基于ANSYS盾构法隧道施工开挖面稳定性的研究

文章编号:100722284(2010)0720091203基于ANSYS 盾构法隧道施工开挖面稳定性的研究裴洪军(深圳市水务规划设计院,广东深圳518008)摘 要:通过应用大型有限元软件ANSYS 对盾构掘进过程进行仿真分析,提出了某地区隧道盾构法施工开挖面稳定系数的取值范围,并用莫尔库仑破坏准则和地表沉降进行了验证,从而更好地指导了城市盾构法施工。

关键词:有限元;ANSYS;盾构;掘进;开挖面稳定 中图分类号:U455.43 文献标识码:B收稿日期:2010204213作者简介:裴洪军(19772),男,工程师,主要从事岩土工程勘察设计与研究工作。

城市是现代文明和社会进步的标志,是经济和社会发展的主要载体。

伴随着我国城市化进程的加快,城市规模不断扩大,许多城市不同程度上出现了用地紧张,交通堵塞,给城市生活带来了很大的影响,也制约着经济和社会的进一步发展[1],充分开发地下空间成为现代城市可持续发展的必要手段。

隧道盾构法开挖是城市地下施工的主要手段,国内外隧道盾构法施工日趋成熟,盾构数量逐年上升,应用的地质条件也越来越广泛,但开挖面稳定性的理论研究确明显滞后于工程实践,大多数施工依赖于经验。

因此,加强隧道盾构法施工开挖面稳定性的理论研究显得十分迫切。

本文在分析稳定系数法计算盾构支持应力的基础上,进行有限元仿真分析,提出了合理的稳定系数取值范围。

1 盾构施工开挖面稳定系数法分析开挖面稳定是盾构法隧道施工最关键的问题,国内外有些学者致力于隧道开挖面的破坏机制的研究,通过理论分析和经验以稳定系数N 的形式提出了保持开挖面稳定支持应力的确定方法,Broms 和Benner mark 提出了黏性土开挖稳定时所需支持力的计算公式[2]。

N =(R s +C H -R t )/S u(1)由公式(1)推导出:R t =R s +C H -N S u(2)式中:C 为土体单元的重力;S u 为盾构轴心处土体的不排水剪切强度;R s 为地面荷载;H 为地表到盾构轴心处距离;R t 为盾构开挖面支持应力。

当N <6时,开挖面稳定。

Kimura 和Mair (1981)[3]通过固结黏性土的离心试验,提出了较大的稳定系数取值范围,即稳定系数N =5~10。

Pier re Chambon 指出无黏性土中盾构法施工所需支持力与盾构直径成线性关系[4],所以盾构埋深与直径的比值是确定稳定系数的重要影响因子,随着这个比值的不同,稳定系数也会有很大的变化。

土体容重对盾构支持应力影响很小[5],由公式(1)可推导出容重对开挖面稳定系数的影响也很小。

上述开挖面稳定系数的取值不具有普遍意义,不能够反映某一指定地区的地质条件和隧道施工工艺,在确定隧道盾构法施工最小的支持力时,必须根据工程的实际情况,结合地区的地质条件和施工工艺,选择合适的稳定系数取值范围才能进行安全施工,才能使开挖面稳定系数法确定盾构掘进过程中开挖面支持力的方法能够得到更好的应用。

2 稳定系数取值范围的提出2.1 工程概况某工程区间隧道由外径6.2m,内径5.5m 的预制钢筋混凝土衬砌组成,环宽1m,厚度0.35m 。

隧道采用德国F CB 公司生产的土压平衡式盾构掘进机施工,其外径6.390m,长度6.54m 。

建筑物安全等级为一级。

土层物理力学参数如表1。

表1 地基土层基本物理力学指标Table 1Physical and mechanical parameters of s oil土层名称天然含水率/%密度/(kg #m -3)孔隙比e 0黏聚力c /kPa 内摩擦角/(b )淤质填土28.21810 1.414815.0淤泥质黏土52.51820 1.46714.09.1粉质黏土36.71910 1.06113.116.7砂质黏土28.019200.7703.025.22.2 有限元仿真考虑到土体复杂的性状,本文采用弹塑性计算模型和莫尔-库仑破坏准则,力图使土层的材料特性和运动规律都得到较91中国农村水利水电#2010年第7期好的模拟,从而使非线性有限元更贴近实际。

由于结构和荷载的对称性,采用半结构分析。

土体划分网格如图1,单元采用20节点等参元;节点总数为842;单元总数为3675;计算模型各边界采用法向约束。

盾构埋深H 为12.8m(H /D =2),C 加权取为18.90kN/m 3。

图1 有限元仿真模型Fig.1FEM s imulation model2.3 仿真分析成果2.3.1 开挖面失稳机制根据Br oms 和Bennermar k 的研究成果,由公式(2)计算出开挖面的支持力进行仿真分析。

土体破坏为剪切破坏,当土体剪切强度达到破坏强度时,开挖面破坏,使地表沉降或隆起较大。

本文通过利用ANSYS 自带的APDL 语言进行编程,经过多次迭代计算,得出开挖面稳定系数的取值范围,即当N =5~7(H /D =2)开挖面是稳定的,对Br oms 和Benner mark 的稳定系数取值进行了修正。

