盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响_林存刚.docx
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1、 第 33 卷第 8 期 岩 土 力 学 Vol.33 No. 8 2012 年 8 月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2012 文章编号: 1000 7598 (2012) 08 2472 11 盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响 林存刚 1, 2,吴世明 3,张忠苗 1, 2,刘俊伟 1, 2,李宗梁 3 ( 1. 浙江大学 岩土工程研究所,杭州 310058; 2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,杭州 310058; 3. 杭州庆春路过江隧道有限公司,杭州 310002) 摘 要: 软土中盾构隧道施工不可避免地扰动周围地层,进而引起地面沉降
2、,沉降过大时将危及邻近建(构)筑物的正常使 用和结构安全。全面理解盾构隧道施工引起的地面沉降的影响因素及对沉降的准确预测,对于减少施工环境危害十分重要。 考虑盾构压重后,引入 Mindlin 解计算盾构下卧土层中的附加应力,采用单向压缩分层总和法计算盾构下卧土层的总固结沉 降,由盾构掘进速度及停机时间确定附加应力作用时间后,应用太沙基一维固结理论计算在该作用时间内的固结沉降,应用 Peck 公式建立了盾构下卧土层沉降与地面沉降的关系,并以杭州庆春路过江隧道地面沉降的实测验数据对上述理论进行了 验证。分析表明,考虑盾构掘进速度及停机时间的地面沉降计算理论基本合理;盾构掘进速度及停机时间会对隧道施
3、工引起 的地面沉降产生显著影响;在其他施工条件相同的前提下,提高盾构掘进速度和减少停机时间有利于减少地面沉降。 关 键 词: 盾构;掘进速度;停机;地面沉降; Mindlin 解;一维固结; Peck 公式 中图分类号: TU 47 文献标识码: A Influences of shield advance rate and abnormal machine halt on tunnelling-induced ground surface settlements LIN Cun-gang1, 2, WU Shi-ming3, ZHANG Zhong-miao1, 2, LIU Jun-wei
4、1, 2, LI Zong-liang3 ( 1. Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3. Hangzhou Qingchun Road Cross-River Tunnel Company Limited, Hangzhou 3100
5、02, China) Abstract: Shield tunnelling in soft soils inevitably disturbs the surrounding environment and induces ground surface settlements. The serviceability and safety of the structures in the vicinity can be jeopardized in case that excess settlements are observed. A comprehensive understanding
6、of the influencing factors of shield tunnelling induced ground settlements and an accurate settlement prediction are of great importance for minimizing the environment impacts of shield tunnelling. Taking the load of the shield into account, the Mindlins solution is introduced to calculate the addit
7、ional stress in soils beneath the shield, and the layer-wise summation method is applied to calculate the final one-dimensional consolidation settlement. The duration of additional stress in soils relies on the shield advance rate and its halt time, and the corresponding consolidation settlement can
