联系我们

福建中天重工机械设备有限公司

电话:0731-89783591

Email:2324467190@qq.com

Q   Q:2324467190

营运中心地址:湖南省长沙市天心区芙蓉南路和庄A1-3110

您当前所在的位置:首页 > 产品中心 > 盾构技术服务 > 盾构技术服务

浅覆土越河盾构隧道管片上浮力学特性研究

1  工程简介
  深圳地铁7号线西丽湖站——西丽站区间隧道采用盾构法施工,隧道结构采用两个单线圆形衬砌形式,盾构管片环外直径6.0m,内直径5.4m,管片厚度30cm,幅宽1.5m。盾构下穿大沙河段隧道覆土厚度5.9~6.9m,从地面向下各地层分别为素填土、粉质黏土、砂层、全风化花岗岩、强风化花岗岩等,河床底中部存在一条断层,大沙河地质剖面图详见图1。盾构在穿越大沙河过程中,地层存在多次软硬交互现象,隧道结构在地下稳定水位以下,且位于西丽水库下游,冲刷严重。地下水与水闸河水互补,存在水力联系。盾构在此类地层掘进过程中,更容易出现管片上浮问题。
2  计算模型及参数
 根据西丽湖站——西丽站区间盾构隧道线路位置及岩土工程勘察报告,选取盾构穿越大沙河段进行仿真模拟,其地层及结构物理力学参数详见表1。数值模型3个方向尺寸选取的原则是把隧道开挖影响范围都包含在计算模型范围内,计划模型长96m(沿隧道轴线方向),宽65m,高38.1m,均能满足开挖土体影响范围3~5倍洞径的要求。模型边界条件为:沿Z轴隧道掘进方向,对模型前后两面施工Z方向约束;对模型左、右侧边界施加X方向约束;对模型底部施工Y向约束,地表为自由面,同时在河床施加均布荷载来模拟对应水位高度的水压力。计算模型如图2所示。
  为了更好地分析盾构掘进过程中管片结构及地层变形,作出如下假定:①假设围岩为均匀、连续、各向同性的介质;② 不考虑地下水对施工过程中的影响。土体、管片衬砌结构及注浆层均采用ANSYS软件提供的SOL-ID45单元模拟。土体材料采用各向同性弹塑性本构模型,屈服准则为Druck - Prager 准则。为综合考虑盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况对地表位移的影响,采用液态、固态注浆层模拟浆液硬化的时间效应。隧道管片、注浆层及盾构机按弹性材料看待,管片衬砌采用C50混凝土,考虑到管片衬砌接头对结构刚度的影响,将管片横向结构刚度折减0.15,纵向等效刚度折减系数为0.01.在数值计算中采用辅助手段来使模拟中的空间效应与实际一致,将隧道的开挖过程视为一个应力释放的过程,而且将开挖引起的应力释放分为两个部分,一部分在隧道开挖后且支护没有修筑之前释放20%,剩余部分则在支护修筑之后释放。
  管片脱离盾尾后,上方及两侧土体在重力作用下塌落到管片上,盾尾间隙只存在于管片下方。浆液聚集在管片下部分时,在注浆压力作用下形成较大的分布力,即为管片上浮力。计算中将上浮力施加在局部管片外弧面0°~180°的范围内,即为管片下半部分。依据工程经验并结合其他区段盾构隧道注浆实例,注浆浆液采用单液浆,注浆压力为0.3MPa,计算过程中考虑注浆的时效性,采用更换注浆层材料参数的方法来模拟注浆效果,即管片注浆后取其液态弹性模量,在24h后达到初凝状态,以模拟盾构掘进过程。
3    计算结果分析
  为探究管片上浮力对地表及衬砌结构的影响,在计算中分别建立施加上浮力和不施加上浮力两种计算模型,将两种计算工况进行对比,获得上浮力作用下的地表沉降变形规律、管片上浮值及上浮状态下管片衬砌结构的受力特征。
3.1   地表沉降
  为分析盾构隧道下穿大沙河过程中地表变形情况,当盾构下穿大沙河底部时,由于上覆土厚度较浅,对地表沉降的影响较大,通过对比施加上浮力与不施加上浮力两种情况下盾构穿越大沙河中部时的地表沉降曲线,获得管片上浮对地表的影响规律。图3~图6为盾构下穿大沙河过程中横向地表沉降曲线图。

