盾構(gòu)施工引起土體位移的空間計(jì)算方法

Word版本，下載可自由編輯盾構(gòu)施工引起土體位移的空間計(jì)算方法盾構(gòu)施工引起土體位移的空間計(jì)算辦法有哪些呢，下面我為大家?guī)硐嚓P(guān)內(nèi)容介紹以供參考。

為解決城市日益緊急的交通問題,天津市將對原有地鐵舉行擴(kuò)建,因?yàn)槭袇^(qū)內(nèi)施工場地及交通因素所限,許多地段無法采納明挖法施工,盾構(gòu)法成為天津地鐵建設(shè)中常用的施工辦法。目前,對于盾構(gòu)法施工引起的土體位移分析主要采納閱歷辦法(Peck公式[1])和有限元數(shù)值計(jì)算辦法,理論討論滯后于工程實(shí)踐,因此,加強(qiáng)對盾構(gòu)法施工的理論討論顯得非常迫切。

1引起土體位移的主要因素

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是目前隧道工程中非常先進(jìn)的一種施工機(jī)械,它具有施工速度快、平安程度高以及對土體擾動小等特點(diǎn)。盾構(gòu)施工引起的土體位移主要包括盾構(gòu)前方土體的隆起和盾構(gòu)推過后土體的沉降。利用調(diào)整盾構(gòu)前部密封艙內(nèi)的壓力值可以平衡因土體開挖而浮現(xiàn)的側(cè)向土壓力,基本保持盾構(gòu)前方土體的應(yīng)力狀態(tài),所以盾構(gòu)前方的土體隆起值較小。盾構(gòu)推過產(chǎn)生的土體沉降主要是由地層損失引起的,即隧道施工中實(shí)際開挖的土體的體積與竣工體積之差,地層損失的橫斷面(圖1)可以利用空隙厚度g來表示:

g=U*3Dω2Δδ,(1)

式中,U*3D為因開挖面荷載釋放使開挖面前方土體進(jìn)入開挖面導(dǎo)致的超挖空隙厚度;ω為施工條件及操作技術(shù)影響因素;Δ為盾尾殼體的厚度;δ為安裝襯砌所需的孔隙厚度。對于g的四個(gè)組成的計(jì)算與確定,由于土壓平衡盾構(gòu)可以很好地控制壓力艙的壓力值,U*3D基本可以忽視,而對于技術(shù)較為嫻熟的施工工藝,ω的影響相對較小,所以盾構(gòu)切口環(huán)直徑與襯砌外徑之差(2Δδ)是空隙厚度的主要組成部分。

2鏡像辦法原理

鏡像辦法是由Sagaseta提出[3,4],可以解決線彈性半無限體內(nèi)因?yàn)榭障懂a(chǎn)生的位移場的求解問題,基本分析步驟如下(圖2)。

a。忽視地面的存在,問題由半無限體轉(zhuǎn)化為在無限體內(nèi)的空隙問題,在原地面位置將產(chǎn)生正應(yīng)力σ0和剪應(yīng)力τ0。

b。在無限體內(nèi)與原空隙鏡像位置假想一大小相等的體積膨脹,該體積膨脹將在原地面位置產(chǎn)生正應(yīng)力-σ0和剪應(yīng)力τ0。

c。前兩步在原地面位置產(chǎn)生的正應(yīng)力相抵消,剪應(yīng)力為2τ0,為符合實(shí)際自由邊界條件,將產(chǎn)生的附加剪應(yīng)力反號施加于半無限體表面。以上三步產(chǎn)生的位移之和即為實(shí)際問題的位移解答。

對于無限體內(nèi)半徑為a的空隙(圖3),與其距離為r的任一點(diǎn)處將產(chǎn)生徑向位移

式中,G為剪切彈性模量。τxz在y=y0時(shí)的分布及方向如圖5,同理可知τyz的分布與方向,為符合實(shí)際邊界條件,將τxz和τyz反方向作用于地表,利用對已知的由地表水平力產(chǎn)生的位移的解答(Cerruti解答)舉行數(shù)值積分[5],即可求得第三步的位移解答,其中豎向位移為

在x和y方向上的位移Sx及Sy也可以同樣求得。以上求得半徑為a的空隙引起的任一點(diǎn)位移,對于單位體積的空隙產(chǎn)生的位移在以上基礎(chǔ)上除以體積4πa3/3,它們均是x,y及z的函數(shù)。

3土體位移計(jì)算

隧道推動產(chǎn)生的土體位移可以利用對單位體積空隙產(chǎn)生的土體位移解答積分得到,如圖6,設(shè)隧道開挖斷面中心線深度為h,自(0,0,h)點(diǎn)沿x軸正方向掘進(jìn),推動到(l,0,h),空隙厚度為g。地層損失為兩個(gè)長度相同,半徑不同而且側(cè)壁相連的圓柱體之間的空隙,即V=V1-V2,其中外圓柱體V1軸線深度h,半徑為盾構(gòu)切口半徑R,長度l;內(nèi)圓柱體V2軸線深度hg/2,半徑為襯砌外徑r(r=R-g/2),長度l。半無限體內(nèi)任一點(diǎn)(x,y,z)處的單位體積空隙產(chǎn)生的位移可以表示為x,y,z的函數(shù),比如豎向位移sz=sz(x,y,z),則隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的土體豎向位移可以利用以下積分求得