8、 be calculated using the Terzaghis one-dimensional consolidation theory. Finally, the relationship between consolidation settlements and ground surface settlements is established by Peck equation. The theory is verified by in-situ monitored ground surface settlements in construction of Hangzhou Qing
9、-chun Road cross-river tunnel in China. These studies show that the shield advance rate and machine halt duration have a significant impact on the ground surface settlements, and the increase in shield advance rate and decrease in machine halt duration favors the settlement control. Key words: shiel
10、d; advance rate; machine halt; ground surface settlements; Mindlins solution; one-dimensional consolidation; Peck equation 1 引 言 近些年,随国内地铁及水底隧道建设热潮的兴 起,盾构法隧道施工技术越来越广泛地在全国各大 中城市应用。盾构隧道多穿越城市建筑物及地下管 线密集区域,对隧道施工引起的地层位移控制较为 收稿日期: 2011-03-28 基金项目:国家自然科学基金 (No. 51078330);杭州庆春路过江隧道有限公司科研资助项目。 第一作者简介:林存刚,男,
11、1986 年生,博士研究生,主要从事软土地区盾构隧道施工环境影响及隧道长期耐久性、稳定性方面的研究工作。 E-mail: 地表沉降/mmz0 D1H D3D2第 8 期 林存刚等:盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响 2473 严格,因此,国内外众多学者对于盾构隧道施工引 起的地层位移进行了广泛深入的研究,主要有经验 公式法 1 3、解析法 4 8、模型试验法 9及数值模拟 法 10等。这些研究考虑了施工方法、地层条件、隧 道埋深及直径、盾构掘进参数的控制等多种因素对 地面沉降的影响。然而,盾构掘进速度及非正常停 机对盾构隧道施工引起的地面沉降的影响研究,国 内外 文献中鲜有报道。 本文
12、由盾构掘进速度及停机时间确定盾构压 重在其下卧土层中产生的附加应力的持续时间后, 运用太沙基一维固结理论和单向压缩分层总和法计 算 在 该 作用 时 间 内 的沉 降 , 应 用 Peck 公 式 建 立起 盾 构下卧土层沉降与地面沉降的关系,并以杭州庆春 路过江隧道地面沉降的实测数据对该理论进行了验 证。 本文仅考虑盾构掘进速度及非正常停机时间 对盾构隧道施工引起的地面沉降的影响,对隧道开 挖基底土体回弹、掘进参数控制等其他因素不加以 考虑。 2 相关研究 Rowe 等 6、 Clough 等 11对美国第 1 条土压平 衡盾构隧道施工引起的地面沉降分析认为,盾构长 接 ; 盾 构 穿 越
13、木 桩 后 有大 量 木 屑 残留 在 刀 盘 缝隙 中, 在 里 程 24+50 位 置 停 留进 行 清 理 。 Clough 等 11认 为 , 该两处位置发生较大地面沉降和盾构在这两处长时 间停留有关。 Rowe 等 6认 为 , 盾 构 停机 时 , 由 于 土体 的 固结 或水土压力的重分布,盾构土仓压力逐渐减少,由 此 引 起 较大 的 开 挖 面地 层 损 失 , 进 而 加 剧 地 面沉 降。 除此 6, 11之外,鲜有关于盾构掘进速度及非正 常停机对地面沉降的影响研究,并缺少相关的理论 解释。 笔者认为,盾构长时间停机导致地面沉降加剧 的原因,除盾构切口压力损失引起开挖面地
14、层损失 外,还有盾构压缩下卧土层引起固结沉降,该固结 沉降持续时间由盾构掘进速度和停机时间确定。 3 计算模型的建立及求解 3.1 盾构下卧土层沉降计算 盾构在地层中掘进,计算模型纵剖面如图 2 所 示。 地面 h 时间在某一断面搁置,会加剧该断面的地面沉降。 盾构离开监测断面 5 个月之后的隧道轴线位置地面 沉降如图 1 所示 6, 11。 隧道轴线 盾构机 L1 拼装完成衬砌 L2 拖车 同步注浆浆液 里程 A B C 不可压缩土层 图 2 盾构地层中掘进计算模型(纵剖面) Fig.2 Calculation model of shield tunnelling in soils ( lo
15、ngitudinal profile) A B C A B C 如图 2 所示,盾构在地层中掘进, z0 为隧道轴 线 埋 深 (m), D1 为 隧 道外 径 (m), D2 为 隧 道 内径 (m); D3 为盾构机外径(开挖直径) (m), L1 为盾构机主 机长 (m), L2 为拖车长 (m), L 为盾构主机和拖车总 长 (m), L=L1+L2, Wshield 为 盾 构 主 机和 拖 车 总 重 (kN); h 为 地 下 水位 位 于 地 表以 下 的 深 度 (m), H 为 盾 构机 图 1 隧道轴线位置地面沉降 Fig.1 Surface settlement pro
