武汉地铁盾构始发数值计算与监测分析.doc

武汉地铁盾构始发数值计算与监测分析 ? 【摘?? 要】研究目的:盾构法是城市地铁施工的主要方法之一。由于盾构始发阶段存在显著不同于盾构标准段的特征，如端部加固区域等，因此，有必要进一步来分析盾构始发阶段数值计算与监测数据的特征，从而获取与始发特征符合的特定规律。 研究结论:基于武汉地铁二号线江积区间的地质特征，建立了有限差分模型。对盾构始发阶段的施工过程，分6步进行了模拟。对右线开挖30 m后的竖向位移，取不同截面进行了分析。同时，分析了始发过程中数值模拟结果与现场监测数据的差异，并从差异中分析得到了二者共同的规律，如部分沉降曲线类似，可以为盾构始发的数值计算、工程分析与预测提供参考。 【关键词】地铁工程;盾构施工;数值计算;监测分析 ? ????? 盾构法是城市地铁施工的主要方法之一，在我国已有一定的理论研究成果与工程实践基础;而对于非标准段的施工工况，工程数据相对较少，如盾构施工的始发工。同时，因为始发段非隧道标准段，施工过程中，非常规性因素较多，而盾构机械的运行也处于非稳定状态，存在较多风险。因此，在城市隧道施工过程中，始发往往成为盾构施工的关键环节之一［1］。国内外，对于盾构始发施工的研究相对较少;已有文献多集中于施工方案的阐述与监测数据的分析。 ????? 对此，有必要基于数值计算方法，对于盾构始发进行前期的规律分析，为地铁施工的顺利进行提供帮助。 ????? 目前理论界对于始发技术的研究还处在探索的阶段，主要集中在对于盾构始发段的模板［2］、降水［3－4］、反力系统［5］、土体加固［6］、盾构姿态［7］的研究中［1］。刘兵科(2008)［2］对盾构始发预留洞口模板体系的设计和施工进行了研究。靳世鹤(2008)［3］黄震江等(2009)［4］等对盾构始发的降水问题进行了研究。赵宝虎等(2009)［5］从数值分析、受力分析和现场监测的角度对反力架的功能、作用和拆除技术进行了探讨。袁大军等(2009)［6］对南京长江超大直径泥水盾构隧道工程中盾构始发段在盾构掘进不同阶段的土体扰动及影响情况进行了相关研究。王源等(2009)［8］对南京长江隧道浦口深基坑工程的盾构始发工作井的相关监测数据进行了分析。 ????? 本文基于FLAC软件，建立数值模型，对盾构始发过程中的地表沉降进行了计算与分析，并与现场监测数据进行了比较。 1、工程概况 ????? 武汉市轨道交通二号线江汉路站～积玉桥站越江区间长约3 100 m，左、右线隧道均采用泥水平衡盾构盾构施工，由积玉桥站始发。该区间隧道采用预制钢筋混凝土管片，管片外径为6．2 m，内径为5．5 m，宽为1．5 m，厚0．35 m。 ????? 始发端场地土类型为中软土，场地类别为类。场地土层自上而下有:杂填土，厚2．3～3．8 m;粉土，厚3．1～4．8 m;粘土，软塑，厚5．3～6 m;淤泥质土，流塑，厚2．8～3．3 m;粉质粘土，软塑，厚5～6．4 m;粉质粘土、粉砂互层，软塑状，厚4．5～5．0 m;粉细砂，饱水，稍密，厚13．0～15．0 m。地下水丰富、水位高且具有承压特征。开挖面位于粘土、淤泥质粉质粘土层，开挖面底部埋深16 m。 ????? 盾构始发井端头地层加固采用三重管法高压旋喷桩加固，加固范围为开挖轮廓外3 m，长9 m。 ????? 本文采用FLAC3D进行数值模拟。模型首先沿隧道长度方向取45 m，同时考虑积玉桥车站对隧道开挖的影响，车站基坑方向取20 m，且根据圣维南原理，为满足既定边界条件，整个模型的尺寸为80 m×65 m×40 m。模型尺寸范围内的地层条件等变化不明显，因此简化为水平均匀分布。模型土层横断面示意图如图1所示。 ????? 在本次计算中，土体采用以Mohr－Coulomb屈服条件为破坏准则的弹塑性模型，采用实体单元，地连墙采用壳单元模拟。位移边界条件设定:侧面限制水平位移，底部限制竖向位移，地表取为自由边界。且根据需要，重要研究区域网格加密。网格划分如图2、图3所示(为了便于显示，只给出了左隧道中线一侧的网格图)。依据工程勘察报告及相关规范确定的材料的物理力学参数如表1所示。隧道管片单元的厚度为0．35 m，密度为2450 kg/m3，弹性模量为34．5 GPa，泊松比为0．3。地连墙的体积模量为50．1 GPa，剪切模量为37．5 GPa，密度为2．5 kg/m3。 ???? ??? ? 本次模型计算中，未考虑地下水的作用，初始应力只考虑自重应力。武汉地铁隧道采用1．5 m长的管片，确定每循环的开挖长度1．5 m。模拟盾构掘进过程中，管片底面施加的施工载荷为160 kN/m2。隧道中心处的地层应力为0．127 MPa，开挖面泥水压力设置为:在隧道中心处设置应力为地层应力的0．9倍，应力梯度为地层应力梯度的0．9倍。采用先后开挖顺序，左