U1為外圓柱體積分得到的豎向位移,U2為內(nèi)圓柱體積分得到的豎向位移,土體內(nèi)任一點(diǎn)的豎向位移是由內(nèi)外兩個(gè)圓柱體產(chǎn)生的豎向位移相減得到。同理,其它方向的位移也可利用同樣的辦法得到。

4壁后注漿

為了減小地面沉降量,在盾構(gòu)推動同時(shí)舉行同步注漿,在襯砌脫離盾尾時(shí)從盾尾的幾個(gè)注漿孔噴射漿液以控制地面沉降量。注漿過程可以看作是產(chǎn)生盾尾空隙的逆過程,對它引起土體位移的計(jì)算可以按照上節(jié)的推導(dǎo)舉行,只是位移方向相反。盾尾各個(gè)注漿孔的注漿壓力不同,普通上面的注漿孔較大,下面注漿孔的較小或不注漿,這樣實(shí)際襯砌外圍的漿液并非勻稱分布,而是上大下小,據(jù)此特點(diǎn),本文提出注漿產(chǎn)生的體積膨脹與盾尾空隙的空間分布相像,也是半徑不同而且側(cè)壁相連的兩個(gè)圓柱體之間的所夾體積,但是該體積膨脹并不等于實(shí)際的注漿體積,由于在實(shí)際注漿過程中存在漿液損耗,漿液損耗體積與土體孔隙率及滲透系數(shù)、注漿壓力、隧道超挖狀況及輸送漿液管道長度緊密相關(guān),普通來說漿液損耗體積隨土體孔隙率及滲透系數(shù)、注漿壓力、隧道超挖體積和管道長度的增大而增大。綜合考慮,可以采納損耗系數(shù)來描述漿液的損耗狀況。

5工程應(yīng)用及結(jié)論

天津地鐵一號線工程總長26。2km,部分路段采納盾構(gòu)法施工。工程實(shí)測段位于小白樓站至下瓦房站區(qū)間盾構(gòu)施工段的端頭井附近,試驗(yàn)中采納分層沉降儀來量測各層土體在盾構(gòu)施工過程中豎向位移,采納測斜儀來量測盾構(gòu)施工過程中周圍土體的水平位移,同時(shí)在各測點(diǎn)處加設(shè)地面點(diǎn)以量測盾構(gòu)推動過程中地表的沉降邏輯,儀器埋設(shè)平面布置如圖7,ZX1~ZX4和FC1~FC4為分層沉降測孔,CX1~CX4為測斜儀測孔。

實(shí)驗(yàn)中對盾構(gòu)進(jìn)洞掘進(jìn)的囫圇過程舉行監(jiān)測。按照鏡像辦法計(jì)算原理及注漿壓力影響的分析辦法,編寫程序?qū)Χ軜?gòu)推動過程中因?yàn)榈貙訐p失及同步注漿引起的土體位移舉行計(jì)算,并和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對照。隧道軸線位于地表以下11。85m,h=11。85m;盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)外徑6。4m,襯砌外徑6。2m,孔隙厚度g=20cm;盾尾每沿米的實(shí)際注漿量為3m3左右,漿液損耗系數(shù)約為0。6,每沿米有效注漿體積為1。2m3。

本文計(jì)算了盾尾末端到達(dá)100m時(shí)土體的位移狀況,得到隧道中心線上方縱向地表沉降曲線(圖8),從盾尾末端前40m至后40m范圍內(nèi)隧道中心線上方地表沉降逐漸增大,盾尾末端上方地表沉降約15mm,其后40m處中心線上方地表沉降約為31mm,之后地表沉降基本不變,即可認(rèn)為沉降穩(wěn)定。

本文取盾尾末端后50m處橫斷面舉行計(jì)算,該斷面地表及地表以下5m處橫向沉降曲線如圖9和圖10。同步注漿的效果非常顯然,很大程度上削減了土體的沉降值,計(jì)算得到的總體沉降曲線與實(shí)測值吻合良好。計(jì)算得到隧道橫斷面沉降等值線(圖11),可以發(fā)覺隧道軸線上方沉降隨深度增強(qiáng)而增大,最大沉降發(fā)生在地表以下8m左右,大約在襯砌頂部上方。襯砌下方土體向上隆起,隆起的最大值發(fā)生在襯砌底部。

圖12為距軸線6m土體水平位移計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果對照圖,各深度水平位移均以地表處水平位移為參照。從圖中可以看出計(jì)算和實(shí)測的最大水平位移發(fā)生在隧道中心線深度位置附近,大小為3cm左右,雖然計(jì)算得到的最大水平位移比實(shí)測大一些,但總體水平位移沿深度的分布趨勢與實(shí)測全都?？傮w來說計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較吻合,說明鏡像辦法及對注漿過程的計(jì)算辦法較符合實(shí)際狀況,計(jì)算結(jié)果牢靠。

土體產(chǎn)生位移的主要緣由是地層損失,按照地層損失的空間分布邏輯采納鏡像辦法可分析計(jì)算隧道推動過程中的位移場分布。將注漿過程看成產(chǎn)生盾尾空隙的逆過程且漿液的空間分布與盾尾空隙的分布相像是