富水砂層中盾構施工引起的土體應力變化規律

王建軍 丁洲祥 劉 輝

1 工程概況

廣州市地鐵某施工段線含有富水砂層的達到上千余米，區間途經農田、魚塘及市政道路和綠化帶，地處廣花沖積盆地，由于地質條件和環境條件的復雜，對工程安全和質量以及對周邊環境的影響提出了很高的要求。本文將通過數值模擬方法對盾構施工引起的土層應力變化規律進行分析，并與實測結果進行對比，可供類似工程施工中減少地層擾動作參考。

2 盾構掘進引起的土體應力變化數值模擬

2.1 有限元模擬的建立

地鐵斷面有限元模型尺寸為長80 m，寬25 m，高25 m的三維網格。左右兩邊限制單元節點 X方向位移，下邊界限制節點Y方向位移，前后限制節點Z方向位移，經過優化后的有限元網格如圖1所示。

2.2 數值模擬結果分析

1)土壓力。由圖 2，圖3可以看出，數值模擬得出的土壓力變化規律與實測的變化規律大致相似，在整個盾構掘進過程中，土壓力的變化共分為三個階段:a.顯著增長階段，切口臨近斷面至盾體通過斷面時，土體先后受到土倉壓力的擠壓作用，盾體的摩擦剪切作用使得其受擾動嚴重，土壓力上升;b.波動階段，盾尾脫離斷面時，受壁后注漿的影響，土體應力有一定的波動，其峰值往往在這個階段產生;c.恢復階段，盾尾脫離斷面后盾構掘進對土體的影響弱化，土壓力逐漸減小，但比盾構通過斷面以前有一定增加。

2)孔隙水壓力。由圖 4，圖5可以看出，數值模擬的孔隙水壓力與實測得出的變化規律大致相同。從上面各圖中可以看出，孔隙水壓力的變化規律和土壓力大致一樣，整個掘進過程中處于掘進上升、停止下降的波動循環中?？傮w而言可分為三個階段:緩變段——盾構切口距離斷面15 m時，波動范圍在 5 kPa之內;顯變段——切口臨近至盾尾過后3 m大概12 m范圍內，波動峰值約20 kPa;消散段——盾尾遠離，這時掘進的影響已經很微弱。

3 結語

1)當切口達到斷面前，土壓力的變化值很小，但總體上呈現隨著盾構的靠近土壓力增大的趨勢。切口經過斷面時，土壓力達到一個較大的波動值，然后有小幅度回落。這主要是因為切口逼近時對土體的擠壓和形成超孔隙水壓力致使土壓力大幅度上升，當切口推進一環時要停機進行管片拼裝，對于砂土一旦停止掘進，超孔隙水壓力會迅速消散，使得土壓力有所回落。而后再次推進，到盾尾通過時，土壓力會再次波動到一個較大的水平，甚至超過切口達到時的土壓力值。從監測情況來看，同一個孔埋深越大，土壓力的變化值也越大。同一深度土體，離隧道越近，土壓力變化值也越大。2)孔隙水壓力的變化規律與土壓力基本類似。切口接近監測斷面時，孔隙水壓力呈現上升的趨勢。在盾構到達并通過期間，孔隙水壓力有明顯的增加。盾尾通過后，孔隙水壓力還有一次較大的波動，并在此階段達到峰值。埋深越大，孔隙水壓力變化幅度也越大。與土壓力明顯的區別在于，孔隙水壓力的回落非常快，而且回落幅度也很大，基本在切口通過斷面25 m之后，能回落到初始水平附近。3)超孔隙水壓力和土壓力變化的實測結果表明:土壓力與孔隙水壓力是同步增加的，說明土體中土壓力增加是超孔隙水壓力產生的原因。隧道頂和肩部的土體擾動程度較大，隧道底部土體的應力擾動程度較小，越往地表，土體的應力擾動程度越小。

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