16、file along centerline of tunnel alignment 由图 1 可见,沿隧道轴线位置里程 1+60 和 24+50 附近地面沉降最大,约为 76 mm。盾构在里 程 1+160 位置停留 15 d 进行动力系统与盾构机的连 底部距离不可压缩土层(卵石层、碎石层或基岩) 的长度 (m);假定自地面至不可压缩土层为均一地 层, rsoil 为土体重度 (kN/m); rlining 为衬砌管片重度 (kN/m) , rgrout 为 同 步注浆 浆 液 重 度 (kN/m), rw 为地 下水重度 (kN/m)。 图 2 计算模型对应横断面见图 3。 lining g
17、rout 3 1 lining 1 2 z0 D1H D32 2474 岩 土 力 学 2012 年 地面 h 盾构机 D2 衬砌 S 定义盾构机与其置换土体重量比为 1 : 1 Wshield /Wsoil 2 rsoil h (rsoil rw ) z0 0.5D3 h1 (rsoil rw )D3 ( 4) ( 5) 不可压缩土层 图 3 盾构地层中掘进计算模型(横断面) Fig.3 Calculation model of shield tunnelling in soils ( transverse section) Verruijt 等 12认为 , 由 于建 成 隧 道 的重 量
18、 小 于开 挖土体的重量,会在隧道底部产生 “浮力效应 ”,该 “浮力效应 ”会对隧道开挖引起的地面沉降产生影 响。通过建立隧道在均质各向同性土体中开挖的弹 ( 4) 应 力状 态 3 为 盾尾 脱离 , 拼 装成 型 管 片 和同步 注浆浆液置换开挖出土体后土应力 3 拼装成型管片和同步注浆浆液沿隧道轴线方 向 L 长度重量为 Wlining: W 0.25 r (D 2 D 2 ) r (D 2 D 2 )L ( 6) 定义拼装成型管片和同步注浆浆液重量与其 置换土体重量比为 2 : 性半平面模型,仅考虑地层损失和 “浮力效应 ”,通 过复变函数方法求解得出隧道开挖引起的横断面地 面沉降。
19、计算结果显示, “浮力效应 ”会对隧道开挖 2 Wlining /Wsoil 3 rsoil h (rsoil rw ) z0 0.5D3 h( 7) ( 8) 引起的地面沉降产生影响,建成隧道相对于开挖土 (r r )D 体越轻,地面沉降将越小,且横向地面沉降槽宽度 较 仅 考 虑地 层 损 失 时计 算 所 得 沉降 槽 要 窄 ; 考虑 “浮 力效应 ”后,计算所得沉降槽与实测值更吻合。 Verruijt 等 的 分 析 不 考虑 扰 动 土 体固结 , 土 体 发生弹 性变形,瞬时完成,与时间因素无关。 笔者认为,不仅开挖土体与建成隧道的重量差 会对隧道开挖引起的地面沉降产生影响,而且
20、盾构 与建成隧道的重量差也会对其产生影响,且该影响 与盾构掘进速度和停机时间相关。 不计扰动土体超孔隙水压力的消散,仅考虑开 挖出土体与盾构及成型管片重量差引起的盾构下卧 土体的应力释放,短期内盾构机底部 S 位置(见图 3)土体有效应力经历了 4 个阶段: ( 1)应力状态 0 为初始应力状态 0 2 soil w 3 由于盾构机的重量及拼装成型管片和同步注 浆液的重量与置换出的土体重量不相等,即 1 1, 2 1, 所 以 盾 构 通 过 以及 离 开 时 , 对其 底 部 土 体加 载或卸载,土体瞬时发生弹性压缩或回弹。该土体 变形瞬时完成,可由弹性理论近似求得,与时间因 素 无 关 ,
21、 与 上 述 各 有 效应 力 状 态 维持 时 间 长 短无 关, 因此,与盾构掘进速度及停机时间相关性不大。盾 构掘进速度及停机时间不影响隧道下卧土层因加载 或卸载(应力状态 0 转化为 1 ,再转化为 2 ,最 后转化为 3 )引起的土体弹性变形,因此,本文研 究盾构掘进速度及停机对地面沉降的影响时,未考 虑盾构底部土体因加载或者卸载引起的土体弹性变 形。 0 rsoil h (rsoil rw )(z0 0.5D3 h) ( 2)应力状态 1 为土体挖出后土应力 1 1 rsoil h (rsoil rw ) z0 0.5D3 h( 1) ( 2) /kPa A 0 B C 2 D 1
22、 盾构机置换土体重量为 Wsoil 0 t0 t0 +t t1 t2 t3 t/d W r D3 L r D 2 L ( 3) 图 4 盾构底部土体有效应力变化 soil soil 2 0.25 soil 3 Fig.4 Changes of effective soil stresses beneath the shield 第 8 期 林存刚等:盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响 2475 2 2 2 2 stop 2 3 2 2 2 2 2 i 图 4 表示任一断面 X 盾构底部 S 位置土体有效 f ( 3 )t 表示 t 2 时间段内附加应力 2 与 3 应力随盾构机掘进的变化
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- 盾构 掘进 速度 正常 停机 地面沉降 影响 林存刚
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