复合地层中隧道开挖面支护压力对地层变形的影响.pdf

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1、第27卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)V0】．27No．42010年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2O10复合地层中隧道开挖面支护压力对地层变形的影响资谊，陈强，章荣军，郑俊杰(1．中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063；2．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074)摘要：建筑物密集区域对变形控制相当严格，隧道开挖面合理支护压力往往不由极限支护压力确定，而是由地层变形控制标准来确定，因此有必要探讨开挖面支护压力与地层变形之间的内在关系。针对广州地区典型的上软下硬复合地层条件，考虑盾构的实际掘进过程，研究了欠压状态下开

2、挖面前方土体的位移模式，并分析了不同条件下开挖面支护压力与地层变形之间的内在关系。结果表明，当土体性质不同时，欠压状态下开挖面前方土体表现出不同的位移模式；不同埋深情况下开挖面极限支护压力比基本相同；土体内摩擦角及黏聚力对开挖面所需的合理支护压力大小的影响显著。关键词：盾构隧道；开挖面稳定；支护压力；土体变形；位移模式中图分类号：U451文献标识码：A文章编号：1672~037(2010)04-0036-06盾构隧道开挖面稳定性问题是影响周围位移算出地下水的渗透力，并与有效应力原理计算得的一个重要因素。支护压力过小，易导致开挖面到的土压力进行叠加即可得到开挖面的支护压前方土体大量进入压力舱，

3、引起地基发生过大沉力；朱伟、秦建设等人¨则利用大型有限差分降，甚至坍塌；而支护压力过大，可能产生地表隆程序FLAC3D对土压平衡盾构开挖面变形与破坏起，这些都将给周围构筑物带来不良影响。进行了详尽的分析研究，得出了一系列重要的结论。目前，开挖面稳定性研究主要侧重于开挖面当地铁区间处于相对空旷的区域时，变形控极限支护压力的确定。在理论分析方面，国内外制标准相对宽松，开挖面的合理支护压力一般以学者已经提出了许多计算模型，根据开挖面失稳工作面前方土体的稳定性作为控制标准，此时采破坏机理，开挖面极限支护压力的计算模型主要用上述方法确定的开挖面极限支护压力是具有实分为微细观分析模型¨、塑性极限理论分析

4、方际意义的。但当地铁区间处于城市中心建筑物密法及基于仓筒理论的楔形体力学分析模集区域时，变形的控制相对严格，工作面的合理支型。在试验方面，Chambon等人通过离心试护压力以地层变形为控制标准，此时更重要的是验模拟均质砂土层中开挖面支护压力逐渐减小，探讨开挖面支护压力与地层变形之间的关系。在分析开挖面的破坏形式；Mair在总结前人研究这方面，相关研究成果极不完善。同时，目前的研成果的基础上，进行了盾构隧道开挖面稳定相关究都是针对均一地层的，对于其他工程常见的地离心试验研究，得出砂土和黏性土地层中隧道开层条件(如广州地区典型的上软下硬地层等)的挖面不同的破坏模式(分别为烟囱状和盆状)；研究较少

5、。程展林等通过模型试验，对泥水盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机理进行了研究，并给出1数值计算模型了中粗砂地基中临界泥水压力公式¨⋯。鉴于理论分析及试验研究的局限性，数值模拟方法以其1．1数值仿真中的关键模拟技术灵活适用的特点而被广泛应用于盾构隧道开挖面1．1．1盾构机掘进过程的模拟稳定的分析中。例如，Buhanl11]建立了土压平衡本文采用刚度迁移法来模拟盾构机逐步开挖盾构隧道开挖面的三维有限元计算模型，并考虑前进过程，即逐步“杀死”前方待开挖土体单元，了渗透力的影响；Lee¨14]等人也考虑了地层水并且“激活”预设注浆层、管片层、盾构机机壳单平渗透力对开挖面稳定的影响，通过数值模拟计元

6、等。在模拟过程中考虑盾尾间隙和刀盘超挖引收稿日期：201O79作者简介：资谊(1970一)，男，湖北武汉人，硕士，高级工程师，研究方向为隧道工程(Emml：tsyziy@vip．163．corn)第4期资谊等：复合地层中隧道开挖面文护压力对地层变形的影响。37·起的间隙，以及注浆材料的力学性质随时间和空料处于液态，模拟中将其设置为空单元，并在其界问逐步变化的特性。图1给出了模拟盾构掘进的面处施加注浆压力。盾构机的推进过程及相关细刚度迁移法的示意。在盾首和盾尾均设有预设单节的模拟方法如图3所示。元，开挖面推进时，盾首逐渐深入，相应位置处预、设单元刚度增加；盾尾逐渐脱出，相应位置处预设、衬砌注浆

7、支护扒、E单元的刚度减少。当推进一个行程后，盾首预设管；片：压／力盾机构匡单元变为盾构外壳刚度，盾尾处预设单元变为空，巴i，注：疑本／l=_：单元。盾构前行的同时，盾构附属的其他结构／,；iJ一==：(包括载荷等)也前行。Im嘲鞠Z0空隙预设盾壳单元盾尾单元图3盾构机推进过程的数值实现方法1．2数值计算模型的建立囊本文的数值计算采用有限差分计算程序FI,AC3D进行，模型的网格划分如图4所示。典推进步长ll盾