  从图3可以看出,在左线隧道掘进过程中,若不考虑上浮力对管片结构的作用,左线盾构下穿大沙河时,河床中央上方地表发生沉降,最大沉降值为13.5mm;当考虑上浮力对管片的作用时,该处地表发生了明显的隆起现象,最大隆起值为1.24mm,主要是因为管片发生上浮后压缩上覆土体,开挖面支护压力对刀盘前方土体产生挤压效应,导致地表产生轻微隆起。由此可见,盾构在此地层条件下掘进,管片上浮对地表沉降的影响较为显著。从图4可知,左线隧道贯通后,河床中部地表发生沉降。左线掘进1/2时,此段管片上浮对土体产生压缩而使地表产生轻微隆起,当浆液凝固后,注浆压力随之释放,伴随着盾构施工对地层的影响,该处地表产生二次沉降。从图5可知,右线盾构掘进至大沙河中部时,右线隧道中心轴线两侧各5m范围内的地表由于管片上浮力作用而出现隆起,最大隆起值为1.47mm;左线隧道附近地表出沉降,最大沉降值为13.8mm。若不考虑上浮力,从地表沉降曲线可以看出此位置地表均发生沉降。从图6可知,右线隧道贯通后,大沙河河床地表发生沉降,随着盾构的掘进,地表沉降最大位置从左洞中心偏移到隧道中心,沉降槽形状为V形,最大沉降值为15.6mm。
3.2   管片上浮
  在盾构施工过程中,通常情况下,管片在自重的作用下会发生整体沉降。但是,管片径向在较大的注浆压力作用下,会出现上浮现象。两种计算工况管片拱顶和拱底在上浮力作用上的变形量详见表2,规定管片位移向上为正值,反之为负。
 从表中数据可知,当不考虑上浮力时,下卧土体的回弹作用不足以使管片产生上浮,管片通常出现沉降,最大沉降值为3.65cm。当考虑注浆压力所引起的上浮力对管片的作用时,竖向土压力及管片自重不足以抵抗上浮力对管片的作用,导致管片出现了整体上浮现象,管片的最大上浮值为4.73cm。同时,管片在上浮力的作用下,拱底的上浮量大于拱顶的上浮量,在穿越岩性地层的过程中,管片上浮后,拱顶受到了上覆岩体的约束,拱底在上浮力和下卧土的回弹作用下持续上浮,从而导致拱底的上浮量较大,管片竖直方向位移云图如图7所示。
3.3   管片受力
  当不考虑上浮力对管片的作用时,提取管片主应力结果,左线贯通时,管片最大拉应力为4.37MPa,最大压应力为7.19MPa;右线贯通时,管片最大拉应力为6.40MPa,最大压应力为7.68MPa.对盾构管片施加上浮力,当左线贯通时,管片最大拉应力为3.93MPa,最大压应力为6.47MPa,右线贯通时,管片最大拉应力为4.41MPa,最大压应力为7.12MPa。管片的压应力是比较安全的,满足混凝土的抗压强度;管片所受拉应力较大,但管片中配有受力钢筋,所以拉应力也不足威胁管片安全。
 通过对比两种工况下的管片应力值及分布,可以看出,管片所承受的上浮力对管片应力值的影响不明显,但是在管片上浮后,拱腰内侧承受较大的压应力,拱腰外侧承受较大的拉应力,应力集中区与另一工况有所差异。
4    现场监控量测数据分析
  盾构下穿大沙河的过程中,为了防止管片出现上浮,使用快速凝结的同步注浆材料,及时填充建筑间隙;管片上半侧的注浆点的注浆压力大于下半侧的注浆压力,降低管片由注浆压力所引起的上浮效应。同时,在此区段的掘进过程中,掘进速度设定在20~30mm/min,千斤顶推力控制在8500t以下,防止过大的千斤顶推力加剧管片上浮。
 盾构隧道下穿大沙河埋深较浅,周围有西丽水库大坝、水库桥及水库管理处等重要建(构)筑物,对地表沉降要求严格。由于受地形条件的限制,只能在大沙河两岸布设地表沉降监测点,同时,适当布置几个横向监测点,便于测量盾构施工引起的横向地表变化。为此,在大沙河两岸分别布设5个沉降监测点,平均间距为6.5m,监测盾构穿越大沙河的地程中地表沉降情况。大沙河段地表沉降监测点布设示意图如图8所示,YDK1+001处监测点沉降随时间变化示意图如图9所示。

  通常情况下,盾构施工一般会引起地表产生沉降。但是,盾构下穿大沙河的地程中,监测点处地表经历了先隆起后沉降的历程,这与数值模拟规律相一致。从图9可以看出,盾构在到达监测点位置时,此处地表出现明显的隆起现象,最大隆起值为2.8mm,盾构通过后地表产生沉降,地表沉降值均在可控范围内。由此可见,在盾构下穿浅覆土地层时,由于管片上浮所引起的地表隆起现象不容忽视。
5   结语
 通过有限无数值模拟及现场监测数据分析,得出了一些盾构管片上浮对地表沉降、管片变形及受力变化的规律性结论,具有一定的参考价值。
 (1)揭示了管片上浮对地表沉降分布特性的影响规律,盾构到达河床中部时,此处地表产生轻微隆起,盾构通过后,地层受施工扰动产生长期延续沉陷,地表最终发生沉降。
 (2)盾构在跨河段掘进过程中,管片初砌结构最大上浮值为4.73cm,管片拱底的上浮值大于拱顶的上浮值,导致隧道偏离轴线,施工过程中要做好监控量测,及时进行加固支护。
 (3)上浮力对管片衬砌结构应力值的影响不显著,最大应力均不超过结构承载能力,但是管片应力峰值出现的位置发生了变化。



售前咨询
技术支持
售后服务