 4 结论 本文根据天津地铁一号线工程实际, 通过现场实测得到了盾构施工过程中周围土体的变形规律, 并利用通用有限元程序 ABAQUS 对盾构施工过程进行了动态仿真模拟 现场实测数据和有限元计算结果表明 : (1) 在盾构开挖过程中, 隧道周围土体经历先挤压后应力释放的过程, 离隧道轴线越近的土体受施工扰动越大, 距隧道轴线 3 倍洞径以外的土体基本不受盾构施工的影响 (2) 采用三维动态有限元能较好地综合考虑盾构施工中材料 盾构密封舱内土压力 盾尾建筑空隙 土体与衬砌相互作用等因素, 动态开挖模拟土体的变形规律与实测一致, 能反映隧道周围土体在盾构施工过程中的变形规律 参考文献 [1] LEE K M, ROWE R K. An analysis for threedimensional ground movements: the Thunder Bay tunnel[j]. Canadian Geotechnical Journal, 1991, 28(1), 25-41. [2] ROWE R K, LEE K M. An evaluation of simplified techniques for estimating three-dimensional undrained ground movements due to tunneling in soft soils[j]. Canadian Geotechnical Journal, 1992, 29(1), 39-52. [3] 朱合华, 丁文其. 盾构隧道施工过程模拟分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18( 增刊 ): 860-864. ZHU He-hua, DING Wen-qi. The construction process simulation of shield tunnel[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(Supp.): 860-864. [4] 徐永福. 盾构推进引起地面变形的分析 [J]. 地下工程与隧道, 2000, 27(1): 21-25. XU Yong-fu. Analysis of surface deformation caused by shield-driven[j]. Underground Engineering and Tunnels, 2000, 27(1): 21-25. [5] 张庆贺, 朱忠隆, 杨俊龙, 等. 盾构推进引起土体扰动理论分析及试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(6): 699-703. ZHANG Qing-he, ZHU Zhong-long, YANG Jun-long. Theory analysis and testing study of soil disturbance caused by shield-driven[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(6): 699-703. [6] 徐永福, 孙钧, 傅德明, 等. 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): 70-73. XU Yong-fu, SUN Jun, FU De-ming. Disturbance analysis of shield tunnel construction in Shanghai Huangpu River[J]. China Civil Engineering Journal, 2002, 35(2): 70-73.