以N =6为例计算,根据公式(2)得出:R t =121.92kPa 。

由有限元计算可以得出:R 3max =106kPa,R 1max =453kP a 。

由莫尔-库仑破坏准则公式[6]进行计算:R 1f =R 3f tan 2(45b +U /2)+2ctan (45b +U /2),R 1f =476kPa>R 1max =453kPa 可以得出土体未达到破坏剪切强度,因此可以验证开挖面是稳定的。

同理可以计算N 取不同值时土体的强度,从而判定开挖面是否失稳。

N >7时或N <5时,土体的S yz 引起盾构面前方土体塑性区的发展,使土体发生剪切破坏,最终土体完全进入塑性区,S yz 分可以得布如图2和图3。

图2 剪应力等直线(N =8)Fig.2Contour of shearing str ess (N =8)2.3.2 地表变形的比较地表变形是判断开挖面失稳的直观方法,原来处于稳定状图3 剪应力等直线(N =4)Fig.3Contour of shearing str ess (N =4)态的地层中,开挖隧道将导致地层周围原始应力状态的改变,使周围的土体出现卸载或加载等复杂力学行为,土体的极限平衡状态受到破坏,从而对土体产生扰动,引起地层变形[7]。

当N <5或N >7时,开挖面土体受到水平支护应力大于或小于原始侧压力时,开挖面上前方土体产生下沉或隆起。

本文给出了开挖面稳定和失稳时刀盘前方15m 处横断面的地表沉降,如图4。

图4 不同N 值的地表沉降Fig.4gr ound surface deformations with differen t numerical value of N通过计算,得出支持应力不足时导致开挖面土体涌向刀盘,地表沉降较大,反之土体向前方挤压,造成地表隆起。

图5和图6给出了N =4和N =8时的位移矢量图,反映了开挖面失稳时土体的运动规律。

图5 土体位移矢量(N =8)Fig.5Vector of s oil displacement (N =8)3 结 语本文的盾构推进施工仿真方案是符合实际情况的,计算得出的应力和地表沉降数值是合理的,通过整个计算分析过程可得出如下结论。

图6 土体位移矢量(N =4)Fig.6Vector of s oil displacement (N =4)(1)以某工程为计算实例,提出某地区隧道盾构法施工开挖面稳定系数的取值范围即N =5~7(H /D =2),指出稳定系数的取值取决于盾构埋深与盾构直径的比值,为同类地质条件的施工提供了借鉴。

(2)稳定系数N 取不同数值时,用莫尔库仑理论进行计算来判定开挖面的稳定,并对S yz 进行比较,从而证实取值范围是正确的。

(3)对地表沉降进行比较,直观地判定开挖面是否稳定,并得出了开挖面破坏时土体地运动规律。

(4)最后还应指出:尽管开挖面稳定系数法确定支持力虽然简单,但没有考虑到弧效应从而过高地估计了破坏力的作用。

t参考文献:[1] 钱七虎.迎接我国城市地下空间开发高潮[J ].岩土工程学报,1998,20:112-113.[2] 裴洪军,孙树林.隧道盾构法施工开挖面稳定性研究方法评析[J ].地下空间与工程学报,2005,(2):117-119.[3] Romo M P,Diaz C M.Face s tability and ground s ettlem ent ins hield tunn eling[C]M Proc.of the 10th Int'l Conf.on soil me 2ch anics and foundation en gineering,1981:357-360.[4] E H Davis,M J Gunn,R J Mair et al.Seneviratne.Th e stabilityof shallow tun nel sand underground opening s in coh esive m aterial [J ].Geotetech nical,1980,30(4):397-416.[5] Pierre Chambon.Shallow tunn els in cohesionless soil:stability oftun nel face[J].Journ al of Geotechnical E ngineering,1994,120:7.[6] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M ].2版.北京:中国水利水电出版社,1996.[7] H vorslev M J.Su bsurface explration and sampling of for civil en 2gin eering pu rpose[R].Am erican Society of Civil Engineering ,1949.[8] 朱 伟,陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望(第3讲)[J ].Geotech nical E ngineering World,2001,(5):1.[9] Shulin Sun,H ongjun Pei,Shu feng Zhan g.An aly sis of face sta 2b ility and ground s ettlem ent in EPB shield tunn elling for the Nan 2jing Metro[C]M T he 10th IAEG congres s on engin eering geology for tomorrow's cities,Nottin gham ,Un ited Kin gdom ,6-10Sep 2tember 2006(in press).[10] An agnostou G.T he face stability of slur ry 2s hield 2driven tun nels[J ].Tu nneling and U nderg rou nd Space T echnology,1994,9(2):165-174.[11] Finn o R J,Clough G W.Evaluation of soil respons e to EPBs hield tunneling [J ].Journal of Geo 2technical Engineerin g,ASCE,1985,111(2):157-173.(上接第90页) 水、裂缝化学灌浆处理。