盾构施工引起土体位移的空间计算方法

 

摘 要:城市地下隧道的修建会引起隧道周围一定范围土体的位移,对土体位移进行较准确的计算对于控制隧道周围土体位移量和减小过大位移对已有建筑物及管线带来的危害十分重要.隧道周围土体的位移是由地层损失引起的,并且跟注浆量有很大关系.根据地层损失及注浆量的空间分布规律,应用镜像方法原理,采用数值积分方法,对隧道推进过程中由地层损失和注浆产生的位移进行空间分析,得到隧道周围土体的空间位移分布.计算结果与天津地铁施工过程的现场实测结果对比表明该方法有效可靠.

关键词:镜像方法; 地层损失; 注浆体积; 空间分析

 

     为解决城市日益紧张的交通问题,天津市将对原有地铁进行扩建,由于市区内施工场地及交通因素所限,许多地段无法采用明挖法施工,盾构法成为天津地铁建设中常用的施工方法.目前,对于盾构法施工引起的土体位移分析主要采用经验方法(Peck公式[1])和有限元数值计算方法,理论研究滞后于工程实践,因此,加强对盾构法施工的理论研究显得十分迫切.

1 引起土体位移的主要因素

      土压平衡盾构机是目前隧道工程中十分先进的一种施工机械,它具有施工速度快、安全程度高以及对土体扰动小等特点.盾构施工引起的土体位移主要包括盾构前方土体的隆起和盾构推过后土体的沉降.通过调节盾构前部密封舱内的压力值可以平衡因土体开挖而出现的侧向土压力,基本保持盾构前方土体的应力状态,所以盾构前方的土体隆起值较小.盾构推过产生的土体沉降主要是由地层损失引起的,即隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工体积之差,地层损失的横断面(图1)可以通过空隙厚度g来表示:

g=U^*_3D+ω+2Δ+δ,(1)

      式中,U^*_3D为因开挖面荷载释放使开挖面前方土体进入开挖面导致的超挖空隙厚度;ω为施工条件及操作技术影响因素;Δ为盾尾壳体的厚度;δ为安装衬砌所需的孔隙厚度.对于g的四个组成的计算与确定,可见K.M.Lee等[2]的论述.因为土压平衡盾构可以很好地控制压力舱的压力值,U^*_3D基本可以忽略,而对于技术较为熟练的施工工艺,ω的影响相对较小,所以盾构切口环直径与衬砌外径之差(2Δ+δ)是空隙厚度的主要组成部分.

2 镜像方法原理

      镜像方法是由Sagaseta提出[3,4],可以解决线弹性半无限体内由于空隙产生的位移场的求解问题,基本分析步骤如下(图2).

      a.忽略地面的存在,问题由半无限体转化为在无限体内的空隙问题,在原地面位置将产生正应力σ0和剪应力τ0.

      b.在无限体内与原空隙镜像位置假想一大小相等的体积膨胀,该体积膨胀将在原地面位置产生正应力-σ0和剪应力τ0.

      c.前两步在原地面位置产生的正应力相抵消,剪应力为2τ0,为符合实际自由边界条件,将产生的附加剪应力反号施加于半无限体表面.以上三步产生的位移之和即为实际问题的位移解答.

      对于无限体内半径为a的空隙(图3),与其距离为r的任一点处将产生径向位移

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