地铁盾构施工对地表沉降的影响研究
一、引言
我国经济正高速发展, 城市化程度迅速持续提高, 城市人口越来越多, 交通问题是绝大多数城市的主要表现。其中地铁因为运量大、速度快、节约土地资源、减少环境污染等优点, 成为我国各大城市轨道交通建设的重点。从国内外地铁建设情况来看, 目前盾构法施工是地铁建设的主要方法, 其具有劳动强度低、对环境干扰小等优点。但是盾构施工会使周围的土体原状发生改变, 引起地层变形和地表沉降, 甚至会影响已有设施的正常使用危及其安全。
本文以×××地铁区间盾构隧道为实际工程背景, 采用有限元软件ANSYS来模拟盾构机推进过程, 以此来分析预测这个过程中引起的地表变形, 从而提出一些实用性的处理这些变形的方法。
二、盾构施工引起地表沉降的机理
盾构施工致使地层原来的应力平衡状态改变, 应力得到释放, 从而使得地层发生变形。盾构施工致使地表发生沉降的原因比较繁杂, 首先地层条件是其关键影响因素, 除此之外与盾构前进时的土压平衡、开挖速度、掘进压力、灌浆压力、注浆量等也有关系。
根据大量工程实测数据, 盾构施工引起地表变形的过程可以划分为下面几个阶段:
(1) 盾构到达之前的先期变形。因为盾构施工时会进行排水, 地下水位下降使地层孔隙水压力变化, 导致地表变形。 (2) 盾构到达时的地表变形。盾构机掘进时在前方工作面施加顶进压力, 压力大时土体受到挤压使得地表隆起, 压力小时, 前面的土体会松动使得地表沉降。 (3) 盾构通过时的地表变形。由于盾构施工的干扰, 盾构机与土体产生相对位移会使得地层发生损失, 同时两面的土体向外移动, 地表发生变形。 (4) 盾构通过后的地表变形。盾构机通过之后, 盾构机和衬砌间存在空隙, 没有立即注浆或是注浆量不够, 使得地层塌落, 导致地表沉降。
三、地铁盾构施工数值模拟分析
本文以×××地铁区间为对象, 使用数值模拟软件ANSYS对区间隧道盾构施工的过程进行了数值模拟。区间隧道右线全长1081.696m, 本文以右线60m范围为研究对象, 使用solid186单元建立三维实体模型, 其中地铁隧道埋置深度为16.7m。盾构施工取一次开挖进尺为2.4m, 总计有25个施工开挖循环周期。
通过数值模拟结果分析可以发现, 对于盾构对地层位移的影响, 可以得出: (1) 离隧道开挖断面越远的地方, 地层受扰动影响越小, 随着开挖地层受扰动范围越来越大; (2) 隧道断面上、下方拱形范围内地层受影响较大; (3) 隧道开挖时开挖面的上方土层发生沉降, 下方土层发生隆起, 且分别是在隧道拱顶部沉降最大, 反拱形中间隆起最大; (4) 随着隧道开挖, 最大沉降量越来越大, 在第五步开挖以后沉降量变化比较小, 趋于稳定; (5) 最大隆起量从第一步开挖到第三步开挖逐渐增大, 然后到第二十步开挖逐渐减小, 接着到隧道贯通越来越大。
分析地表沉降量云图可以发现:从这些云图可以看出: (1) 地表的最大沉降位于开挖起始面, 且随着开挖的进行先是越来越大, 到第十步开挖后变化比较小, 趋于稳定; (2) 盾构机掌子面前方一定范围的地表由于地层扰动会沉降, 离开挖面远点的范围内地表由于扰动会发生隆起; (3) 盾尾方向的地表随开挖掘进沉降量大体越来越大, 掘进方向上地表隆起缓慢增大。
本文还对盾构工作面不同顶推压力和注浆压力对地层的影响进行了研究。通过改变不同的顶推压力发现, 随着顶进压力增大, 盾构机前、后的地表沉降值会变大;增大顶进压力, 地表沉降量有一临界点, 临界点后方地表沉降量变大大, 前方隆起的地方沉降量变小。此外, 注浆压力也对地表的沉降有一定影响。模拟发现, 随着注浆压力增加, 相应的隧道拱顶最大沉降量越小, 仰拱处最大隆起量也越小, 相应的地表最大沉降程度会降低;通过分析水平方向地表沉降曲线发现, 随着注浆压力增大, 沉降槽宽度变小, 且注浆压力的大小对地层扰动影响比较大, 沉降量变化明显, 甚至有点地方在注浆压力足够大后会由原来的发生沉降变成发生隆起。
四、地表沉降控制措施
施工过程中及完成后产生的地表沉降量、隆起量要保证不影响周围环境各种设施的正常使用, 依据周围地面各种建筑及地下各种设施受影响发生变形的难易程度, 采取相应的控制方案。
控制地面沉降最主要的是保持掌子面的平衡稳定、填充空隙的时间和质量, 主要有以下措施:1) 盾构机掘进的各项参数如刀盘压力、顶推压力等影响盾构开挖面的平衡与稳定, 根据相关因素控制这些参数的变化可有效控制开挖面稳定。2) 在盾构推进时要及时地在盾构机脱出后留下的空隙里填满足够的浆液保证充填质量, 以减小或防止地面沉降。同步注浆不能满足条件时, 进行二次注浆, 可以辅助减小地表沉降量。3) 注意在曲线上推进时, 掘进速度要缓慢、纠正方向的幅度要小、注浆量要增加等, 以减少土体的过多挖掘和对周围土体的扰动, 降低地面沉降量。
五、结语
本文以×××地铁区间为工程背景, 采用ANSYS软件创建三维模型来模拟盾构掘进过程, 据相关结果分析地表变形规律, 得除了以下结论:
(1) 在开挖隧道的过程中, 被开挖的区域周围一定范围内的土体会受到影响, 越近影响越大, 开挖面上方土体发生沉降, 沉降量由地表到隧道拱顶越来越大, 在拱顶处最大, 而下方土体发生隆起, 在仰拱处最大。
(2) 盾构机掘进过程中, 沉降量先是越来越大, 后变化较小并趋于稳定, 隧道贯通之后, 盾构出发位置的沉降是最大的, 与开挖起始面间距越大, 沉降量就越小。
(3) 改变工作面顶进压力, 随着顶进压力增大, 地表沉降量会越大, 隆起量也会越大, 这个参数对地表变形影响较大。
(4) 改变注浆压力, 增大注浆压力, 地表沉降量会越小, 影响较大, 而其对地表隆起量的影响比较小。
摘要：目前我国经济正高速发展, 地铁建设是重要建设项目, 地铁建设大多采用盾构施工法, 但是盾构施工会引起地层的变形、地表沉降等不良影响, 地层变形过大则会危及已有设施的正常使用及安全并造成损失。由于盾构参数多样化和复杂多样的地质条件等, 对盾构施工引起的地表沉降的研究需要具体实际问题具体分析。本文以×××地铁区间为工程背景, 用数值模拟软件ANSYS来模拟盾构掘进过程, 据相关结果分析地表变形规律, 并通过改变模型设置参数, 对比分析工作面不同顶进压力、不同注浆压力对地表变形的影响, 最后提出一些控制措施。
关键词：盾构隧道,ANSYS数值模拟,地表沉降,控制措施
参考文献
[1] 钱七虎.迎接我国城市地下空间开发高潮[J].岩石工程学报, 1998, 20 (1) :12-113.
[2] 吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].西南交通大学, 2003.
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